21多层及高层房屋结构的组成09

第2章多层及高层房屋结构2.1多、高层房屋结构的组成2.2楼盖的布置方案和设计2.3柱和支撑的设计2.4多、高层房屋结构的分析和设计计算2．1多、高层房屋结构的组成多层和高层房屋建筑之间并没有严格的界线。根据房屋建筑的荷载特点及其力学行为，尤其是对地震荷载的反应，大致可以12层(高度约40m)为界。一、多高层房屋结构的类别多、高层房屋钢结构中，侧向荷载的影响显著。按抵抗侧向荷载作用的功效可分为：框架结构、框剪结构、筒体结构。优点是平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，侧向刚度小。柱距一般控制在6~9m范围内，次梁间距以3~4m为宜；一般不超过30层时比较经济。美国休斯敦印地安纳广场大厦——框架结构高121m(29层)，平面尺寸为43.7m43.7m的正方形，柱距约7.6m。1.框架结构：莱钢开发的青岛即墨钢结构住宅2.框剪结构：在框架结构上设置适当的支撑或剪力墙，或二者皆设。在侧向荷载的作用下，纯框架的侧向位移呈剪切变形模式，抗剪结构呈弯曲变形模式，二者组合而成的框剪结构则显著减少了纯框架结构的侧向位移。在地震区，具有双重设防的优点。可用于不超过40~60层的高层建筑。侧向位移模式剪力墙可以是钢筋混凝土结构，也可是钢板结构。钢筋混凝土结构需要采取一些构造措施，避免地震时可能发生的应力集中破坏；钢板结构可取8~9mm厚的钢板制成。研究表明：侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。高153m(地上43层)的上海锦江饭店分馆，采用带支撑和钢板剪力墙的框剪结构，其平面尺寸为32mx32m的正方形，柱距为8m。不设抗剪结构将最外层框架柱加密(不超过3m)，用深梁将其相互刚性连接，使外层框架在侧向荷载的作用下，具有悬臂箱形梁的力学行为。3.框筒结构：内筒及其他竖向构件主要承受竖向荷载，刚性楼面作为框筒的横隔，增强筒的整体性。为了避免剪力滞后造成角柱的轴力过大，可控制框筒平面的长宽比不宜过大(平面迎风面的长度超过45m时筒体效果降低)；加大框筒梁和柱的线刚度比。框筒结构横向刚度较大，可适用的建筑高度超过90层。在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为剪力滞后。高411m(110层)的原美国纽约世贸中心大厦是带有裙房的框筒结构，其平面尺寸为240根柱子组成的正方形，柱距1.02m；内筒由中央电梯井的47根柱子组成。阵风作用下实测到的屋顶最大横向位移仅为0.46m(不足计算值1．02m的50％)，约为其高度的1／950，证明框筒结构具有良好的抗侧力性能。马来西亚双塔楼：88层，450米，框—筒结构，1996年建成。框筒结构是筒体结构的一种，称为筒中筒结构。深圳发展中心大厦束筒结构是由各筒体间共用筒壁的一束筒状结构组成，是为了减缓框筒结构的剪力滞后效应而提出来的。利用第35、66、90三个设备层，设置一层楼高的桁架，提高框筒抵抗竖向变形的能力。束筒结构方案可灵活地组成平面形式，也可将各筒体在不同的高度中止，以获得丰富的立面造型。筒体可用密柱深梁的钢结构形成，也可采用钢筋混凝土筒体，不过常以内筒出现。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)依地震设防烈度，对各类结构形式所适用的高度作出了规定，见P141表4—1，其中个别数据按《建筑抗震设计规范》做了调整。结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度钢结构框架-支撑（剪力墙板）各类筒体1102603601102203009020026050140180钢框架-混凝土剪力墙22018010070有混凝土剪力墙的钢结构220180150706,789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m）4.悬挂结构称芯筒体系或悬挂结构框架、框—支、框—筒是多高层房屋结构的最基本型式，由此可衍生出多种多样的型式。在内筒(通常是钢筋混凝土结构)具有足够的抗侧力刚度时，可把框—筒的外层框筒去掉，将整个建筑物悬挂在内筒上，打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏，充分发挥钢结构抗拉强度高的优势及钢筋混凝土结构抗压性能好的长处，实现优势互补。通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。5.支撑框筒结构或桁架筒体结构用加支撑的外围框架代替框筒结构，解决密柱深梁的问题。支撑系统覆盖了整个建筑物表面，又称大型支撑体系，它较框筒结构更为优越。香港中国银行大楼高315m(70层)的香港中国银行大楼为大型支撑筒结构体系。四根角柱是由H型钢与混凝土的组合结构，据称该大楼与位于风荷载仅为香港一半的纽约的某面积和高度均相同的建筑物相比，结构耗钢量减少约40％。八片支撑的平面位置图非抗震设防的多层(≤12层)钢结构房屋，可不设双重抗侧力体系，可采用单纯框架或斜撑(或剪力墙)结构体系。采用框架体系时，不一定把所有的梁都和柱刚性连接，只要侧向刚度够大，可以只取一部分柱参与抗侧力工作。采用斜撑体系时，只在少数柱间加设斜撑，梁和柱的连接都可做成铰支——柔性连接。少数柱参与抗侧力体系，和多跨门式刚架的中柱做成摇摆柱一样。梁柱刚性连接构造复杂，制作和工地安装工作量；抗侧力体系也可混合使用，如纵向用框架，横向用斜撑体系。有抗震要求时，可采用偏心支撑体系。纯框架具有很好的延性和耗能能力，但侧向刚度较弱。轴线交汇的支撑体系侧向刚度很好，但支撑设计得在强烈地震作用下不屈曲，则造成地震力过大，不经济合理；若允许支撑屈曲，则屈曲后性能退化，影响它的耗能能力。采用偏心支撑框架结构，支撑一端做成偏心交汇，在梁端部或中部形成耗能梁段；结构在弹性阶段有较好的刚度，在非弹性阶段具有很好的延性和耗能能力。