高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特征和結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

高層建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)主講人：謝孝副教授后勤工程學(xué)院建筑工程系構(gòu)造教研室

CHAPTERTwo1CHAPTERTwo

高層建筑構(gòu)造受力特點(diǎn)

和構(gòu)造概念設(shè)計(jì)2.1高層建筑的特點(diǎn)

2.2高層建筑的構(gòu)造方式

2.3高層建筑的構(gòu)造體系

2.4高層建筑構(gòu)造體系的選擇

2.5構(gòu)造總體布置

2.6縫的設(shè)置和根底22.1高層建筑的特點(diǎn)1、程度荷載成為決議要素闡明：(1)、豎向荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而程度荷載對(duì)構(gòu)造產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力與H的二次方成正比，側(cè)移更大，為四次方。(2)、豎向荷載普通為定值〔除了需思索豎向地震作用外〕，程度荷載〔風(fēng)、地震〕均為不確定的要素，且隨很多要素〔時(shí)間、地點(diǎn)、構(gòu)造動(dòng)力特性、周邊環(huán)境等〕變化有較大幅度的變化。

M△均布荷載倒三角荷載軸力N=f(H)彎矩M=f(H2)變形〔側(cè)移〕△＝f(H4)公式程度荷載32、豎向構(gòu)件的軸向變形不容忽視(1)、對(duì)延續(xù)梁彎矩的影響中柱、邊柱軸向應(yīng)力不同引起緊縮變形的差別(2)、對(duì)預(yù)制構(gòu)件下料長度影響美國休斯頓75層漢克薩斯商業(yè)大廈，采用型鋼混凝土墻和鋼柱組成的混合體系。根據(jù)計(jì)算，中心鋼柱由于受荷面積大，重力荷載下軸向緊縮變形要比型鋼混凝土墻多260mm，總下料多260mm，并且要逐層調(diào)整高層建筑的特點(diǎn)42、豎向構(gòu)件的軸向變形不容忽視(3)、對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移的影響普通情況下不思索豎向構(gòu)件的軸向變形，在高層中，思索軸向變形計(jì)算的剪力與不思索結(jié)果相差30％以上，構(gòu)造頂點(diǎn)側(cè)移減小一半以上〔思索軸向變形計(jì)算的側(cè)移大〕高層建筑的特點(diǎn)53、側(cè)移成為主要控制目的之一構(gòu)造側(cè)移曾經(jīng)成為高層構(gòu)造設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，側(cè)移△＝f(H4)要求：強(qiáng)度滿足要求，足夠的抗推剛度，控制程度荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)移..<高規(guī)>P304.6.3條規(guī)定限值〔鋼筋混凝土構(gòu)造〕層間位移樓層層間最大位移與層高之比的限值△U/h：結(jié)構(gòu)類型△U/h限值框架1/550框架—剪力墻、框架—核心筒、板柱—剪力墻1/800筒中筒1/1000框支層1/1000高層建筑的特點(diǎn)6闡明：過大的側(cè)移使人有一種不平安感、不溫馨感過大的側(cè)移會(huì)使隔墻、圍護(hù)構(gòu)造以及裝修損壞，使電梯軌道變形高樓重心位置較高，過大側(cè)移使構(gòu)造因P－△效應(yīng)而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)直至倒塌。高層建筑的特點(diǎn)7高層建筑的特點(diǎn)4、構(gòu)造延性是重要設(shè)計(jì)目的與較低層建筑相比，高層建筑較柔，地震作用下變形較大，為使構(gòu)造在進(jìn)入塑性變形階段后依然具有較強(qiáng)的變形才干，防止倒塌，需求在構(gòu)件上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，保證構(gòu)造具有足夠的延性5、構(gòu)件的根本方式線形構(gòu)件－具有較大的長細(xì)比的細(xì)長構(gòu)件梁、柱、桁架支撐弦桿、腹桿線性構(gòu)件是組成框架體系、框－撐體系、框墻體系或板柱體系的根本構(gòu)件8高層建筑的特點(diǎn)平面構