第九章多层及高层钢筋混凝土房屋结构

辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页1第九章多层及高层钢筋混凝土房屋结构学习目标：了解多层及高层钢筋混凝土房屋四种常用的结构体系；掌握多层及高层钢筋混凝土结构设计的一般原则；掌握框架和剪力墙结构的组成、布置及受力特点。9.1多层及高层房屋结构体系9.1.1高层建筑结构的特点1.高层建筑的定义：«高层混凝土结构技术规程»10层及10层以上或房屋高度大于28m的建筑物，2～9层且高度不大于28m的建筑物为多层建筑物。«高层民用建筑设计防火规范»10层及10层以上的住宅以及房屋高度超过24m的公共建筑和综合性建筑为高层，超过100m的为超高层。2.高层建筑的特点：1)可以获得更多的建筑面积，缺点：热岛效应或影响建筑物周边区域的采光，玻璃幕墙造成光污染现象。热岛效应：一个地区的气温高于周围地区的现象。城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。城市热岛可影响近地层温度层结，城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。2)可以提供更多的空闲场地，用作绿化和休闲场地，利于美化环境，带来充足的日光、采光和通风效果。3)结构分析和计算更加复杂，水平荷载是高层建筑结构设计的主要控制因素，水平荷载在非地震区主要为风荷载，地震区为风荷载和地震荷载。4)工程造价较高，运行成本较大。9.1.2多层及高层房屋常用的结构体系结构体系：结构抵抗外部作用的结构构件的组成方式。多层和高层建筑常用的结构体系有框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系和筒体结构体系。1.框架结构体系1)承重构件：楼板、梁、柱及基础2)特点：建筑平面布置灵活，易于满足建筑物较大空间的使用要求，竖向荷载作用下承载力较高，结构自重较轻。在水平荷载作用下，其侧向刚度小，水平位移较大，使用高度受到限制。辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页23)应用：多层及高层办公楼、住宅、商店、医院、旅馆、学校以及多层工业厂房中。由于框架结构的侧向刚度小，其水平位移大，故其高度受到限制，框架结构的适用高度为6-15层，非抗震区为15-20层。2.剪力墙结构体系1)承重构件：纵向和横向的钢筋混凝土剪力墙作为抵抗竖向承重和抵抗侧力构件的结构体系。一般情况下，剪力墙结构的楼盖内不设梁，现浇楼板直接支撑在钢筋混凝土墙上。2)特点：刚度大、空间整体性好、抗震性能好、对承受水平荷载有利。结构自重大、建筑平面布置局限性较大。3)应用：适用建筑层数为15-20层，开间较小的高层住宅、旅馆、写字楼等建筑。3.框架—剪力墙结构体系1)承重构件：梁、板、柱、剪力墙2)特点：框架承受竖向荷载，剪力墙承受水平荷载。综合了框架和剪力墙结构的优点，增大了结构的总刚度、提高了结构的抗震性能，又保持了框架结构易于分割、使用方便的优点。3)应用：多高层办公楼和宾馆等公共建筑，15～25层为宜。4.简体结构体系1)承重结构：简体承受竖向和水平荷载。空间封闭筒体。2)分类：根据开孔的多少分为实腹筒和空腹筒。3)特点：侧向刚度大，内部空间较大且平面设计较灵活。4)应用：30层以上或高层超过100m的写字楼、酒店等超高层建筑。9.1.3多层及高层建筑结构设计的一般原则选择的原则：使用功能，结构高度，抗震性能和抗风性能，平立面布置，构造加强。1.结构平面布置在高层建筑中，水平荷载起控制作用，抗风：结构要具有圆形、椭圆形等流线型周边的建筑物；抗震：平面对称、结构侧向刚度均匀，平面长宽比较接近。«高规»中的具体要求：1)平面布置宜简单，规则、对称、减小偏心2)平面长度不宜过长，突出部分长度应尽可能小，凹角处采取加强措施。3)不宜采用角部重叠的平面图形或细腰部平面图形。2.结构竖向布置高层建筑结构沿竖向体型宜规则、均匀、避免有过大的外挑和内收，刚度均匀而连辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页3续，避免由于刚度突变而形成薄弱层。竖向抗侧移刚度的分布宜从下而上逐渐减少，不宜突变。3.房屋的高宽比限值为了结构设计的合理性，一般要求房屋的高宽比不宜过大，高宽比过大的房屋很难满足侧移控制、抗震和整体稳定性的要求。4.变形缝当房屋的平面形状复杂、过长或抗震、地基等方面的要求设置变形缝。1)伸缩缝当高层建筑物的长度超过规定限值，又未采取可靠的构造措施或施工措施时设置。2)沉降缝建筑可能造成较大沉降时设置。①荷载差异较大，高度差异。②地基土层压缩性有较大差异+③上部结构类型和结构体系不同，相连接处④基底标高相差过大，基础类型或基础处理不一致。3）防震缝当房屋平面复杂，不对称或房屋各部分刚度、高度、重量相差悬殊时设置。设置防震缝时，从基础分开，要留有足够的宽度。以防止地震时缝两侧的独立单元发生碰撞，最小宽度限制。9.1.4多层及高层建筑结构的荷载分类及其特点随着房屋高度的增加、水平荷载对结构所起的作用越来越重要，对多层建筑，水平荷载与竖向荷载共同起控制作用，对于高层建筑水平荷载对结构设计起决定作用。1.