设置偏心支撑的开间内，构件之间的相互连接均为刚接。《建筑抗震设计规范》规定，超过12层的钢结构应采用偏心支撑框架，顶层可采用中心支撑；不超过12层的钢结构宜采用中心支撑，有条件时也可采用偏心支撑。二、结构布置1.平面布置为了减少风压作用，应首选由光滑曲线构成的凸平面，减小风载体型系数。圆形或椭圆形平面比矩形平面能显著降低风压的整体作用；尽可能采用中心对称或双轴对称的平面，减小或避免在风荷载作用下的扭转振动；避免狭长形平面，减少剪切滞后现象。框筒结构采用矩形平面形式时，应控制其平面长度比小于1.5；（不满足时，宜采用束筒结构）扭转问题建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即建筑三心。在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一。结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一，在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应。在水平荷载作用下，高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布。为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动，应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式。在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态。（1）有抗震设防要求时，平面尺寸关系应符合P143表4-2的要求。≤0.5B'/Bmax大洞口宽度比≥1≤1.5l'/Bmaxl/b凹凸部分的长宽比≤4≤5L/BmaxL/B平面的长宽比结构在水平荷载下是否会出现扭转，不仅和平面图上的外形有关，还和抗侧力构件设置部位有关。抗侧力刚度中心应和水平合力线尽量接近。偏心率是度量抗侧力构件布置状况的力学参量，任一楼层相应于x和y方向的偏心率x和y可由下式计算：（2）平面不规则结构1）任一层的偏心率大于0.15；2）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％；3）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％；4）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。平面不规则结构，在计算和构造上应作相应处理。大量建筑震害表明：防震缝设置不当导致高层建筑在地震时相互碰撞的破坏后果很严重的；高层建筑在发生地震时具有很大的侧向位移，防震缝的合理设置很困难的，一般不宜设置防震缝。对地震区多高层建筑应当建立精细的力学模型，作较精确的地震分析，并采取相应的措施提高其薄弱部位和构件的抗震能力。高层钢结构建筑，一般不设置温度缝，因为建筑的平面尺寸通常不会超过90m。防震缝设置2.竖向结构布置(1)竖向结构布置的原则：1）使结构各层的抗侧力刚度中心与水平合力中心尽可能重合；2）各层的刚度中心应尽可能在同一竖直线上；3）建筑开间、进深的尺寸尽可能统一。(2)竖向结构布置应满足的要求：多高层房屋的横向刚度、风振加速度与其高宽比有关。一般认为高宽比超过8时，结构效能不佳。《建筑结构抗震规范》(GB50011)规定：对于钢结构的高层建筑，其高宽比不宜大于P144表4-3的限值。设防烈度6，789最大高宽比6.56.05.5(3)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；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％。竖向布置的不规则结构，在计算和构造上作相应处理。框筒结构高宽比不宜小于4，可发挥框筒的立体作用；内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1／3；框筒的柱距一般为1.5~3.0m，且不宜大于层高；框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50％；内外筒间的进深一般控制在10~16m之间；内筒也为框筒时，柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接，保证角柱有足够的截面积，控制其不产生严重的剪力滞后。角柱一般为非角柱截面积的1.5~2.0倍；外框筒为矩形平面时，作成切角矩形，以削减角柱应力；为提高内外筒的整体性能，缓解剪力滞后，可设置帽桁架和腰桁架。腰桁架一般布置于设备层。帽桁架和腰桁架由相互正交的两组桁架构成，等距满布于建筑物的横(纵)向，并贯通建筑物的纵(横)向。4.基础埋深(1)高层建筑基础设宜设地下室，起补偿基础的作用，增大结构抗侧倾的能力，(2)抗震设防时，基础埋深宜一致，不宜采用局部地下室。（3）采用天然地基时，基础埋深不宜小于H/15；采用桩基时，不宜小于H／18。基础埋深指室外地坪至屋顶檐口(不包括突出屋面的屋顶间)的高度。当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。地下室通常取钢筋混凝土剪力墙或框剪结构。在地下室与上层钢结构之间可设置钢骨(型钢)混凝土的过渡层，以平缓过渡抗推刚度。过渡层一般为2~3层，可部分位于地下。采用框架-支撑体系时，竖向连续布置的支撑桁架，在地下部分应该用钢筋混凝土剪力墙并一直延伸到基础。采用框筒体系，外框筒宜在地下部分用钢筋混凝土剪力墙，并一直延伸到基础；内框筒在地下部分最好改为钢骨(型钢)混凝土框筒或钢筋混凝土筒，并一直延伸到基础。