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第2章抗侧力结构体系与布置结构体系：指结构抵抗外部作用的构件的组成方式。高层建筑中基本的抗侧力单元有框架、剪力墙、实腹筒(又称井筒)、框筒及支撑。由这几种单元可以组成多种结构体系。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(框架－筒体结构)体系•筒体结构体系•其他结构形式，如：板柱－剪力墙结构、框架－支撑(抗震墙板)结构、竖向桁架结构、核心筒加复合巨型柱结构等。2.1框架结构体系整幢结构都由梁、柱组成，就称为框架结构体系(见图2-1~图2-3)，有时称为纯框架结构。由梁、柱构件组成的结构称为框架。2.1.1分类按材料不同分为：钢、钢筋混凝土、钢骨(型钢)混凝土、钢管混凝土等。钢筋混凝土框架按施工方法的不同，可分为：现浇框架、半装配式框架、全装配式框架等。2.1.2框架结构的特点2.1.3框架结构的布置要求(1)承重框架的布置承重框架指承受楼面竖向荷载的框架。框架结构承重方案有(见图2-4)：•横向框架承重方案•纵向框架承重方案•纵横向框架混合承重方案(2)结构布置要求应设计成双向框架；抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架；框架梁、柱中心线宜重合；结构应受力明确，构造简单；框架结构按抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重(框架结构中的楼、电梯间及局部出屋顶的电梯机房、楼梯间、水箱间等，应采用框架承重，不应采用砌体墙承重)；电梯井贴梁柱布置，不得独立；填充墙应位于框架平面内，并受柱约束；现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级，按一级抗震等级设计时，不应低于C30；按二～四级和非抗震设计时，不应低于C20；现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；框架柱的混凝土强度等级，抗震设防烈度为9度时不宜大于C60，抗震设防烈度为8度时不宜大于C70；抗震设计的框架结构中，当布置少量钢筋混凝土剪力墙时，结构分析计算应考虑该剪力墙与框架的协同工作。2.1.4框架结构的变形特点框架结构在水平荷载作用下的受力变形特点：(1)柱和梁的弯曲变形产生——剪切型：下部的梁、柱内力大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小。(2)柱的轴向变形产生——弯曲型：这种侧移在上部各层较大，愈到底部层间变形愈小。(3)框架结构中第一部分侧移是主要的，随着建筑高度加大，第二部分变形比例逐渐加大，但合成以后框架仍然呈现剪切型变形特征。2.2剪力墙结构体系利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系（见图2-5、2-6）。墙体同时也作为维护及房间分隔构件。2.2.1剪力墙的受力变形特点(1)在承受水平荷载作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。(2)剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。(3)高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。2.2.2剪力墙结构体系的特点(1)承载力要求容易满足(截面尺寸大)。(2)整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小(现浇钢筋混凝土剪力墙结构)，适合于建造较高的高层建筑(10～30层，100～140m)。(3)抗震性能好——延性剪力墙结构。(4)平面布置不灵活，(剪力墙的间距取决于楼板的跨度。一般情况下剪力墙间距为3～8m，适用于要求较小开间的建筑)。(5)结构自重较大。底部大空间剪力墙结构(见图2-7)2.2.3剪力墙结构体系的布置要求(1)结构布置原则•剪力墙应沿结构的主要轴线布置。•剪力墙应沿竖向贯通建筑物的全高。•剪力墙应尽量布置得比较规则，拉通、对直。