建筑结构课件：高层建筑结构选型

高层建筑结构选型 什么是高层建筑高层建筑是一种它的高度强烈地影响其规划、设计、构造和使用的建筑。高层建筑可以定义为必须着重考虑侧向荷载和重力荷载组合影响的建筑物。 要求有足够的承载能力，也要有足够的抗侧移刚度竖向体系的作用是承受竖向荷载水平荷载满足承载力和正常使用极限状态传给基础 高层建筑结构类型高层建筑的受力特点高层建筑结构的基本要求钢筋混凝土结构体系梁、柱尺寸的估算 高层建筑结构类型高层建筑结构类型以材料划分：钢筋混凝土结构钢结构混凝土--钢结构型钢混凝土结构 目前高层建筑的发展趋势高强混凝土、钢管混凝土和型钢混凝土的应用钢筋混凝土与纯钢结构相比，整体性好，刚度大、侧移小，耐腐蚀、耐火，维护费用低，造价低于钢结构。但材料强度低，因此自重大，地震作用大。新结构体系广泛应用：巨型结构体系 水平荷载成为设计的控制因素侧移成为高层建筑的控制指标高层建筑的受力特点 轴力N=WH弯矩M=qH2/3侧移Δ=11qH4/120EI以悬臂构件为例，由竖向荷载产生的轴力与建筑的高度成正比；由水平荷载产生的弯矩与高度的二次方成正比，柱的配筋一般由水平荷载产生的弯矩控制；而水平荷载产生的侧向位移则与高度的四次方成正比。过大的侧移会使人感觉不适；会使填充墙或建筑装修出现裂缝、损坏；甚至会使主体结构出现裂缝、损坏。必须把结构的侧移限制在允许的范围内。 高层建筑结构的基本要求一.房屋的体形1.从抗风要求考虑（1）平面形状对称平面：尽量采用方形、矩形、圆形、正六边形、正八边形、椭圆形等双轴对称的平面。以避免由于平面形状不对称在风荷载作用下所发生的扭转振动。流线型平面：采用流线型平面可以降低风对高层建筑的作用。法国的法兰西大厦采用椭圆形平面，经过计算其风荷载比矩形平面时约减少27%。一般情况下，圆形、椭圆形等流线型平面，与矩形平面相比，风荷载约可减少20%～40%。 (2)立面采用上小下大的截锥状体型，减少上部风载和风载引起的倾覆力矩及位移。经计算，40层楼，当采用立面倾斜8%的角锥状，其侧移可比棱柱体减少约50%。建筑的高宽比应符合我国的规范要求利用高层建筑的设备层等形成透空层，减少风压 美国旧金山：体形逐渐收缩把房屋体形做成三角形或金字塔形还降低了水平力作用点，对提高抗侧能力也是很有效的。 美国：体形逐渐收缩若将结构宽度沿房屋高度做成上窄下宽，与悬臂柱的弯矩图相似，则无论对结构承载力或结构刚度都有很好的效益。 大厦平面为正方形(52m×52m)，沿对角线方向分为四个三角形区，向上每隔若干层就切去一个三角形区，最终44层以上剩四分之一，为三角形，直至屋顶。建筑方案由著名美藉华人建筑师贝聿铭先生构思设计。大楼内的主体结构为八榀巨型桁架，其中四榀沿房屋正方形平面的周边布置，另四榀沿对角线方向布置。 香港汇丰银行大厦 透空层 2.从抗震要求考虑(1)平面简单平面：可使水平地震作用沿平面分布均匀，避免结构产生扭转振动平面的质量和刚度对称：平面的质量和刚度不对称的建筑在水平地震作用下易产生扭转。建筑的抗侧力结构中心应与水平力的合力作用线接近。 (2)立面a.建筑的立面应采用矩形、梯形、三角形沿高度均匀变化的简单几何图形，避免有过大的内收和外挑。对于立面收进应满足下列要求：当H1/H＞0.2时，B1不宜小于0.75B；当B1＞B时，B不宜小于0.9B1，且a不宜大于4m。 b.结构的侧向刚度应沿高度均匀变化，抗侧力结构的截面由下至上逐渐减小，不得中断和突变。c.为了减小房屋在水平荷载作用下的侧向位移和倾覆力矩，高层建筑的最大高宽比应符合规范要求。 二.变形（侧向位移）要求高度不大于150m的高层建筑，层间相对位移Δu/h不宜大于下表限值；结构类型Δu/h限值框架1/550框架-剪力墙、框架-核心筒、板柱-剪力墙1/800筒中筒、剪力墙1/1000框支层1/1000 三.