(gòu)件－具有較大橫截面邊長比〔寬厚比〕的片狀構(gòu)件樓板、墻體：構(gòu)件平面外剛度和承載力很小，構(gòu)造分析中經(jīng)常忽略面構(gòu)件是組成全墻體系、框－墻體系、框托墻體系和疊和體系的根本構(gòu)件立體構(gòu)造－由線構(gòu)件或面構(gòu)件組成具有較大橫截面尺寸和較小壁厚的整體筒狀構(gòu)件框筒－梁柱構(gòu)成的立體構(gòu)件；具有較大的抗推剛度、抗扭剛度立體構(gòu)件是框筒體系、筒中筒體系、筒體體系、框筒束體系、支撐框筒體系、大型支撐筒體系和巨型框架體系中的根本構(gòu)件92.2高層建筑的構(gòu)造方式構(gòu)造方案選擇：在滿足建筑運(yùn)用要求的前提下，選擇構(gòu)造方式、構(gòu)造體系和構(gòu)造布置1、磚石構(gòu)造缺陷：自艱苦，強(qiáng)度低，抗震性能差，施工難以機(jī)械化，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，工期長和構(gòu)造面積大，難以用于高層房屋，國內(nèi)目前磚石構(gòu)造房屋只建到19層左右新型砌體構(gòu)造—配筋砌體10曾以上采用，北京〔八度區(qū)〕擬建30層2、鋼筋混凝土構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造強(qiáng)度較高，抗震性能較好，并具有良好的可塑性缺陷：自艱苦10高層建筑的構(gòu)造方式3、鋼構(gòu)造鋼構(gòu)造強(qiáng)度高、自重輕，具有良好的延性和抗震性能，可以滿足建筑上對(duì)大跨度、大空間的要求抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土構(gòu)造：混凝土的抗拉和抗剪強(qiáng)度均較低，延性也差，混凝土構(gòu)件開裂后的承載力和變形才干迅速降低，鋼材根本上屬于各向同性的資料，抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，鋼構(gòu)造因良好的延性，不僅可以減弱地震反響，而且屬于較理想的彈塑性構(gòu)造，具有抵抗劇烈地震的變形才干減輕構(gòu)造自重，降低根底工程造價(jià)：兩類構(gòu)造的構(gòu)造自重的比例為2：1，荷載減小，根底處置的難度和根底工程的造價(jià)均下降減少建筑中構(gòu)造所占的面積施工周期短：工廠制造，現(xiàn)場安裝，無須大量腳手架，壓型鋼板可以作為混凝土樓板的永久模板，可節(jié)約20%~30%的施工時(shí)間11高層建筑的構(gòu)造方式4、組合構(gòu)造綜合鋼框架與鋼筋混凝土筒體，具有二者的優(yōu)點(diǎn)側(cè)向剛度大于鋼構(gòu)造構(gòu)造造價(jià)介于鋼構(gòu)造和鋼筋混凝土構(gòu)造之間施工速度比鋼筋混凝土構(gòu)造加快構(gòu)造面積小于鋼筋混凝土構(gòu)造發(fā)揚(yáng)鋼管混凝土柱的強(qiáng)度和剛度作用構(gòu)造方式選擇的根本要求經(jīng)濟(jì)性〔必要時(shí)思索綜合經(jīng)濟(jì)效果〕技術(shù)條件〔包括設(shè)計(jì)技術(shù)、施工技術(shù)等等〕資料供應(yīng)情況受力特點(diǎn)122.3高層建筑的構(gòu)造體系現(xiàn)代高層建筑構(gòu)造體系分類框架體系〔含板柱體系〕框架－剪力墻體系〔含框架－筒體體系〕剪力墻體系全落地剪力墻體系部分框支剪力墻體系筒體體系框筒體系筒中筒體系多筒體系13高層建筑的構(gòu)造體系構(gòu)造抵抗外部作用的構(gòu)件組成方式1、框架構(gòu)造〔由桿件—梁、柱組成〕圖特點(diǎn)：構(gòu)造布置靈敏，較大的室內(nèi)空間，運(yùn)用方便分類：〔按照施工方法〕

現(xiàn)澆框架

裝配整體式框架

裝配式框架

14高層建筑的構(gòu)造體系抗側(cè)剛度：梁柱，但梁柱截面慣性矩小，側(cè)向變形較大，限制運(yùn)用高度缺陷：抗震性能差，剛度較低，地震中填充墻損壞嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用高適用范圍：非抗震地域和層數(shù)較少的建筑，15～20層以下較適宜框架構(gòu)造15高層建筑的構(gòu)造體系框架構(gòu)造16高層建筑的構(gòu)造體系17高層建筑的構(gòu)造體系框架構(gòu)造受力變形特點(diǎn)1819高層建筑的構(gòu)造體系2、剪力墻構(gòu)造〔縱橫方向的墻體組成抗側(cè)力體系〕

