第四章-多层及高层房屋结构

4多层及高层房屋结构北京京广中心209米北京京城大厦182米深圳地王大厦吉隆坡双峰塔452米美国芝加哥的西尔斯大厦(110层，442米)束筒式结构世界贸易中心为典型的筒中筒结构高度411米,110层。金茂大厦88层420.5米上海环球金融大厦492米高层住宅莱钢开发的青岛即墨钢结构住宅多层与高层房屋有许多优点，如占地面积小、节约用地、城市建筑密度相对提高。但是，房屋层数增多以后，整个建筑物受水平风力和地震力影响很大，引致附属设备增加、施工技术要求高、房屋的造价增高等，这又是其不足之处。按建筑高度划分：低层房屋—1-3层多层房屋—4-7层高层房屋—8层以上(可含8层)其中：8层∼12、13层的建筑称为“小高层”15层∼24层建筑体为高层房屋超过24层的建筑体为超高层4多层及高层房屋结构4.1多高层房屋结构的组成一、多高层房屋结构的类别特点：侧向荷载效应的影响突出：风荷载、地震作用在高层建筑结构设计时，结构具有足够的强度，足够的刚度，使结构在水平荷载作用下产生的位移限制在一定的范围内，以保证建筑结构的正常使用和安全。分类：框架结构、框剪结构、筒体结构4多层及高层房屋结构1、框架结构：概念:由梁和柱为主要承重构件组成的承受竖向和水平作用的结构称为框架结构。特点：（1）平面布置灵活，延性较大，刚度分布均匀；（2）侧向刚度小；（3）自振周期较长，对地震作用不敏感，一般≤30层。美国休斯敦印第安纳广场大厦，高121m，29层；平面尺寸43.7m×43.7m；柱距7.6m。北京长富宫中心2、剪力墙结构利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载，并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系。剪力墙在自身平面内的刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下侧向变形小，抗震性能较强。在地震区15层以上的高层建筑中采用剪力墙是经济的，在非地震区采用剪力墙建造建筑物的高度可达140m。3、框剪结构：在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可形成一种受力特性较好的结构体系（1）抗侧刚度大，显著减小侧向位移；（2）支撑或剪力墙，双重设防。剪力墙为主要抗侧力构件，框架起到二级防线作用。（3）不超过4060层4、筒体结构概念:由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，其受力与一个固定于基础上的筒形悬臂构件相似。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。在水平力作用下具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。应用于层数较多的高层建筑中。根据房屋高度及其所受水平力的不同，筒体体系可以布置成核心筒结构、框筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、成束筒结构和多重筒结构等形式。3.剪力滞后造成角柱的轴力过大，两个措施：控制框筒平面的长宽比加大框筒梁和柱的线刚度之比4.适用的建筑高度可超过90层框筒结构1.框架形成的筒体结构，内筒及其它竖向构件主要承受竖向荷载，外层框架主要承受侧向荷载2.刚性楼面结构作为框筒的横隔补充：框筒结构在水平荷载作用下，腹板承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩，它们之间通过框筒束联系，如果角柱很弱，则达不到上述效果。角柱处轴向变形为最大，离角柱越远的各柱轴向变形为最小，这种现象称为剪力滞后。忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致不安全。措施：1、采取“密柱深梁”，2、在单筒内加“隔壁”，也就是化单筒为筒束，可明显减小剪力后滞显现。3、筒体截面接近正多边型，或圆型，剪滞现象就弱些。5、筒中筒结构1.减缓框筒结构的剪力滞后效应2.密柱深梁或钢筋混凝土内筒抗剪结构框剪结构框架结构zu图4.2侧向位移模式适用高度JGJ99-98)依据地震设防烈度划分：其他形式：1.