1、高層建筑結構設計Structure Design of High-rise Building深圳大學 土木工程學院2011-2012第二學期內容回顧第1章 概 論主要內容1.1 建筑結構設計中的總體問題1.2 高層建筑的定義1.3 高層建筑的類型 1.4 高層建筑的發展概況 1.5 高層建筑結構的設計特點 通常以建筑的高度和層數兩個指標來判定，但世界范圍內目前還沒有一個統一的劃分標準。1.2 高層建筑的定義定義2）我國： （1）高層民用建筑設計規范GB50045-95 和高層民用建筑設計防火規范 GBJ50045-2002和 規定： 10層的居住建筑（包括首層設置商業服務網點的住宅）或24m的

2、公共建筑。 （2）高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002）規定：10層 或 28m；（本課程內容的依據） 1、水平荷載成為設計的決定性因素 1）豎向荷載產生軸向壓力與結構高度的一次方成正比； 2）水平荷載產生的傾覆力矩與高度的二次方成正比。1.5 多層與高層建筑結構的特點2、側移成為設計的控制指標 1）結構頂點的側移 ut與結構高度 H 的四次方成正比； 2）結構的側移與結構的使用功能和安全有著密切的關系； 過大側移會使人產生不安全感； 使填充墻和主體結構出現裂縫或損壞，影響正常使用； 因P-效應而使結構產生的附加內力，甚至破壞。 3）必須選擇可靠的抗側力結構體系，使結構不僅具有較大

3、的承載力，而且還應具有較大的側向剛度。4、延性成為結構設計的重要指標 1）延性表示構件和結構屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能。 2）延性系數：用來衡量延性的大小。 3）結構的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結構延性的大小。 4）為了保證結構具有較好的抗震性能，除承載力、剛度外，還需要有較好的延性。可通過加強結構抗震概念設計，采取恰當的抗震構造措施來保證。 第二章 結構選型與結構布置2.1 高層建筑結構設計中的基本原則 2.2 高層建筑的結構選型2.3 高層建筑的結構布置2.2 高層建筑的結構選型豎向承重結構選型（抗側力體系）高層建筑的基本抗側力單元有

4、框架、剪力墻、框剪、筒體等，由它們可以組成多種結構體系。框架剪力墻筒體水平承重結構選型（樓板體系） 單向板、雙向板、井式樓蓋、密肋樓蓋、無梁樓蓋基礎結構選型 獨立基礎、條形基礎、筏形基礎、箱型基礎、樁基礎帶加強層的高層建筑結構 框架-核心筒結構 框架-剪力墻結構 2.2.1 框架結構體系 定義：房屋結構均由梁、柱構件通過節點連接而構成。橫向主梁柱縱向連系梁框架結構特點平面布置靈活，可形成較大的使用空間施工簡便，較經濟抗側剛度小，側移大對支座不均勻沉降較為敏感2.2.2 剪力墻結構體系 定義：房屋豎向承重結構全部由剪力墻組成。剪力墻結構平面圖剪力墻結構特點抗側剛度大，側移小室內墻面平整平面布置不

5、靈活結構自重大，地震作用大施工較麻煩，造價較高剪力墻側向變形結構自重較大；建筑平面布置局限性大，較難獲得大的建筑空間（一般剪力墻間距38m）。定義：為了充分發揮框架結構平面布置靈活和剪力墻結構側向剛度大的特點，當建筑物需要有較大空間，且高度超過了框架結構的合理高度時，可采用框架和剪力墻共同工作的結構體系。 剪力墻剪力墻框架梁框架梁框架梁剪力墻剪力墻2.2.3 框架剪力墻結構體系 受力變形特點： 注：在水平荷載作用下，框架的側向變形屬剪切型，層間側移自上而下逐層增大；剪力墻的側向變形一般是彎曲型，其層間側移自上而下逐層減小。當框架與剪力墻通過樓蓋形成框架-剪力墻結構時，各層樓蓋因其巨大的水平剛度

6、使框架與剪力墻的變形協調一致，其側向變形介于剪切型與彎曲型之間，一般屬于彎剪型。優點： 兼有框架和剪力墻的優點，比框架結構的水平承載力和側向剛度都有很大提高，比剪力墻結構布置靈活，可應用于 1020 層的辦公樓、教學樓、醫院和賓館等建筑中。框架-剪力墻結構中剪力墻的數量和布置：與建筑功能相結合數量不宜過多，以滿足位移限值為宜均勻對稱，質量中心與剛度中心接近；外圍布置，可以加強結構的抗扭作用2.2.6 各種結構體系的 最大適用高度和最大高寬比A級高度與B級高度對B級高度的高層建筑，采用更嚴格的計算和構造措施，且須通過抗震專項審查平面和豎向不規則結構及類場地土上的結構，最大適用高度應適當降低高層建