20剪力墻構(gòu)造的平面方式21高層建筑的構(gòu)造體系剪力墻構(gòu)造特點(diǎn)：構(gòu)造剛度很大，空間整體性好，程度荷載作用下側(cè)向變形小，用鋼量較省，抗震性能好，剪力墻的間距取決于樓板跨度3～8m，適于小開間建筑，例如住宅、旅館建筑，房間不外露梁柱棱角，整體美觀，可以適用于較高的高層建筑缺陷：自艱苦，根底處置要求較高，不利于布置大開間房間，不能滿足公共建筑的運(yùn)用要求。22高層建筑的構(gòu)造體系處理方法：底部大空間剪力墻構(gòu)造〔框支剪力墻〕————底部假設(shè)干層部分剪力墻取消剛度差別〔限制落地剪力墻的比例和剪力墻之間的間距〕轉(zhuǎn)換層〔板式轉(zhuǎn)換和梁式轉(zhuǎn)換〕232425高層建筑的構(gòu)造體系3、框架—剪力墻〔筒體〕構(gòu)造26高層建筑的構(gòu)造體系3、框架—剪力墻〔筒體〕構(gòu)造2728高層建筑的構(gòu)造體系3、框架—剪力墻〔筒體〕構(gòu)造特點(diǎn)：剪力墻〔中心筒〕承當(dāng)大部分程度力(80％～90％)，是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，框架承當(dāng)豎向荷載，提供較大的空間，既具有框架構(gòu)造布置靈敏、方便運(yùn)用的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震才干，適用于公共建筑和旅館建筑29高層建筑的構(gòu)造體系3、框架—剪力墻〔筒體〕構(gòu)造30高層建筑的構(gòu)造體系〔1〕剪力墻數(shù)量以滿足位移限制為根據(jù)設(shè)置剪力墻數(shù)量〔2〕剪力墻的布置及間距宜分散不宜集中滿足建筑運(yùn)用要求和構(gòu)造剛度的要求縱橫向剪力墻布置均應(yīng)滿足要求布置應(yīng)均勻、對(duì)稱、周邊，使剛度中心和質(zhì)量中心盡量接近，防止改動(dòng)效應(yīng)剪力墻的間距不宜過大，保證樓蓋剛度足夠剪力墻應(yīng)貫穿全高，構(gòu)造上下剛度銜接均勻31高層建筑的構(gòu)造體系框架－筒體構(gòu)造：利用剪力墻筒體作電梯、樓梯和豎向管道，便于采用鋼筋混凝土內(nèi)筒和鋼框架的混合構(gòu)造板柱－剪力墻構(gòu)造：剪力墻承當(dāng)全部程度力，但控制板柱部分可以承當(dāng)20％程度力32高層建筑的構(gòu)造體系4、筒體構(gòu)造〔空間受力體系〕一個(gè)或多個(gè)筒體來抵抗程度力的構(gòu)造為筒體構(gòu)造〔筒體由剪力墻組成空間薄壁筒體或框架柱構(gòu)成密柱框筒〕33高層建筑的構(gòu)造體系4、筒體構(gòu)造〔空間受力體系〕〔1〕框筒構(gòu)造：內(nèi)筒接受豎向荷載，外筒接受程度荷載，柱距普通在3m以內(nèi)，框筒梁比較高，開洞面積在60%以下1931年102層帝國大廈：鋼框架－剪力墻體系，用鋼量2.06kN/m21972年110層世界貿(mào)易中心：筒中筒構(gòu)造體系，用鋼量1.81kN/m21974年110層西爾斯大樓：鋼成束筒構(gòu)造體系，用鋼量1.61kN/m234高層建筑的構(gòu)造體系〔2〕桁架筒構(gòu)造：桁架構(gòu)成的筒體，鋼材，節(jié)省資料實(shí)例：芝加哥的約翰漢考克大廈，100層，用鋼量1.45kN/m2香港中國銀行，鋼斜撐、鋼梁、鋼骨組合混凝土柱的空間桁架體系.35高層建筑的構(gòu)造體系〔3〕筒中筒構(gòu)造：薄壁內(nèi)筒和密柱外框筒〔桁架筒〕組成，抗風(fēng)、抗震才干好深圳國際貿(mào)易中心大廈，50層，158m，鋼筋混凝土筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成36高層建筑的構(gòu)造體系廣東國際大廈，63層，200m，鋼筋混凝土內(nèi)筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成37高層建筑的構(gòu)造體系上海金貿(mào)大廈框架－筒體構(gòu)造，共88層，高420.5米，用于辦公、賓館。38內(nèi)筒為八角形鋼筋混凝土中心筒，外筒由八根復(fù)合巨型柱、8根鋼柱，用鋼量0.7kN/m2上海金貿(mào)大廈39上海金貿(mào)大廈40高層建筑的構(gòu)造體系筒體構(gòu)造的布置原那么：減少剪力滯后密柱深梁：柱中距為1.2m～3.0m，橫梁跨高比為2.5～4長寬比不宜大<2，接近正方形較好高寬比宜大，以利于空間作用發(fā)揚(yáng)，高寬比>3，高度不宜低于60m選擇適宜的樓板體系，樓板具有足夠的剛度41高層建筑的構(gòu)造體系筒體構(gòu)造的布置原那么：設(shè)置剛度很大的轉(zhuǎn)換層〔實(shí)腹梁、空腹鋼架、桁架、拱〕，以提供底層運(yùn)用空間42高層建筑的構(gòu)造體系〔4〕成束筒構(gòu)造：超高層，假設(shè)干筒體并聯(lián)而成，強(qiáng)度、剛度均很大〔美國希爾斯大廈，109層，443m，框筒由鋼柱和桁架梁組成〕多筒體構(gòu)造：多個(gè)鋼筋混凝土剪力墻筒體，順應(yīng)于復(fù)雜平面的布置要求43芝加哥西爾斯大廈共80層，高322米，混凝土構(gòu)造，商用辦公樓高層建筑的構(gòu)造體系44〔5〕巨型構(gòu)造體系：

