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第三篇多高层建筑结构第一节高层建筑结构概述一、高层建筑概述1.1高层建筑的定义《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ-2002）中定义：10层及10层以上或房屋高度大于28m的建筑。高层建筑高度一般指室外地面至主要屋面的距离，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。1.2我国高层建筑的发展我国高层建筑在解放前很少，50－60年代陆续建成一些，如1959年的北京民族饭店，高47.4m，12层；1964年的北京民航大楼，15层，高60.8m；1968年的广州宾馆，27层，高88m，是60年代我国建成的最高建筑。70年代开始我国高层建筑有了较大发展，主要用于住宅、旅馆和办公楼，层数一般在20－30层。1.3国外高层建筑简介1883年美国芝加哥建成的11层家庭保险大楼为近代高层建筑的开端，国外较著名的高层建筑有：美国，帝国大厦(纽约，381m，102层)、世界贸易中心(纽约，402m，110层)、西尔斯大厦(芝加哥，443m，110层)、水塔广场大厦(芝加哥，262m，76层)；马来西亚，石油大厦(450m，88层，钢-混凝土组合结构)；朝鲜，柳京饭店(305m，101层,最高的钢筋混凝土大厦)。国内主要高层建筑（374-500m）主要高层建筑介绍台北101大厦西尔斯大厦世贸大厦平壤柳京饭店105层320米三千个房间金字塔型建筑金茂大厦CCTV大楼采用ETABS和ANSYS两种通用有限元软件进行结构计算。上海环球金融中心结构示意图二、高层建筑设计的特点水平荷载和地震作用成为高层建筑的控制因素。高层结构设计不仅需要较大的承载能力，还需要较大的刚度控制水平荷载作用下结构的侧向位移。控制侧向位移的原因：1）过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用；2）过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形；3）过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝甚至损坏；4）过大的侧向变形会使结构产生附加内力甚至倒塌。三、高层建筑的结构类型（按材料分）按照承重结构材料类型可分为钢结构与钢筋混凝土结构两种。高层钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工方便快捷等优点，但缺点是造价高、耐火性能差，大量防火涂料的使用也影响工期与造价。钢筋混凝土结构具有造价低、耐火性能好、侧向刚度大、截面形式多样等优点，缺点是构件尺寸较大、自重大、使用空间受限。目前大多数高层建筑采用混合结构，即钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的混合结构体系。框架柱多采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱，框架梁多采用型钢混凝土梁或钢梁。为加强结构承载力与抗侧刚度，混合结构中还经常采用加强层、巨型支撑、伸臂桁架等结构形式。课后思考题1.高层建筑的定义？2.高层建筑设计特点？3.目前高层建筑大多采用的结构形式？第二节高层建筑结构体系与布置原则主要结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、束筒及巨型框架。2.1框架结构主要承重构件由梁、柱组成的结构。优点：建筑平面布置灵活，能提供较大的室内空间，易于满足多功能的使用要求。在结构受力方面，框架结构自振周期长，地震反应小，经合理设计后可具有良好的延性。缺点：抗侧移刚度小，地震作用下侧向位移大，易使填充墙开裂，并引起非结构构件的破坏。建筑高度不能过高，一般在15层以下。框架结构受力及设计要点1.全部荷载由梁柱承担；2.框架侧向变形由梁柱弯曲变形与柱轴向变形两部分组成；3.整体侧向变形呈剪切型变形；4.应设计为双向框架结构；5.隔墙应采用轻质隔墙或轻质填充材料。6.宜采用现浇混凝土楼盖。2.2剪力墙结构利用钢筋混凝土墙体作为承受竖向、水平荷载的结构。墙体本身也可作为维护和房间分隔构件，该结构形式主要应用于高层住宅和旅馆。优点：整体性好、刚度大、承载力高、水平荷载下的侧向变形小。缺点：墙体间距不能过大，平面布置不灵活，结构自重大，材料强度无法充分发挥，不能满足公共建筑使用要求。当剪力墙的高宽比较大时，可视为一个受弯为主的悬臂构件，其侧向变形是弯曲型。底部大空间剪力墙(部分框支剪力墙)结构2.3框架-剪力墙结构框架-剪力墙是指由框架和剪力墙共同承受荷载的结构体系。即保留了框架结构布置灵活、使用方便的特点，又具有剪力墙结构抗侧刚度大，抗震性能好的优点。在该结构体系中，剪力墙承担绝大部分的水平荷载，是主要抗侧力体系。框架则主要承担竖向荷载，以及少量的水平作用。框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形，而剪力墙则呈弯曲型变形，当二者通过楼盖协同工作时，变形必须协调，侧向变形将呈弯剪型。根据以上分析的受力特点，框架-剪力墙结构无论是承载力还是侧向变形都较纯框架有较大的提高，剪力墙的布置原则1)剪力墙宜沿主轴方向或其它方向双向布置，墙肢截面简单规则；2)剪力墙应尽量布置在结构区段的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；3)纵、横剪力墙宜组成L、T、［形等型式；4)剪力墙应贯通建筑物全高，避免刚度突变，洞口应尽量做到上下对齐；5)抗震设计时，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％；6)较长的墙肢宜开设洞口将其分成长度均匀的若干墙段，墙段之间用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于8m。2.4板柱-剪力墙结构板柱结构：由钢筋混凝土无梁楼板和柱组成。优点：施工方便，使用空间大，布置灵活；缺点：节点抗震性能差，整体刚度小。通过设置剪力墙，或将楼、电梯间做成钢筋混凝土筒体，即形成板柱-剪力墙结构，该结构适用于抗震设防烈度不超过8度且高度有限制的建筑中。2.5框架-支撑（抗震墙板）结构支撑框架：框架中设置支撑斜杆，多用于钢结构；框架-支撑结构：框架+支撑框架。受力特点：支撑框架侧向刚度大，承担水平荷载多，其作用类似于剪力墙。支撑框架的类型：中心支撑框架和偏心支撑框架。中心支撑框架：支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。基本形式有单斜杆支撑、人字形支撑、V形支撑、K形支撑和交叉支撑。