7、筑樓面結構選型2.3 高層建筑的結構布置高層建筑結構的平面布置高層建筑結構的豎向布置高層建筑結構的變形縫設置平面布置規則性 平面宜簡單、規則 平面長度不宜過長 突出部分宜減小 凹角部分應采取加強措施對稱性 核心筒位置要居中或對稱 抗震墻沿房屋周邊布置（較大抗扭剛度和抗傾覆能力）規范：平面不規則類型第一類：扭轉不規則第二類：凹凸不規則第三類：樓板局部不連續豎向布置立面變化要均勻避免“柔弱”底層頂層大廳的改善立面變化要均勻規范：豎向不規則類型第一類：側向剛度不規則第二類：豎向構件不連續第三類：樓層承載力突變第三章 荷載與地震作用3.1 高層建筑結構上的作用類型3.2 恒載3.3 樓面活荷載3.4

8、屋面活荷載3.5 雪荷載3.6 風荷載3.7 地震作用3.6 風荷載1、基本風壓 我國荷載規范規定，基本風壓系以當地比較空曠平坦地面上離地 10m高，統計所得的 50 年一遇 10 分鐘平均最大風速v0（m/s）為標準，按風速確定的風壓值，但不得小于 0.3kN/m2。特別重要的高層建筑，取100年。3 風荷載體型系數s 1）風壓分布系數風壓與體型的關系 2）定義：風荷載體型系數是指風作用在建筑物表面所引起的壓力(吸力)與原始風速算得的理論風壓的比值。 3）特點：風荷載體型系數一般都是通過實測或風洞模擬試驗的方法確定，它表示建筑物表面在穩定風壓作用下的靜態壓力分布規律，主要與建筑物的體型與尺度

9、有關。3 風荷載體型系數s4）風壓的空間不均勻性5）風荷載體型系數的確定：根據設計經驗和風洞試驗迎風面的風壓力在建筑物的中間偏上為最大，兩邊及底下最小；側風面一般近側大，遠側小，分布也極不均勻；背風面一般兩邊略大，中間小。+0.8-0.6-0.6(0.48+0.03H/L)0.8+1.2/n1/2當表面粗糙時取s = 0.85 總風荷載標準值(KN/m)建筑物每個表面的風荷載沿建筑物高度總風荷載總風荷載為建筑物各個表面上承受風力的合力，是沿建筑物高度變化的線荷載。通常按x、y兩個互相垂直的方向分別計算總風荷載。6 樓層風荷載合力集中于樓層標高處的風荷載合力第四章 設計計算的基本規定結構計算的一

10、般規定重力二階效應和結構穩定作用效應組合構件承載力計算抗震等級水平位移驗算罕遇地震下的彈塑性變形驗算 4.1 結構計算的一般規定計算原則內力、位移彈性；截面設計材料彈塑性重力二階效應復雜結構驗算地震下薄弱層的彈塑性變形框架梁、連梁可考慮塑性內力重分布計算模型盡量采用空間分析模型復雜高層和不規則結構應至少采用兩個不同力學模型的結構分析軟件電算結果簡單判斷結構整體位移樓層剪力振型形態自振周期超筋超限幾個比值：軸壓比、剪重比、剛度比、剪承比、位移比、周期比、剛重比（穩定性）、有效質量比。 電算結果簡單判斷軸壓比電算結果簡單判斷剪重比 電算結果簡單判斷剛度比 抗震設計的高層建筑結構，其樓層側向剛度不宜

11、小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。電算結果簡單判斷剪承比 4.4.3 A級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75%。5.1.14 對豎向不規則的高層建筑結構，包括某樓層抗側剛度小于其上一層的70%或小于其上相鄰三層側向剛度平均值的80%，或結構樓層層間抗側力結構的承載力小于其上一層的80%，或某樓層豎向抗側力構件不連續，其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以1.15的增大系數。電算結果簡單判斷位移

12、比4.3.5 結構平面布置應減少扭轉的影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。電算結果簡單判斷周期比4.3.5 結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85。電算結果簡單判斷剛重比（穩定性）構件剛度樓蓋屋蓋剛度 現澆混凝土樓蓋可視為水平

13、放置的深梁，平面內無限剛； 開洞等不規則樓面，樓板剛度可等效為剪彎水平梁的簡化法計算； 按無限剛計算時，需對削弱部位的構件內力放大，加強配筋。連梁剛度 剛度小，配筋大；可允許適當開裂，把內力傳到墻體上；通常做法是對連梁計算內力進行折減；6、7度時折減系數取0.7；8、9度取0.5；但不宜小于0.5。樓面梁抗扭剛度 應對梁的計算扭矩給與適當的折減；大于0.4。地下室頂板剛度 考慮地下室的嵌固作用需要滿足相應的條件：側向剛度大于上部結構的2倍；采用現澆梁板結構；板厚度大于180mm等。4.2 重力二階效應和結構穩定重力二階效應的概念P-效應：構件自身撓曲引起的附加重力效應P-效應：結構在水平風荷載