高層建筑的構(gòu)造體系45〔5〕巨型構(gòu)造體系：由兩級(jí)構(gòu)造組成一級(jí)為：跨越假設(shè)干樓層的巨梁、巨柱〔超級(jí)框架〕或巨型桁架，提供較大的抗側(cè)剛度和承載力———接受程度力和豎向荷載；二級(jí)：其它樓層梁柱，接受豎向荷載并將荷載產(chǎn)生的內(nèi)力傳送到一級(jí)構(gòu)造上高層建筑的構(gòu)造體系46高層建筑的構(gòu)造體系框架體系〔含板柱體系〕框架－剪力墻體系〔含框架－筒體體系〕剪力墻體系全落地剪力墻體系部分框支剪力墻體系筒體體系框筒體系筒中筒體系多筒體系472.4高層建筑構(gòu)造體系的選擇(一)、構(gòu)造抗側(cè)力體系的選擇根據(jù)建筑高度選擇抗側(cè)力體系A(chǔ)級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度構(gòu)造體系非抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架—剪力墻14013012010050剪力墻全部落地15014012010060部分框筒體框架心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱—剪力墻70403530—48高層建筑構(gòu)造體系的選擇B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度構(gòu)造體系非抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度6度7度8度框架—剪力墻170160140120剪力墻全部落地180170150130部分框支150140120100筒體框架中心筒220210180140筒中筒300280230170房屋高度：室外地面至檐口高度，不包括部分突出屋面的水箱、電梯間等部分的高度49A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大高寬比構(gòu)造體系非抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度框架、板柱—剪力墻5432框架—剪力墻5543剪力墻6654筒中筒、框架—中心筒6654控制構(gòu)造高寬比H/B：控制構(gòu)造剛度和側(cè)移闡明：構(gòu)造合理，滿足側(cè)移和自振周期，閱歷算可以適當(dāng)放寬高層建筑構(gòu)造體系的選擇50非抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度6度7度8度876B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大高寬比高層建筑構(gòu)造體系的選擇51(二)、樓蓋體系的選擇1、肋形樓蓋〔單向板、雙向板〕－梁板式樓蓋梁板式肋形樓蓋運(yùn)用最廣現(xiàn)澆樓板最小厚度80mm實(shí)踐應(yīng)100mm以上高層建筑構(gòu)造體系的選擇52(二)、樓面體系的選擇2、無梁樓蓋層高受限情況下，公共建筑常采用無梁樓蓋，最好采用現(xiàn)澆柱帽適宜跨度：普通鋼筋混凝土樓面6m以內(nèi)，預(yù)應(yīng)力混凝土樓面9m活荷載較大時(shí)比較經(jīng)濟(jì)〔>5kN/m2〕，多用于倉庫、多層廠房等高層建筑構(gòu)造體系的選擇53(二)、樓面體系的選擇2、無梁樓蓋高層建筑構(gòu)造體系的選擇54(二)、樓面體系的選擇3、密肋樓蓋跨度較大而梁高受限的情況下，肋距常為0.9~1.5m，普通為1.2m