•剪力墙的厚度应按阶段变化，每次厚度减少宜为50～l00mm。•剪力墙的洞宜上下对齐，成列布置(见图2-8)。•避免小墙肢(见图2-8)。•墙段的高宽比应≥2(呈受弯工作状态)(见图2-9)。•每一墙肢的宽度不宜＞8m。(2)平面布置方案横墙承重方案：楼板支承在横向剪力墙上。纵横墙承重方案：楼板直接支承在纵横向墙上或通过进深大梁传递。底层大空间剪力墙方案特点：框支墙上下刚度相差悬殊，不利抗震。要求：①不允许单独采用框支剪力墙。②控制建筑物沿高度方向的刚度变化幅度。③落地剪力墙的间距L应满足一定要求。④提高转换层附近楼盖的强度及刚度。(3)剪力墙的数量①剪力墙的间距：3m~7.2m②剪力墙的厚度a.构造要求(规范规定)：bw≥160mm及h/20b.墙肢轴压比μN限制：抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7。短肢剪力墙——墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，即：hw/bw=5～8。一般剪力墙——是指hw/bw＞8的剪力墙。结构基本自振周期：T1=(0.04～0.05)N，(N为层数)。调整结构刚度的方法有：—适当减小剪力墙的厚度；—降低连梁高度；—增大门窗洞口宽度；—对较长的墙肢设置施工洞，分为两个墙肢。—墙肢长度超过8m时，一般都应由施工洞口划分为小的墙肢。墙肢由施工洞分开后，如果建筑上不需要，可以用砖墙填充。c.结构刚度判断当周期过短，地震力过大时，宜加以调整。2.3框架－剪力墙结构体系在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，共同抵抗水平荷载，就组成了框架－剪力墙结构体系(如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架－筒体结构体系)。剪力墙将承担大部分水平力(有时可达80％～90％)，是抗侧力的主体。框架主要承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力。(见图2-10)2.3.1框架一剪力墙结构体系的变形特点(2)剪力墙则呈弯曲型变形；(3)当两者通过楼板协同工作，侧向变形将呈弯剪型；(4)其上下各层层间变形趋于均匀。(1)框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形；2.3.2结构布置要求框架－剪力墙结构平面布置要注意以下方面问题：剪力墙数量；剪力墙的位置；框架、剪力墙的设置要求；剪力墙的间距。2.3.2.1剪力墙数量(3)剪力墙的合理数量：兼顾抗震性和经济性两方面的要求—在满足侧移和舒适度的前提下剪力墙尽量少。(1)当每m2楼面平均剪力墙长度少于50mm时，震害严重；多于150mm时，破坏极轻微，甚至无震害。(2)当平均压应力=G/(Ac+Aw)＜1.2Mpa，壁率大于5000mm2/m2时，无震害。两个条件均不满足时，严重震害。(4)剪力墙的合理数量确定的方法①参考目前国内实际工程中的剪力墙数量：(Aw+Ac)／Af值或Aw/Af值大约在下表的范围内。设计条件Aw+Ac）/AfAw/Af7度，II类土8度，II类土3%5%4%6%2%3%3%4%②满足轴压比要求。③由刚度特征值判定：Vf，max／V0在0.2~0.4之间较合适，相应的值在1.1～2.2之间。④由剪力墙截面抗弯刚度确定⑤由自振周期T1和地震力判定基本自振周期大约在下式范围内：计算周期Tl=(0.09～0.12)n实际周期Tl=(0.06～0.08)n(考虑T=0.7~0.8，n为结构层数)比较适宜的地震系数值(FEk=G)场地烈度7度8度9度ⅠⅡⅢⅣ0.01~0.020.02~0.030.02~0.040.03~0.050.02~0.040.03~0.060.04~0.080.05~0.090.03~0.080.05~0.120.08~0.160.10~0.20当自振周期和底部剪力偏离上述范围太远时，应适当调整结构的截面尺寸。2.3.2.2剪力墙数量剪力墙的位置(1)剪力墙布置，应遵循“对称、均匀、分散、周边”的原则。(2)竖向荷载较大处。(3)建筑物端部附近。(4)平面形状变化处。(5)楼梯、电梯间等。