高层建筑结构设计

合肥工业大学土木建筑与工程学院2006-04参考资料:1.高层建筑混凝土技术规程(JGJ3-2002)2.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)3.高层建筑结构（吕西林主编）0、绪论高层建筑结构体系及布置常用的结构体系竖向结构体系（抗侧力体系）的选择水平承重体系（楼盖体系）及其选择back0.1高层结构体系的发展过程始用年代结构体系和特点18851889190320世纪初二次大战后20世纪50年代20世纪六七十年代20世纪80年代20世纪80年代中期砖墙、铸铁柱、钢梁钢框柱钢筋混凝土框架钢框架＋支撑钢筋混凝土框架＋剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、预制钢筋混凝土结构钢框架＋钢筋混凝土核芯筒、钢骨钢筋混凝土结构框筒、筒中筒、束筒、悬挂结构、偏心支撑和带缝剪力墙板框架巨型结构、应力蒙皮结构、隔震结构被动耗能结构、主动控制结构、混合控制结构0.2常用的结构体系back框架结构剪力墙结构框架-剪力墙结构框架-筒体结构筒中筒结构成束筒结构筒体结构悬挂结构巨型框架结构应力蒙皮结构钢筋混凝土结构框架筒体结构组合筒体结构剪力桁架与框桥架结构交错钢结构钢结构竖向结构体系（抗侧力体系）的选择•建筑使用功能•建筑平面•建筑高度•抗震等级•地质条件•施工技术……用途≤50m≥50m住宅剪力墙、框架-剪力墙剪力墙、框架-剪力墙旅馆剪力墙、框架-剪力墙、框架剪力墙、框架-剪力墙、筒体公共框架-剪力墙、框架框架-剪力墙、筒体back水平承重体系（楼盖体系）及其选择楼（屋）盖体系的作用承受竖向荷载连接抗侧力构件，承受其传来的剪力和轴力选择原则结构整体性、面内刚度结构高度小、质量轻建筑使用功能、装饰要求、设备安装、施工技术等常用楼盖体系及其适用性现浇楼盖预制板楼盖预应力叠合板楼盖组合楼盖back常用楼盖体系及其适用性现浇楼盖肋梁楼盖——普通、技术经济指标好；结构高度大、不便管线安装⇒宽扁梁（用于层高受限时）密肋楼盖——省材料、自重轻、高度大、适用于大跨且梁高受限时、当使用荷载较大时可有较好技术经济指标好；不美观、吊顶处理无梁楼盖——适用于大跨且梁高受限、或升层法施工时；冲切问题非预应力平板楼盖——广泛用于剪力墙、筒体结构、可降低层高、平整；跨度大时自重大、不经济⇒现浇非预应力空心板楼盖无粘结预应力平板楼盖——适用于大跨且梁高受限时、平面布置灵活预制板楼盖预应力空心板楼盖——适用于高度50m以下时，但要求严格（缝内设钢筋、设现浇面层、加强板端连接）预应力大楼板楼盖——与房间同尺寸，双向先张法预应力筋，板边齿槽；吊装问题预应力叠合板楼盖预制RC薄板（50-60mm），上现浇RC。省模板、刚度大、整体性好组合楼盖压型钢板上现浇RC。省模板、自重小、厚度小；用钢量大back0.3结构布置原则1抗震设防结构布置原则（1）选择有利的场地（2）保证地基基础的承载力、刚度（3）合理设置抗震缝（4）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径（5）多道抗震设防能力（6）合理选择结构体系（7）结构应有足够的刚度（8）结构应有足够的结构承载力（9）节点的承载力应大于构件的承载力（10）结构应有足够的变形能力及耗能能力2房屋适用高度和高宽比结构类型非抗震6度7度8度9度框架7060554525框架-剪力墙14013012010050剪力墙全部落地剪力墙15014012010060部分框支剪力墙13012010080不应采用筒体框架-核芯筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱-抗震墙70403530不应采用适用的房屋最大高度（m）注：1房屋高度指室外地面至主要屋面高度（不包括局部突出屋面的电梯机房等高度）；2框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构；3部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构；49度抗震设防、超过表内高度的房屋，应进行专门研究，采取必要的加强措施。back3结构平面布置原则高层建筑结构平面形状宜简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀，不应采用严重不规则的平面形状。4结构竖向布置原则第一章结构极限状态设计的基本原理结构功能要求–能承受正常施工和正常使用是可能出现的各种作用–在正常使用时具有良好的工作性能–在正常维护下具有足够的耐久性能–在偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性•结构可靠度在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率–在规定的时间内——设计基准期（50年）–在规定的条件下——正常设计、正常施工、正常使用–预定功能——四项结构功能•极限状态设计•可靠指标•失效概率•可靠指标backZ=ZZZfZ(Z)0Z=R-S≥0=Z/ZZ=R-SZ2=R2+S21.1极限状态设计定义整个（或部分）结构超过某特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求两类极限状态承载能力极限状态——结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形（如倾覆、疲劳、机构、失稳等）正常使用极限状态——结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值（如影响正常使用或外观的变形、局部损坏、振动或其它特定状态）极限状态方程g(X1,X2,,Xn)=0极限状态设计表达式g(X1,X2,,Xn)≥0Z=R-S≥0back1.2作用及其分类–直接作用（荷载）——施加在结构上的集中或分布荷载——GBJ68-84–间接作用（作用）——引起结构外加变形或约束变形的原因（温度变化、焊接、基础沉降、地震、混凝土收缩等）back时间变异位置变异结构反应永久作用自重、土压力、预应力、基础沉降、焊接可变作用安装荷载、楼面活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、温度变化、地震偶然作用地震、爆炸、撞击固定作用自重、固定设备荷载可动作用吊车荷载、人员荷载静态作用自重、楼面活荷载动态作用地震、吊车荷载、设备振动、风荷载1.3风荷载基本风压定义：当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速v0为标准，按v02/1600确定的风压值按全国基本风压分布图采用，=0.25kN/m2调整系数（略）back0zszk•风压高度变化系数•风荷载体型系数•风振系数•考虑范围•房屋结构H30m&H/B1.5•高耸结构T10.25s•考虑方法zzz1脉动增大系数),,(210ZoneTypeTf脉动影响系数),,/,(ZoneTypeBHHf振型系数HHTypeHHfiiz/),,(1.4抗震设计规范以黑体字标志的条文为强制性条文，必须严格执行。