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1、高层建筑结构设计本讲稿第一页，共四十四页第一章第一章 结构体系及布置结构体系及布置一.高层结构材料与实例材料：钢筋混凝土、钢结构、钢筋混凝土与钢组合结构 本讲稿第二页，共四十四页第一章第一章本讲稿第三页，共四十四页高层建筑结构的结构体系高层建筑结构的结构体系框架结构框架结构：梁柱结构，层数和高度不大剪力墙结构剪力墙结构：钢筋混凝土墙体承受荷载，抗震好，水平荷载下变形小，但平面布置不灵活。框支剪力墙：框支剪力墙：墙的底层做成框架，底层刚度小，不适合抗震。可做成底层部分剪力墙框支，部分剪力墙落地的底层大空间剪力墙结构。一般把落地剪力墙布置在两端或中部，并使纵横向墙体围成筒体，在底层要加大底层墙刚度
2、，使整个结构上下刚度差别减小。还要加强过渡层楼板的整体性和刚度，采用厚度较大的现浇钢筋混凝土板。第一章第一章本讲稿第四页，共四十四页框架框架-剪力墙结构：剪力墙结构：在框架中设置一些剪力墙框架框架-筒体结构：筒体结构：如把剪力墙连成井筒式，刚度和承载力、抗扭性都提高。剪力墙布置，要考虑：（1）剪力墙布置以对称为好，可减少结构的扭转。（2）剪力墙应贯通全高，使结构上下刚度连续而均匀。（3）在层数不大的情况下，剪力墙可做成T形、L形等，以充分发挥剪力墙的作用。在高度较大的建筑中，剪力墙布置成井筒式。筒中筒结构：筒中筒结构：抗侧力刚度更大的结构体系，密柱深梁结构第一章第一章本讲稿第五页，共四十四页第
3、一章第一章本讲稿第六页，共四十四页第一章第一章本讲稿第七页，共四十四页第一章第一章本讲稿第八页，共四十四页结构总体布置原则1、控制结构高宽比 一般应将结构高宽比HB控制在 5-6以下。当建筑物抗震设防烈度在8度以上时，HB适当再减小一些。2、结构平面形状 可以把一般建筑物分为板式和塔式两大类。板式建筑是指房屋宽度较小，但长度较大的 建筑。塔式则是指建筑平面的长度和宽度相接近的建筑(指房屋外轮廓的总长和总宽)。第一章第一章本讲稿第九页，共四十四页对抗震有利的结构布置形式：平面布置简单、规则、对称十分有利厂抗震。要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合。结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变
4、，避免软弱层。刚度突变及软弱 层常常是由于切断剪力墙所致，切断剪力墙的情况应当避免。如果有少数剪力 墙切断，则其他剪力墙在该切断层应予以加强，底层大空问剪力墙结构就是 属于这种情况。此外，在结构上部常常形成缩小面积的突出部分，这种刚度突变在地震作用 下会产生鞭梢效应，要采取特殊的措施加强。局部错层，或有夹层时，会形成向层中长短柱结合的情况，这也不利于抗震，短柱往 往遭到破坏，要避免这种布置方式第一章第一章本讲稿第十页，共四十四页第一章第一章本讲稿第十一页，共四十四页三种缝的处理方法。三种缝的处理方法。1 1沉降缝及其他减少沉降危害的措施防震缝沉降缝及其他减少沉降危害的措施防震缝 2 2 伸缩缝
5、及减小温度收缩影响的措施伸缩缝及减小温度收缩影响的措施3 3 防震缝防震缝 在房屋的下列部位应设防震缝：在房屋的下列部位应设防震缝：(1)(1)建筑平面突出部分较长处建筑平面突出部分较长处(如如L L形、形、T T形、形、I I形、形、H H形、形、U U形平形平面等面等 (2)(2)房屋有错层，且楼面相差较大处；房屋有错层，且楼面相差较大处；(3)(3)房屋各部分的刚度、高度及通员相差悬殊处。房屋各部分的刚度、高度及通员相差悬殊处。第一章第一章本讲稿第十二页，共四十四页基础埋置深度及基础型式基础埋置深度及基础型式 与低层和多层建筑相比，高层建筑的基础埋深应当大一与低层和多层建筑相比，高层建筑
6、的基础埋深应当大一些。这是因为：些。这是因为：1 1一般情况较深的土壤承载力大而压缩性小，稳定性一般情况较深的土壤承载力大而压缩性小，稳定性较好。较好。2 2高层建筑的水平剪力较大，要求基础周围的土壤高层建筑的水平剪力较大，要求基础周围的土壤有一定的嵌固作用，有一定的嵌固作用，能提供部分水平反力。能提供部分水平反力。3 3地震作用下，地震波通过地基传到建筑物上，根据地震作用下，地震波通过地基传到建筑物上，根据实测可知，通常在较深处实测可知，通常在较深处 的地震波幅较小，接近地面幅的地震波幅较小，接近地面幅值增大。因此，高层建筑基础埋深大一些，可减小地震值增大。因此，高层建筑基础埋深大一些，可减