结构体系与高度的关系结构的抗侧力能力(由弱到强）：框架结构---框架-剪力墙结构---剪力墙结构---筒体结构 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）结构体系非抗震设计抗震设计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-核心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱-剪力墙70403530不应采用 钢筋混凝土结构体系框架结构框架结构是由板、梁、柱组成的受力体系。1.框架结构的受力特点框架结构的侧向刚度小，当建筑高度增大，水平荷载控制，采用框架结构会造成梁、柱的截面很大才能满足结构的强度和侧向刚度的要求。框架结构在水平荷载作用下的侧向变形属于剪切型变形，结构层间位移自上而下逐层增大，层间位移最大在底层，最小在顶层。 芝加哥（Chicago）湖点大厦（Lakepointtower）结构抗侧移刚度不足，在风荷载作用下房屋底下几层层间位移过大，造成玻璃幕墙破碎。 2.框架结构的优缺点及应用范围优点：平面布置灵活，可提供较大的使用空间，自重轻，整体性好，抗震性能好，易于改变其使用功能。缺点：刚度差，侧移大，模板多，施工复杂。应用范围：民用建筑中的办公楼、宾馆、医院、学校、商店、住宅等，工业建筑中的多层轻工业厂房。在非地震区可用到15层，通常情况下，10层左右时经济和使用效果较好。 框架—剪力墙结构1.体系构成框架—剪力墙结构是在框架体系的基础上，增设一定数量的钢筋混凝土墙所构成框架、墙双重体系。由于钢筋混凝土墙的侧向刚度很大，水平荷载对结构产生的水平剪力主要由它承受，所以称为剪力墙。在地震区，由于水平剪力因地震作用引起，所以剪力墙也称为抗震墙。 2.框架—剪力墙结构的优缺点及应用范围优点：（1）侧向刚度较框架结构大，水平侧移小。（2）在框架—剪力墙结构中，框架和剪力墙融为一体，协同工作，取长补短，使结构受力更为合理。缺点是由于布置了剪力墙，与框架结构相比其平面布置的灵活性受到限制。应用范围：框架—剪力墙结构一般适用于10～25层的公寓、宾馆、办公楼、综合楼等建筑中。 3.结构布置设置剪力墙应注意：在地震区沿纵横两个方向都应布置剪力墙；每个方向的剪力墙应尽量按照“分散、均匀、周边、对称”的原则设置。 江苏淮阴市物质贸易中心，地面以上13层，高50m，蝶形平面，7度抗震设防，墙160～250mm。 剪力墙结构结构受力特点及优缺点当房屋的层数很多(一般25层以上)时，为了抵抗水平荷载作用下结构产生的内力和位移，剪力墙的数量和厚度都要大量增加，以至整个房屋的框架所剩很少。为了施工方便，常采用全钢筋混凝土墙结构。剪力墙结构是将房屋的内外墙做成钢筋混凝土墙，用以承受竖向荷载和水平荷载。 剪力墙结构虽然比框架结构、框架—剪力墙结构的侧向刚度有很大增加，但它存在明显的缺点是建筑平面被划分为小开间，使建筑布置和使用要求受到一定限制。在需要大空间的公共建筑，就只能将大空间部分从高层中移出，设在“裙楼”中，或采用转换层。剪力墙结构一般用于25层以上、要求空间较小且规则的高层建筑中，例如住宅、公寓、宾馆较为适宜。 北京国际饭店1987年建成，高104m，3+31层，R.C.剪力墙结构 北京国际饭店 北京西苑饭店地下三层，地上29层，高93m，8度抗震设防，采用小墙距横墙方案。墙厚180～400mm。 广州白云宾馆1976年建成，高115m，33层，剪力墙结构。 白云宾馆 广州白天鹅宾馆，大间距纵横墙承重方案。地下一层，地上33层，另有顶层三层塔楼，最高点为100m,标准层层高2.8m，7度抗震设防。墙厚200～350mm,翼缘部分厚度为450mm。 筒式结构体系1.筒式结构体系的特征筒式结构体系是指由一个或几个筒体作竖向受力结构的高层建筑结构体系。