注意：抗震结构不采用K形支撑；偏心支撑：支撑连接位置偏离梁柱节点，每根斜杆应至少一端与框架梁相连，在梁端或梁跨中形成消能梁段。基本形式有：单斜杆、人字形和V形等。地震作用下，消能梁段腹板剪切屈服，通过腹板塑性变形耗散地震能量，支撑斜杆、框架柱和消能梁段以外的梁均保持弹性，其抗震性能明显优于中心支撑框架。2.6筒体结构由单个或多个筒体承受荷载的结构体系。筒体可分为实腹筒、框筒和桁架筒。前面提到的剪力墙围成的筒体称为实腹筒。在实腹筒的墙体上开出许多规则排列的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。如果筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成，则称为桁架筒。束筒或多筒体系：两个以上框筒（或其它筒体）排列在一起形成的束状结构称为成束筒。例如美国西尔斯大厦就是9个框筒组成的正方形筒体。成束筒结构的刚度和承载能力比筒中筒又有提高。2.7巨型框架利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型框架连接，筒体与巨型梁之间即形成巨型框架。由于巨型框架的梁、柱截面很大，抗弯刚度和承载能力也很大，因此它的抗侧刚度比一般框架大很多。2.8高层建筑结构布置原则钢-混凝土混合结构房屋适用的最大高度及高宽比限值《高规》一般规定：高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。宜：结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；宜具有多道抗震防线。2.8.1结构平面布置1.平面宜简单、规则、对称，减少偏心；2.平面长度不宜过长，突出部分不宜过大。3.不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面；4.结构平面布置应减少扭转的影响；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于平均值的1.5倍。B级高度相应值为1.2，1.4。5.当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响；2.8.2结构竖向布置1.高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向严重不规则的结构；2.抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%；3.A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80％，不应小于其上一层受剪承载力的65％；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75％。3.抗震设计时结构竖向抗侧力构件宜上下贯通；4.高层建筑宜设地下室。2.8.3不规则结构《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中规定的三种平面不规则类型和三种竖向不规则类型，平面不规则类型包括扭转不规则、楼板凹凸不规则、楼板局部不连续；1）当楼层最大弹性水平位移或层间位移，大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的1.2倍时，为扭转不规则；大于1.5倍时，为扭转严重不规则。2）结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30％，l/Bmax0.3时，为楼板凹凸不规则。3）楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，如楼板有效宽度小于典型宽度的50％，或开洞面积大于该层楼层面积的30％，或较大的楼层错层，为楼板局部不连续。竖向不规则包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。1）侧向刚度不规则2）竖向抗侧力构件不连续柱、剪力墙、支撑在某层中断，其内力由水平转换构件（梁、桁架）向下传递。3）楼层承载力突变结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80％。高层建筑中有个别项目超过上述不规则类型的指标，则此结构为不规则结构；若有多项超过不规则类型的指标，或某一项超过不规则指标过多，此结构为特别不规则；若有多个项目超过不规则的指标比较多，或某一项超过了严重不规则的上限，则为严重不规则。高层建筑允许采用不规则结构，但需采取计算和构造方面的有效措施，要尽可能避免特别不规则结构，不允许采用严重不规则结构。2.9设缝的规定2.9.1防震缝1）抗震设计时高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构不规则，不设防震缝。2）钢筋混凝土框架房屋防震缝宽度，当高度不超过15m时为70mm；超过15m，6、7、8、9度分别每增加5m、4m、3m、2m，加宽20mm；框剪和剪力墙结构房屋的防震缝宽度，课分别采用框架结构防震缝宽度的70％和50％，但都不小于70mm。防震缝两侧结构类型不同时，按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。3）防震缝应沿房屋全高设置，地下室、基础可不设防震缝，但在防震缝处应加强构造和连接。2.9.2伸缩缝混凝土在硬化过程中会产生收缩，同时已建成的结构在温度变化时也会有热胀冷缩，这种变形受到约束时就在结构内部产生应力，甚至造成开裂。温度应力的危害在房屋的底部和顶部最明显，底部楼层的变形受基础的约束显著，而顶部楼层由于日照的直接作用，温度变化剧烈，温度应力较大。解决办法常用的有设置后浇带，宽度可采用700-1000mm，两侧留出钢筋头，待气温较低、收缩变形完成一定程度时采用搭接或焊接的方式连接，再浇注微膨胀混凝土。高层建筑结构伸缩缝的最大间距宜符合下表规定：工程中避免设伸缩缝的措施1）顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化较大的部位提高配筋率；2）顶层采用隔热措施，外墙设置外保温层；3）高层建筑在顶部设置双墙或双柱，做局部伸缩缝；4）采用收缩小的水泥，减小水泥用量，加入外加剂；5）提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力。后浇带后浇带宜设置在受力和变形较小的部位，间距宜为30～60m，宽度宜为700～1000mm。后浇带可做成平直缝，主筋不宜在后浇带中断开，如必须断开，则主筋搭接长度需满足45d，并按设计要求附加钢筋。2.9.3沉降缝高层建筑中常在主体结构周围设置数层的裙房，它们与主体