7、小地震 反应。反应。第一章第一章本讲稿第十三页，共四十四页第二章 水平荷载与结构计算简化原则 第一节 风 荷 载作用在建筑物表面单位面积上的风荷载标准值Wk可按下式决定：本讲稿第十四页，共四十四页在10m以上，随着高度增加，风速加快，风压值也就加大。荷载规范给出了风压高度 变化系数用以修正基本风压值。风压高度变化系数见表21。二、风压高度变化系数本讲稿第十五页，共四十四页三、风载体型系数s本讲稿第十六页，共四十四页风载本讲稿第十七页，共四十四页风振系数的大小与结构自振特性有关、包括自振周期、振型等，也与结构高度有 关。钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程规定，高层建筑的风标系数按下式计算 四、风振
8、系数 z本讲稿第十八页，共四十四页第二章风载第二章风载五、总体风荷载与局部风荷载 设计时应分别计算风载对建筑物的总体效应及局部效应g。总体效应是指作用在建筑物上的全部风荷载使结构产生的内力及位移。局部效应是指风载对建筑物某个局部产生的内力及 变形。本讲稿第十九页，共四十四页第二章风载第二章风载1总风荷载 计算总体效应时，要用建筑物承受的总风荷载，它是各个表面承受风力的合力并 沿高度变化的分布荷载。总风荷载可按下式计算：2局部风载 实际风压在建筑物表面上是不均匀的，在某些风压较大的部位，要考虑局部风载对 此构件的不利作用。此时、采用局部增大体型系数。本讲稿第二十页，共四十四页第二章风载第二章风载
9、在迎风面以及房屋侧面宽度为6墙间宽度的角隅部分，要验算外墒同护结构强度及 连接强度。迎风向体型系数用15，侧面体型系数用一1.5。因此单位面积上风载为 对于阳台、雨篷、遮阳板等恳挑构件，应验算向上漂浮的风载ws。当ws超过自重时悬挑构件会出现反向弯矩。局部向上体型系数用2，即 本讲稿第二十一页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第二十二页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第二十三页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第二十四页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第二十五页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第二十六页，共四十四页第二章风载第二章风载第二节第二节 地震作用的计算地震作
10、用的计算 地震区的高层建筑一般应进行抗震设防。6度设防时一般不必计算地震作用，只须采取必要的抗震6措施，79度设防时，要计算地震的作用，10度及以上地区要进行专门研究。高层建筑技其用途的重要性可分为3类：甲类建筑 地层破坏会导致严重后果，会造成经济上严重损失或特别重要的建筑物；乙类建筑 在地震时必须维持正常使用和救灾需要的建筑物，人员大量集中的公共建筑物或其他重 要的建筑物；丙类建筑 除上述以外的一般高层建筑。甲类建筑应按高于本地区抗震设防烈度计算，其值应按批准的地震安全性评价结果确定，并采取专门的 抗震措施。乙、丙类建筑物按抗震设防烈度计算地震作用，但6度设防时，除在软弱(类)场地上的较高建
11、筑 物外，一般不计算地震作用。本讲稿第二十七页，共四十四页第二章风载第二章风载高层建筑结构应按以下原则来考虑地震的作用：一般情况下按建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震 作用应全部由该方向抗侧力构件承担。质量与刚度不对称、明显不均匀，可能产生显著扭转的结构应计算双向水平地震作用产生的扭转影响。有斜交抗侧力结构时，当相交角度大于15。时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用，对于8度和9度的大跨度、长悬臂结构以及9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用，并与水平地震 作用进行不利组合。计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。每层质心沿垂直于地震作用方向的偏移
12、值可按下式采用：本讲稿第二十八页，共四十四页第二章风载第二章风载高层建筑结构应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：角度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。高层建筑物宜采用振型分解反应浴方法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转韶联振动影 响的损型分解反应谱法。79皮抗展设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算：a.甲类高层建筑结构；b下表所列的乙、丙类高层建筑结构；c竖向不规则的高层建筑结构；d复杂高层建筑结构；e质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构 本讲稿第二十九