芯筒体系(悬挂结构)：设置一些帽桁架和腰桁架的水平桁架2.加支撑的外围框架作为框筒图4.4支撑框筒结构大厦高310m，70层，平面尺寸52m×52m；楼顶倾斜，整个建筑像一个富有变化的多面体。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，斜撑采用钢—混凝土，室内无一根柱子。香港中国银行大厦约翰·汉考克大厦100层,高332m非抗震设防的多层(12层)钢结构房屋形式：1.纯采用框架结构或斜撑(或剪力墙)体系2.斜撑体系梁和柱的连接都可做成铰支即柔性连接图4.5多层房屋的抗侧力结构支撑架刚架(a)(b)抗震设防的多高层钢结构房屋形式：1.中心支撑体系，不超过12层中心支撑类型(a)十字交叉斜杆(b)单斜杆(c)人字形斜杆(d)K形斜杆(e)跨层跨柱设置2.偏心支撑体系，超过12层偏心支撑框架(a)门架式(b)单斜杆式(c)人字形(d)V字形耗能梁段二、结构布置提要光滑曲线构成的凸平面形式：风载体型系数小平面宜简单、规则、对称、减少偏心；平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过长。采用中心对称或双轴对称的平面形式：减小或避免在风荷载作用下的扭转振动平面尺寸关系：表4.2L，l，l，B的限值平面的长宽比凹凸部分的长宽比大洞口宽度比L/BL/Bmaxl/bl/BmaxB/Bmax541.510.5LBBBmaxLlBmaxLbBmaxl图4.6表4.2中诸几何尺寸示意BbLblBmax表4.2L，l，l，B的限值平面的长宽比凹凸部分的长宽比大洞口宽度比L/BL/Bmaxl/bl/BmaxB/Bmax541.510.5LBBBmaxLlBmaxLbBmaxl图4.6表4.2中诸几何尺寸示意BbLblBmax平面不规则结构1.结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的尺度，超过该方向建筑总尺寸的25%；2.楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50%；3.抗水平力构件既不平行又不对称于侧力体系的两个互相垂直的主轴。一般不宜设置防震缝（高层建筑宜调整平面形状和结构布置，采取构造措施和施工措施，尽量不设缝或少设缝；需要设缝时，必须保证必要的缝宽以防止震害。）结构竖向布置1.结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心接近重合;2.各层的刚度中心应接近在同一竖直线上;3.高宽比（GB50011）高宽比的限值设防烈度6，789最大高宽比6.56.05.5注：计算高宽比的高度从室外地面算起。竖向布置的不规则结构1.楼层刚度小于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低超过50%；2.相邻楼层质量之比超过1.5(建筑为轻屋盖时，顶层除外)；3.立面收进尺寸的比例为L1/L0.75(图4.7)；4.竖向抗侧力构件不连续；5.任一楼层抗侧力构件的总受剪承载力，小于其相邻上层的80%。基础1.宜设地下室2.抗震设防基础埋深宜一致,不宜采用局部地下室3.基础埋深，天然地基不宜小于H/15，桩基时不宜小于H/204.采用钢筋混凝土剪力墙或框剪结构型式5.设置钢骨(型钢)混凝土的过渡层，一般为23层一、楼盖布置原则楼盖结构作用1.直接承受竖向荷载并将其传递给竖向构件;2.横隔作用方案选择要求1.建筑设计(具有隔声、防水防潮、防火、保温隔热等性能);2.较小自重;3.便于施工;4.足够的整体强度和刚度。4.2楼盖的布置方案和设计楼盖结构组成：楼板和梁系1.楼板现浇钢筋混凝土楼板、预制楼板、压型钢板组合楼板用于多、高层建筑的楼板现浇钢筋混凝土楼板预制楼板压型钢板组合楼板卫生间开洞较多处高度不大且无地震设防的建筑（较少采用）应与钢梁可靠连接，且在板上浇注刚性面层预制楼板通过其底面四角的预埋件与钢梁焊接1）焊脚高度不应小于6mm2）焊缝长度不应小于80mm板缝的灌缝构造宜一律按抗震设防要求进行。必要时可在板缝间的梁上设抗剪件(如抗剪栓等)多用于工业建筑2.