竖向荷载1)恒荷载：材料和构件的自重2)楼面活荷载：设计楼面梁时，楼面活荷载标准值为2.0kn/m，设计墙、柱和基础时，楼面活荷载标准值为2.0kn/m3)屋面均布活荷载（1）不上人屋面活荷载标准值为0.5kn/m，（2）上人屋面活荷载标准值为2.0kn/m，屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。2.水平荷载1）风荷载风荷载是结构承受的主要水平荷载，风荷载与风压大小、建筑物表面形状和建筑物的动力特性有关，计算时，通过风振系数来考虑风的动力作用。为了方便计算，将沿建筑物高度分布作用的风荷载简化为节点集中荷载，分别作用于各层楼面和屋面处，并合并于迎风面一侧。辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页42）水平地震地震作用一般在地震设防烈度6度以上需要考虑，地震作用分为竖向地震作用和水平地震作用，对于高层建筑物，水平地震作用起控制作用。在结构设计时，将结构的惯性力（即地震作用）简化为作用在各楼层处的水平集中力。9.2框架结构9.2.1框架结构的组成与分类1.框架结构的组成1）框架梁和框架柱是主要的承重构件，普通框架梁和柱的节点为刚接，框架柱和基础为固接。2）墙体一般不承重，只起分隔和维护作用2.框架结构的类型1)现浇整体式框架优点：结构整体性好，刚度大，抗震性好，平面布置灵活，构件尺寸不受标准构件的限制，较其他形式的框架节省钢材。缺点：需耗用大量的模板，现场工程量大，工期长，北方冬季施工要求防冻等。应用：使用要求较高，功能复杂，对抗震性能要求高的多、高层框架结构房屋。2)装配式框架优点：节约模板，缩短工期，可以做到构件的标准化和定型化，加快施工进度和提高工业化程度，可以大量采用预应力混凝土构件。缺点：预埋件多，总用钢量大，框架整体性较差，不利于抗震。3)装配整体式框架将预制梁、柱和板在现场安装就位后，再在构件连接处局部现浇混凝土，使之形成整体。优点：节约模板，缩短工期，节省了预埋件，较少了用钢量，保证节点的刚度，结构整体性较好。缺点：增加了混凝土的二次浇注工作量，且施工较为复杂。9.2.2框架结构的布置1.结构布置原则1)房屋的开间、进深尽可能统一，2)房屋平面力求简单、规则、对称及较少偏心，以使受力更合理。3)房屋的竖向布置应使结构刚度沿高度分布比较均匀，避免结构刚度突变。4)宽高比不宜过大5)根据具体情况设置变形缝。2.柱网的布置辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页51)柱网布置应满足生产工艺的要求2)柱网布置应满足建筑平面布置的要求3)柱网布置要使结构受力合理4)柱网布置应便于施工3.承重框架的布置框架结构是由若干平面框架通过连系梁而形成空间结构体系，可将空间结构体系分解成纵、横两个方向的平面框架，楼盖的荷载可传递到纵横两个方向的框架上。1）横向框架承重方案2）纵向框架承重方案3）纵横向框架混合承重方案9.2.3框架结构的受力特点1.框架结构的计算简图在工程设计中，为了简化计算，常忽略结构的空间联系，将纵横框架分别按平面框架分析计算，平面框架承受水平荷载，竖向荷载需按楼该结构的布置方案确定。对于现浇整体式框架，将各节点视为刚接节点，基础顶面处为固定支座。9.2.4框架结构的构造要求1.框架梁、柱的截面形状及尺寸1）框架梁2）框架柱：矩形、正方形截面。9.3剪力墙结构9.3.1剪力墙结构的布置剪力墙既可承受水平荷载，又可承受竖向荷载，以承受水平荷载为主的结构。剪力墙宜沿结构的主轴方向双向或多向布置，宜使两个方向的刚度接近，墙肢截面宜简单、规则、沿建筑物高度贯通对齐，上下不错层，不中断。剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置；9.3.2剪力墙结构的受力特点1.整截面剪力墙不开洞，仅有小洞，洞口面积小于整墙面积的15%，且孔洞间距及洞口至墙边距离均大于洞口长边尺寸时，称为整截面剪力墙。整截面剪力墙沿水平截面内的正应力呈线性分布，墙底部轴力最大，剪力墙的变形以弯曲变形为主，其特点是在结构上部层间侧移较大，越到底部层间侧移越小。辽宁省交通高等专科学校教学笔记用纸第页62.整体小开口剪力墙及联肢剪力墙3.壁式剪力墙当剪力墙有多列洞口，且洞口尺寸很大时，由于连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度，整个剪力墙的受力性能接近于框架，称为壁式剪力墙。4.剪力墙结构构件的受力特点1)墙肢墙肢处于受压、受弯、受剪状态，在墙肢中，其弯矩和剪力在墙底部达到最大。其截面配筋计算与偏心受压柱或偏心受拉柱类似，但也有不同之处。2)连梁剪力墙中的连梁承受弯矩、剪力、轴力的共同作用，属于受弯构件。沿房屋高度方向内力最大的连梁并不在底层，应选择内力最大的连梁进行配筋计算。9.3.3剪力墙结构的构造要求1．材料强度混凝土强度不低于C20，墙中分布钢筋和箍筋采用HPB235级钢筋，纵向钢筋采用HRB335级钢筋HRB400级钢筋。2.剪力墙的最小厚度截面的最小厚度≥140mm，且不应小于楼层高度的1/25。3.墙肢配筋构造1)墙肢端部纵向钢筋2)墙身分布钢筋3)连梁的配筋构造4)剪力墙洞口的补强措施