2.3.2.3剪力墙数量框架、剪力墙的设置要求(1)框架应在各主轴方向均做成刚接。(2)剪力墙应沿各主轴布置(在非抗震设计，层数不多的长矩形平面中，允许只在横向设剪力墙)。(3)纵横向剪力墙宜合并布置为L形、T形和H字形。(4)合理调整剪力墙的长度：①每一道剪力墙(包括单片墙，小开口墙和联肢墙)H/L宜大于2，单个墙肢长度不宜大于8m。②每一道剪力墙在底层承受的弯矩和剪力均不宜大于整个结构底部剪力和倾覆力矩的40％。2.3.2.4剪力墙数量剪力墙的间距以限制L／B比值作为保证楼盖刚度的主要措施。JGJ3—2002《高层建筑混凝土结构技术规程》，以后简称《高层规程》，规定的剪力墙间距见下表。楼盖形式非抗震抗震设防烈度6、7度8度9度现浇≤5.0B，≤60m≤4.0B，≤50m≤3.0B，≤40m≤2.0B，≤30m装配整体≤3.5B，≤50m≤3.0B，≤40m≤2.5B，≤30m2.4板柱－剪力墙(筒体)结构板柱－剪力墙(筒体)结构是指由钢筋混凝土无梁楼板和柱(筒体)组成的结构(见下图)。2.5框架－支撑(抗震墙板)结构在钢框架设置支撑斜杆，即为支撑框架。由钢框架及支撑框架共同承担竖向荷载和水平荷载的结构称为框架－支撑结构。用墙板代替钢支撑，嵌入钢框架中，成为框架－抗震墙板结构。框架－支撑结构有中心支撑框架(见图2-11)、偏心支撑框架(见图2-12)。框架－抗震墙板结构中墙板的类型有带竖缝钢筋混凝土墙板、带横缝钢筋混凝土墙板、内藏钢支撑的钢筋混凝土墙板、钢板墙和带竖缝的钢板墙等。2.6筒体结构2.6.1筒体形式(1)筒体的基本抗侧力单元有三种：(a)实腹筒(b)框筒(c)桁架筒实腹筒、框筒及桁架筒。(2)筒体的承重结构形式有：框筒结构、桁架筒结构、筒中筒结构和成束筒结构等。2.6.2框筒结构(1)框筒结构的典型平面(见图2-13)(2)框筒结构的特点框筒结构的四榀框架位于结构周边，其抗侧、抗扭刚度及承载力都较普通框架要大很多，因此适用高度比普通框架要高很多。框筒材料有：钢结构、钢筋混凝土结构或混合结构。框筒常与内筒形成筒中筒结构及成束筒结构。(3)框筒结构的受力特点框筒结构的四榀框架形成受拉翼缘框架和受压翼缘框架。存在剪力滞后现象(见图2-14)。采用若干个建筑层高作为桁架的节间距，以若干个建筑开间作为桁架的弦杆间距，形成巨型桁架，四片桁架围成桁架筒，一般采用钢结构。可作为高层建筑的承重结构，同时承受竖向荷载和水平力。2.6.3桁架筒结构桁架筒结构的典型实例(见图2-15)。钢桁架筒结构的刚度大，比框筒结构更能充分利用建筑材料，适用于更高的建筑。2.6.4筒中筒结构(1)筒中筒结构的典型平面及实例(见图2-16、2-17)。(2)筒中筒结构的受力特点①在水平力作用下，外框筒以剪切型变形为主，内筒以弯曲型变形为主，在楼盖的作用下，两者位移需协调，其侧移曲线为弯剪型。②在下部，核心筒承担大部分剪力；在上部，剪力转移到外筒。③筒中筒结构抗侧、抗扭刚度大，层间变形均匀。外筒主要抵抗倾覆力矩及扭距，内筒主要抵抗水平剪力。④在水平力作用下，外框筒也有剪力滞后现象。2.6.5束筒结构(1)束筒结构的典型实例——西尔斯大厦(见图2-18)。(2)束筒结构的特点:束筒结构的腹板框架数量较多，使翼缘框架与腹板框架相交的角柱增加，大大减小剪力滞后，充分发挥筒体结构的空间作用(见图2-19)。可以组成较复杂的建筑平面形式。2.7框架－核心筒结构2.7.1框架－核心筒结构的特点：周边稀柱框架可以形成较大的使用空间及景观视线。设置了加强层(水平伸臂杆件)的框架—核心筒结构具有与筒中筒结构类似的抗侧刚度，其建造高度可与之接近。2.7.2框－筒结构的受力变形特点在水平力作用下，框架－核心筒结构的受力变形特点类似于框架－剪力墙结构。外框架以剪切型变形为主，内筒以弯曲型变形为主，在楼盖的作用下，两者位移需协调，其侧移曲线为弯剪型。核心筒刚度大，是抗侧力主体，承担大部分剪力；而框架承担的剪力较小。为了增大周边框架柱的轴力，提高框架柱的抵抗倾覆力矩及扭距，一般在核心筒与框架柱之间设置水平伸臂杆件。设置了水平伸臂杆件的框架－核心筒结构的侧移曲线见下图2-23。见图2-20~22上海金茂大厦主楼结构即采用了核心筒加外圈复合巨型柱的方案，同时由3道强劲的钢结构外伸桁架将核心筒和复合巨型柱连成整体，以提高主楼的侧向刚度。2.7.3框架－核心筒结构的实例介绍(1)上海金茂大厦(见图