梁系由主梁和次梁组成结构体系包含框架时，一般以框架梁为主梁，次梁以主梁为支承梁系布置时考虑的因素钢梁的间距要与上覆楼板类型相协调，尽量取楼板经济跨度以内；（压型钢板组合楼板取2～3m）主梁应与竖向抗侧力构件直接相连；（充分发挥整体空间作用）竖向构件纵横两个方向均应有主梁与之相连，以保证两个方向的长细比不致相差悬殊；梁系布置应能使尽量多的楼面重力荷载份额传递到竖向构件；（如，设置斜向主梁）为减小楼盖结构的高度，主次梁通常不采取叠接方式。主梁和次梁的连接宜采用简支连接；（其传递荷载为次梁的梁端剪力，并考虑连接的偏心引起的附加弯矩，可不考虑主梁扭转）必要时也可采用刚性连接。主次梁连接（一）简支连接实例主梁与次梁的铰接连接主次梁连（二）刚性连接二、压型钢板组合楼盖的设计压型钢板混凝土组合楼板是将压型钢板铺设在钢梁上，在压型钢板和钢梁翼缘板之间用圆柱头焊钉进行穿透焊接，压型钢板即可作为浇筑混凝土时的永久性模板，也可作为混凝土板下部受拉钢筋与混凝土一起共同工作。优点：（1）合理设计后，可不设施工专业的模板系统，加快施工进度。（2）压型钢板的凹槽内可铺设管线，吊顶方便。（3）压型钢板便于运输、堆放，安装方便。（4）增强钢梁侧向稳定性作用，在组合楼板中压型钢板可以作受拉钢筋使用。组合楼板中考虑混凝土楼板与钢梁共同工作，同时钢梁的刚度也有了提高，为保证压型钢板和混凝土叠合面之间的剪力传递，须在压型钢板上增加纵向波槽、压痕或横向抗剪钢筋等。压型钢板组合楼板：在钢筋混凝土基础上发展起来的，这种组合体系是利用凹凸相间的压型薄钢板作衬板与现浇混凝土浇筑在一起而形成的钢衬板组合楼板，既提高了楼板的强度和刚度，又加快了施工进度。近年来主要用于大空间、高层民用建筑和大跨度工业厂房中。依靠压型钢板上的压痕，开的小洞或冲成的不闭合孔眼压行钢板与混凝土的的联结方式1、布置方式：组合楼板一般以板肋平行于主梁的方式布置于次梁上，不设次梁时以板肋垂直于主梁的方式布置于主梁上。钢梁上翼缘通长设置抗剪连接件(宜采用栓钉，也可采用槽钢、弯筋)传递水平剪力。(a)板肋垂直于主梁(b)板肋平行于主梁压型钢板组合楼盖现浇钢筋混凝土板压型钢板主梁现浇钢筋混凝土板压型钢板次梁栓钉连接件栓钉连接件主梁抗剪栓钉的布置抗剪栓钉的布置抗剪栓钉压型钢板与抗剪栓钉的连接压型钢板与抗剪栓钉的连接2、栓钉受剪承载力设计值(4.4)7.043.0fANfEANstcvccstcv位于连续梁中间支座上负弯矩段时，取折减系数0.9；位于悬臂梁负弯矩段时，取折减系数0.8说明：梁负弯矩区的焊接栓钉，周围混凝土对其约束的程度不如受压区，受剪承载力设计值应予折减混凝土板和梁翼缘之间有压型钢板时，Nvc还需要再折减：压型钢板肋与钢梁平行时bhshp/hp2且1.0压型钢板肋与钢梁垂直时85.020ηhhhbnpps´组合楼板组合板非组合板考虑压型钢板对组合楼板承载力的贡献一般形式组合梁压型钢板组合梁组合梁预制钢筋混凝土板组合梁压型钢板组合楼板3、组合楼板的设计组合楼板设计时的基本原则组合楼板的设计考虑两个受力阶段：1)施工阶段:对作为浇注混凝土底模的压型钢板进行强度和变形验算。2)使用阶段:对于非组合板，压型钢板仅作为模板使用；验算组合板在永久荷载和使用阶段的可变荷载作用下的强度和变形。施工阶段力学模型的说明实质上是压型钢板的计算只考虑荷载沿强边方向传递(单向板)(因强边方向的截面刚度远大于弱边方向)组合楼板使用阶段的设计非组合板:按常规钢筋混凝土楼板设计,应在压型钢板波槽内设置钢筋，并进行相应计算.组合板:永久荷载+使用阶段可变荷载变形验算承载力验算单向弯曲简支板双向弯曲板或单向弯曲板正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力、斜截面抗剪承载力1、用于组合板的压型钢板净厚度(不包括镀锌层或饰面层厚度)不应小于0.75mm，仅作模板的压型钢板厚度不小于0.5mm。4、组合梁和组合板的构造要求2、组合板在下列情况之一时应配置钢筋：①为组合板提供储备承载力的附加抗拉钢筋；②在连续组合板或悬臂组合板的负弯矩区配置连续钢筋；③在集中荷载区段和孔洞周围配置分布钢筋；④改善防火效果的受拉钢筋；⑤在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋，应配置在剪跨区段内，其间距宜为150300mm。一、框架柱