適宜跨度：現(xiàn)澆混凝土密肋樓蓋跨度不超越9m，預(yù)應(yīng)力混凝土密肋樓蓋跨度不超越12m，適用于大跨度及大荷載高層建筑構(gòu)造體系的選擇552.5構(gòu)造總體布置(一)、構(gòu)造平面布置原那么平面布置要求：有利于抵抗程度荷載和豎向荷載，受力明確，傳力途徑清楚；力爭均勻?qū)ΨQ，減少改動(dòng)影響平面外形宜簡單、規(guī)那么、對(duì)稱，盡量防止過大的外伸、內(nèi)收———防止地震影響總長度L：防止兩端振動(dòng)不一致使建筑物破壞平面外伸：凹角部分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中〔樓板加強(qiáng)，且凹角和端角不宜設(shè)樓電梯間抗側(cè)力構(gòu)造布置時(shí)，宜對(duì)稱、均勻，使剛度中心與荷載作用中心盡量接近—————防止產(chǎn)生扭矩筒體構(gòu)造多采用正多邊形、圓形、矩形和等邊三角形56選擇有利于抗震的構(gòu)造平面構(gòu)造總體布置57抗震不利構(gòu)造平面不對(duì)稱突出部分過長L/B過長突出部分過長構(gòu)造總體布置58抗震不利構(gòu)造平面構(gòu)造總體布置59(二)、構(gòu)造豎向布置的要求高寬比限制：保證建筑物在程度力作用下不發(fā)生傾覆，保證建筑物的整體穩(wěn)定性布置原那么：構(gòu)造的強(qiáng)度、剛度宜均勻、延續(xù)、不突變構(gòu)造總體布置60豎向剛度突變的緣由1、構(gòu)造豎向體形突變〔1〕頂部收進(jìn)構(gòu)成塔樓，小塔樓因鞭梢效應(yīng)而放大地震作用，且塔樓的質(zhì)量和剛度越小，地震放大越明顯〔2〕樓層外挑內(nèi)收，構(gòu)造剛度和質(zhì)量變化大，地震作用下易構(gòu)成薄弱環(huán)節(jié)構(gòu)造總體布置61構(gòu)造豎向布置的要求2、構(gòu)造體系的變化〔1〕底部大空間要求，底層假設(shè)干層剪力墻不落地，產(chǎn)生剛度突變〔措施：盡量添加落地剪力墻、柱、筒體截面尺寸，提高混凝土等級(jí)，減少剛度變化〕〔2〕中部樓層部分剪力墻中斷——不宜超越1/3，不允許超越1/2，墻體加強(qiáng)〔3〕頂部大空間——高振型影響顯著構(gòu)造總體布置62構(gòu)造豎向布置的要求構(gòu)造總體布置63豎向規(guī)那么建筑要求：當(dāng)構(gòu)造上部樓層收進(jìn)部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比大于0.2時(shí)，上部樓層收進(jìn)后的程度尺寸B1不宜小于下部樓層程度尺寸B的0.75倍。下部樓層的程度尺寸B不宜小于上部樓層程度尺寸B1的0.9倍,且程度外挑尺寸a不宜大于4m。構(gòu)造總體布置64豎向規(guī)那么建筑要求：構(gòu)造總體布置65選擇有利于抗震的豎向布置剛度均勻而延續(xù)，防止剛度突變構(gòu)造總體布置662.6縫的設(shè)置和根底防止構(gòu)造因溫度變化和混凝土干縮變形產(chǎn)生裂痕〔根底以上上部構(gòu)造斷開〕不設(shè)溫度縫的措施：溫度影響較大部位提高配筋率陽光直射屋面加厚屋面隔熱保溫層，或架空通風(fēng)屋面頂層部分設(shè)溫度縫后澆帶：高標(biāo)號(hào)混凝土；主體混凝土澆注后兩個(gè)月；貫穿構(gòu)造橫截面；位置應(yīng)為構(gòu)造受力影響最小，且曲折延伸防止全部鋼筋同截面搭接1、溫度伸縮縫溫度伸縮縫、沉降縫、防震縫67由于能夠產(chǎn)生地基不均勻沉降〔根底與上部構(gòu)造均斷開