术语抗震设防烈度seismicfortificationintensity按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。1.4.1地震作用建筑抗震设防目标与标准抗震设防及其思想设防依据设防目标及其实现建筑类别与设防标准建筑结构抗震验算地震作用计算结构抗震验算back1、抗震设防及其思想抗震设防对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施指导思想预防为主减轻结构震害避免人员伤亡减少经济损失使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行趋势使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力back2、设防依据——抗震设防烈度定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度度（或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值）对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防设防范围6-9度back3、抗震设防目标：小震不坏、中震可修、大震不倒抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的工业建筑，抗震设计有专门规定。4、两阶段设计back阶段目标烈度地震作用性质受力状态作用效应组合第一阶段小震不坏（隐含中震可修）多遇地震作用对应的烈度（小震）可变作用弹性（部分弹塑性）承载力验算采用基本组合(多层、高层钢筋混凝土房屋层间弹性位移计算，采用短期效应组合，即作用分项系数均取1.0)第二阶段大震不倒罕遇地震作用对应的烈度（大震）偶然作用弹塑性部分建筑物的层间弹塑性位移验算，采刚短期效应组合，即怍用分项系数均取1.0说明：•第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；•大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。5、三水准地震作用的标定基本假定地震强度呈极值分布烈度符合极值III型back地震影响50年超越概率地震重现期多遇地震对应的烈度——众值烈度小震63.2%50年设防烈度中震10%475年罕遇地震对应的烈度大震2-3%1642-2475年•计算–F(I)=exp[-(12-I)k/(12-Im)k]，RT=-T/ln(1-F(I)))If(I)ImI0Is•一般关系–烈度：Im=I0-1.55,Is=I0+1–加速度：PGAm=PGA0*1/3,PGAs=PGAm*(4-6)6、建筑类别与设防标准建筑类别建筑的重要性抗震措施地震作用计算甲类特殊要求的建筑特殊考虑特殊考虑乙类国家重点抗震城市生命线工程的建筑提高一度（9度适当提高）原设防烈度丙类甲、乙、丁类以外的一般建筑原设防烈度原设防烈度丁类次要的建筑降低一度（6度不降）原设防烈度back1.4.2地震作用计算一般说明和计算原则基本计算数据水平地震作用的计算竖向地震作用的计算back1、一般说明和计算原则影响设计地震作用的因素设计地震作用的方向地震作用的计算范围和原则地震作用的计算方法及其适用范围计算模型back2、影响设计地震作用的因素地震动特性方面抗震设防烈度设计近远震场地类别结构特性方面结构自振周期建筑质量（重力荷载）结构阻尼比（材料）back设计地震作用的方向水平（两个）竖向（一个）结构效应的方向平动（两个水平、一个竖向）扭转（竖轴）3、设计地震作用的方向back4、地震作用的计算范围和原则计算范围水平地震作用•6度区–（除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋外）可不算•7-9度区–（除可不进行上部结构抗震验算的房屋外）均算•8、9度大跨度结构和长悬臂结构•9度的高层建筑•水平地震作用的计算原则–竖向地震作用–一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算–斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算–质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响back地震作用的计算方法及其适用范围地震作用结构方法使用范围水平弹性底部剪力法高度不超过40m，以剪切变形为主，质量和刚度分布较均匀振型分解反应谱法不满足底部剪力法应用条件的结构时程分析法（补充计算）甲类建筑、特别不规则的建筑H80m，7、8度I、II类场地乙、丙类建筑H60m，8度III、IV类场地和9度乙、丙类建筑弹塑性简化方法（略）时程分析法（略）竖向弹性底部轴力法需考虑竖向地震作用的结构back计算模型——集中质量模型多高层房屋无扭转有扭转单层厂房横向纵向back基本计算数据重力荷载代表值结构自振周期设计反应谱重力荷载代表值重力荷载代表值永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值+可变荷载（雪、灰、楼面活荷载）组合值backniikQikEQGG1永久荷载标准值组合值系数可变荷载标准值设计反应谱水平地震影响系数•水平地震影响系数曲线–水平地震影响系数曲线GkGgPGAPGASgmmSFaa–水平地震影响系数最大值T(s)ααmax0.45αmax00.1Tg（特征周期）3.0α=(Tg/T)0.9αmax=0.2αmax场地类别IIIIIIIV近震0.200.300.400.65远震0.250.400.550.85烈度6789多遇地震183672144罕遇地震----225405630烈度6789多遇地震0.040.080.160.32罕遇地震----0.500.901.40back设计近远震场地类别5、场地类别的划分back场地覆盖层厚度(m)场地土类型03980坚硬中硬中