它主要靠筒体承受水平荷载，具有很好的空间刚度和抗震能力。它是目前最先进的建筑结构体系之一。筒式结构由于剪力墙集中而获得较大的空间，使平面布置具有良好的灵活性，所以适用于办公楼、各种公共建筑及商业建筑。 2.筒式结构体系的型式(1).芯筒—框架体系这种体系是将所有服务性用房和公用设施（例如电梯间、设备管井等）集中布置在楼层平面的核心部位，形成一个较大的服务区，在服务区周围设置钢筋混凝土墙体，形成竖向的墙筒，即芯筒。它和外部的框架共同组成的结构体系称为芯筒—框架体系。 高29层的上海联谊大厦标准层结构平面，芯筒是一个立体构件，具有很大的抗侧移刚度和强度，它承担房屋的大部分水平荷载。 南京金陵饭店上世纪八十年代南京最高楼内筒外框体系 1981兴建的南京金陵饭店，方形平面，地面以上39层，高108m，芯筒的高宽比为8.5,芯筒周边墙体厚度为250～500mm。 1988年兴建的青岛保险公司办公楼，平面为等边三角形切角。芯筒墙厚200～350mm，柱截面700mm×700mm。地下两层，地上19层，7度抗震设防。 上海静安区：希尔顿饭店高114m，R.C.筒体—钢框架组合体系由于筒体承受几乎全部水平荷载，框架只需承受竖向荷载，框架柱截面一般较小。 钢筋混凝土核心筒-钢框架体系(框架柱截面很小)希尔顿饭店 上海希尔顿饭店采用压型钢板组合梁楼盖，压型钢板既是模板，又是配筋；混凝土板还是T形组合梁的翼缘。 上海希尔顿饭店：压型钢板组合梁楼盖 (2).刚臂芯筒—框架体系芯筒—框架体系的一种。对于很高层的建筑，例如40层以上的办公建筑中，集中布置在核心筒内的服务性面积不会太多，一般只有15%～20%，筒的平面尺寸受到限制，芯筒的高宽比就可能很大，筒的抗侧移刚度相应减小，使框架的负担增加。为了增加芯筒的抗侧移能力，沿高度每隔20层左右，在设备层、避难层或转换层，由芯筒伸出纵、横向刚臂与结构的外圈框架柱相连，并且沿外圈框架设置一层楼高的圈梁或桁架，形成刚臂芯筒—框架体系。 广州市天河娱乐广场大楼，正方形平面，地下三层，地上33层，高度132.8m,主体结构采用刚臂芯筒—框架体系。第21层（避难层）按井字设8片刚臂和一圈刚性环梁，顶层也设有刚臂。框架柱截面为1000mm×1000mm～1800mm×1800mm,刚臂截面为：顶层800mm×2500mm;第21层800mm×1400mm。 (3).主次框架体系（巨型框架体系）主次框架体系是把结构体系中的框架部分设计成主框架和次框架。主框架是一种大型的跨层框架，每隔若干层设置一根大截面框架梁，每隔3～4个开间设置一根大截面框架柱。主框架大梁之间的几个楼层，另设置柱网尺寸较小的次框架。次框架仅承受这几层的竖向荷载，并把它传给主框架。水平荷载通过楼盖传给主框架，全部由主框架承受。 次框架梁、柱的截面可以做得很小,由于主框架各层大梁之间的次框架相互独立，可以布置不同的柱网，以满足不同建筑功能对使用空间的要求。主次框架体系也称为巨型结构体系或多重结构体系。主次框架体系中，考虑到经济与合理，主框架梁、柱的截面不可能很大，因此它的抗侧力刚度是有限的，它能抵抗的水平荷载也是有限的。在高层建筑中，主次框架体系一般和剪力墙或筒体组成类似于框架—剪力墙或筒—框架体系。 深圳新华大厦为正方形平面，地面以上35层。主体结构采用钢筋混凝土主次框架体系，由芯筒和外圈的大型框架组成。从下到上分别隔3层、9层、10层设钢筋混凝土大截面梁，与四根角柱构成主框架。 巨型框架的横梁可以为各种大型水平结构。它利用整个楼层高度作为“梁”高，可以是箱形截面梁或桁架；巨型框架的立柱一般为筒体结构。巨型框架利用了把荷载集中在主要承重结构上的概念，其它柱子不必从顶通到地。每个小柱只需承受大横梁之间少数几层荷载，截面可以做得很小；采用巨型框架结构，巨型横梁下的楼层没有中间小柱，可以布置餐厅、会议厅、舞厅、游泳池等需要大空间的楼层。 