13、页，共四十四页第二章风载第二章风载计算地震作用时，建筑结构的重力荷载代表值应取永久荷载标准值和可变荷载组台值之和。可变荷载的 组合值系数应按下列规定采用：雪荷载取055 楼面活荷载按实际情况计算时取10;按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民 用建筑取05。本讲稿第三十页，共四十四页第二章风载第二章风载本讲稿第三十一页，共四十四页水平地震作用计算 当采用底部剪力法时，计算简图如图所示：底部剪力法计算简图 本讲稿第三十二页，共四十四页水平地震作用结构总水平地震作用的标准值可按下式计算：为了考虑高层建筑弯曲振型的影响，可首先把一部分地震作用 移 到顶层，剩下部分再分配到各楼层
14、：式中n 顶部附加水平地震作用系数，当基本自振周期Tl1.4Tg时，n 取为0；当基本自振周期Tl1.4Tg时，n 按表3.10采用 本讲稿第三十三页，共四十四页水平地震作用当采用振型分解反应谱方法按两个主轴方向分别验算，只考虑平移方向的扼型时，一般考虑3个振型 较不规则的结构则考虑6个振型。这时，第j个振型在第i个质点上产生的水平地展作用力为：本讲稿第三十四页，共四十四页考虑扭转影响的结构，技扭转耦联振型分解法计算时，各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角位移 共三个自由度，并应按下列规定计算地震作用和作用效应。水平地震作用产生的效应(位移、内力)采用平方和平方根法进行组合，求得总效应 水平
15、地震作用本讲稿第三十五页，共四十四页水平地震作用式中 rxj、ryj，分别为由前面公式求得的振型参与系数。本讲稿第三十六页，共四十四页水平地震作用单向水平地展作用下，考虑扭转的地震作用效应，应按下列公式确定：考虑双向水平地震作用下的扭转地震作用效应，应按下列公式中的较大值确定 本讲稿第三十七页，共四十四页水平地震作用水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要求 本讲稿第三十八页，共四十四页水平地震作用对于质量与刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架剪力墙结构，其基本自振周期T1可按下式计；uT计算结构基本自振周期用的结构假想顶点位移(m)，如图所示 本讲稿第三十九页，
16、共四十四页水平地震作用目前，根据国内一些高层建筑自振周期的实测，已经归纳出一些经验公式，可 以供初步设计时参考应用：突出屋面上塔楼的地震力突出屋面上塔楼的地震力塔楼的底部放在屋面上，受到的是经过主体建筑放大后的地震加速度，因而受 到强化的激励。突出屋面的塔楼，其刚皮和质量都比主体结构小很多，因而产生非 常显著的鞭梢效应，突出屋面小塔楼一般指突出屋面的楼梯间、水箱问，通常12层，高度小，体积也不大。这时可将小塔楼作为一个质点,然后按下式计算其实际地震作用 本讲稿第四十页，共四十四页水平地震作用本讲稿第四十一页，共四十四页水平地震作用采用振型分解反应谱方法进行设计时，小塔楼也作为一个质点参加计算。
17、当采用3个振型时，地震作用 放大系数可取为1.5；当采用6个以上振型时，地震作用不再放大。放大后的水平地震作用只用来设计小塔楼本身及与小塔楼直接相连的主体结构构件，不传递到下部楼层 本讲稿第四十二页，共四十四页水平地震作用竖向地震作用的计算 9度抗震设计时，结构竖向地震作用标准值可按如下计算 结构总竖向地震作用标准值可按下列公式计算：本讲稿第四十三页，共四十四页水平地震作用楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值比例分配，并宜乘以增大系受的重力荷载代表值比例分配，并宜乘以增大系数数1 15.5.水平长悬臂构件、大跨度结构以及结构上水平长悬臂构件、大跨度结构以及结构上部楼层外挑部分考虑竖向地震作用时，竖向地震部楼层外挑部分考虑竖向地震作用时，竖向地震作用的标准值作用的标准值 在在8 8度和度和9 9度设防时，可分别取该结构度设防时，可分别取该结构或构件承受的重力荷载代表值的或构件承受的重力荷载代表值的1010和和2020。本讲稿第四十四页，共四十四页