深圳亚洲大酒店，建于1990年，平面为Y形，地上37层，地下一层，高114m，由中央筒（电梯井）和三个端筒组成巨型框架柱。每六层设巨型框架梁，梁高2m。 (4).框筒结构体系由密柱深梁型框架围成的筒体称为框筒。由外圈框筒和内部框架所组成的结构体系，称为框筒结构体系。 框筒虽然是由四片框架围成，但其功能与框架大不相同。一般框架在水平荷载作用下，仅平行于荷载方向的两片框架承受水平力，垂直于荷载方向的两片框架不参与工作。而由四片密柱深梁型框架围成的框筒，不论水平荷载来自任何方向，四片框架均参与工作。因此，框筒比一般框架适用于更多层数的建筑。由密柱深梁型框架围成的筒体其侧向刚度毕竟比墙围成的筒体要小，所以框筒结构体系一般适用于30层以下的建筑，其优点是平面布置较灵活，可以提供较大的空间。 框筒的平面形状：以圆形、正方形、正多边形为最好，椭圆形、矩形、切角正三角形次之，其他形状都较差。外框筒的平面尺寸：垂直于水平荷载方向的框筒边长不应超过45m，若为矩形平面，长边与短边的比值一般不宜大于1.5，在任何情况下均不应大于2。框筒的柱距不宜大于3m,也不宜大于层高；梁高一般为1～1.5m,在任何情况下都不应小于0.6m；立面开洞率不宜大于40%，在任何情况下都不应超过50%。 (5).筒中筒结构体系筒中筒结构体系是指由两圈或两圈以上的筒体组成的结构体系。 筒中筒结构体系的外筒，由于要考虑门、窗的设置，一般采用框筒，内筒可以是墙筒，也可以是框筒。筒中筒结构体系，由于其内部为内筒而非框架，所以比框筒结构体系的侧向刚度大；由于其芯筒外是框筒，因此其侧向刚度也较芯筒—框架体系大。筒中筒结构体系常用于40层以上的超高层建筑。 建于广州市的广东国际大厦，地面以上高63层，196m,底层层高4m，标准层层高3m，7度抗震设防。外框筒平面尺寸为35.1m×37m，内墙筒平面尺寸为17m×23m。底层内筒墙厚800mm，外框筒柱截面1200mm×1700mm,梁截面尺寸为1700mm×1200mm，楼板厚220mm,采用无粘结预应力混凝土平板。 筒中筒结构的外框筒为密柱，而在高层建筑的底层由于有大量人流进出，需要大的门口和通道，这样往往要扩大底层柱距，以解决这一矛盾。目前的处理办法有：转换梁、转换桁架、连续拱、过渡层、合并柱等。 古代拱式转换层（两柱合一柱） 原纽约世界贸易中心：框筒底层用三柱合一柱转换层（底层柱距3.05m，标准层1.02m） 原纽约世贸中心 新世贸中心——自由塔（541米） (6).框筒束体系1970年代以来，高层建筑越来越受到建筑形式和建筑美学的影响。在城市里，为了适应场地条件、城市规划、建筑立面效果等的不同要求，建筑体型日益多样化，出现不规则的立面。为了适应这种情况，出现了框筒束体系。框筒束体系是由两个或两个以上的框筒连在一起所形成的结构体系。框筒束体系中的每个单筒可以有不同的平面形状，它们还组合出不同于单筒的平面形状。而且，每一单筒又可以根据本身的需要确定它的中止高度，形成高低错落的立面。 美国芝加哥西尔斯(Sears)大厦 1974年建成，楼高443m，共109层(加上天线高度达500m)，平面为69m×69m，建筑面积520000m2。采用由九个框筒组成的组合筒体系（又称束筒），整体刚度增强，平均用钢量降为150kg/m2，总用钢量76000t。 美国汉考克中心 设计者：坎恩（F.Khan） 60年代中期建造，100层，很好的将斜撑用于外墙 梁、柱尺寸的估算框架梁：一般梁高可取，h≥400mm；梁宽b≥250mm悬臂梁：次梁： 柱：框架柱的截面面积A一般按轴压比μ确定。在竖向荷载作用下柱的轴向力设计值按下式估算：（中柱），（边柱），（角柱）被估算柱在第i层的受荷面积 为轴压比限值，框架抗震等级为二级（7度设防，高于24m），此值为0.75；三级（7度设防，低于等于24m）为0.85。