14、或水平地震作用下產生側移后，重力荷載由于該側移而引起的附加效應高層建筑結構穩定設計，主要控制P-效應對結構性能降低的影響以及由此可能引起的結構失穩重力二階效應的考慮方法簡化的有限元法內力和位移增大系數方法（JGJ3-2002采用方法）5.5.4剛重比與側向位移增幅關系曲線剪切型結構（框架結構） ，可保證P-效應影響在20%之內高層結構規范要求剛重比與側向位移增幅關系曲線彎剪型結構（剪力墻結構、框架剪力墻結構、筒體結構） ，可保證P-效應影響在20%之內高層結構規范要求不考慮P-效應的條件彎剪型結構（剪力墻結構、框架剪力墻結構、筒體結構） ，可保證P-效應影響在5% 之內，可不考慮；剪切型結構（

15、框架結構） ，可保證P-效應影響在5%之 內，可不考慮。4.3 作用效應組合無地震作用效應組合時考慮設計年限的調整系數公式要熟記！4.3 作用效應組合地震作用效應組合時公式要熟記！4.4 構件承載力計算無地震作用組合時有地震作用組合時抗震等級延性要求抗震等級抗震措施抗震等級延性要求抗震等級抗震措施4.5 水平位移驗算過大層間位移的危害：非結構構件的損傷主結構的附加內力，加速倒塌層間位移角：層間位移與層高之比4.5 水平位移驗算目的：一般結構用的防倒塌設計要求 防倒塌設計的難度和代價很大，一般結構只進行防連續倒塌的概念設計：如加強樓梯、避難室、底層邊墻、角柱等重要部位；在關鍵要害區域設置緩沖裝置

16、（防撞墻、裙房等）或泄能通道（開敞布置或輕質墻體、輕質屋蓋等）；布置分割縫以控制倒塌范圍；增加關鍵部位的冗余約束及備用傳遞途徑以定性設計的方法增強結構的防連續倒塌的能力。倒塌可能引起嚴重后果的、安全等級為一級的可能遭受襲擊的重要結構，以及為抵御災害作用面必須增強抗災能力的結構宜進行定量設計。 本條給出了設計方法：1、局部加強法2、拉結構件法3、拆除構件法第五章 高層框架結構設計結構布置梁、柱截面尺寸估算計算簡圖豎向荷載下的內力計算方法（分層法）水平荷載下的內力計算方法（反彎點法、D值法）水平位移驗算方法內力組合方法承載力計算方法構造要求結構布置雙向布置框架，梁柱剛接，不宜鉸接合適的柱網尺寸 不

17、宜大于10m10m偏心距大于該方向柱寬的1/4時,增設梁的加腋一般原則: 結構布置慎用單跨框架 超靜定次數少,一旦出現塑性鉸,容易連續倒塌避免砌體墻承重與框架承重的混合體系 抗側力剛度、變形能力相差較大注意填充墻對結構的不利影響 上下層填充墻布置的差異造成層間剛度的差異，形成薄弱層， 如底層； 窗臺墻容易造成短柱的出現； 布置不均勻造成剛度偏心； 注意事項: 梁、柱截面尺寸估算梁尺寸用跨度估算結構分析時必須考慮現澆樓板對梁剛度的增大，一般簡單采用中梁剛度放大系數（2.0或1.5）柱尺寸根據軸壓比估算，不同抗震等級采用不同的限值，即對軸壓比的限制梁的抗彎剛度柱的抗彎剛度梁截面慣性矩柱截面慣性矩梁

18、線剛度柱線剛度豎向荷載下的內力計算方法（分層法）基本假定豎向荷載下，框架側移可忽略不計每層梁上的豎向荷載對其它層的影響可忽略不計分層法修正一：除底層外，各層柱的線剛度乘以0.9修正二：除底層外，各層柱的傳遞系數由1/2改為1/3各開口框架計算的彎矩圖疊加為最終彎矩圖，節點不平衡彎矩分配一次分層法所有構件均可采用彈性剛度。考慮梁端塑性內力重分布，對負彎矩進行調幅，調幅系數：現澆框架：0.80.9；裝配式框架：0.70.8。調幅后按照平衡條件計算跨中彎矩。跨中彎矩不小于簡支跨中彎矩一半。豎向荷載下的彎矩先調幅，后組合。樓面活載大于4kN/m2，需考慮活載不利布置。分層法計算例計算各桿件的相對線剛度

19、分別計算頂層、中間層和底層開口框架的彎矩圖疊加各彎矩圖得到總彎矩圖水平荷載下的內力計算方法（反彎點法）反彎點：M=0，V0框架彎矩圖要解決 幾個問題：1、各柱V的大小；2、柱反彎點的位置；3、由柱端彎矩求梁端彎矩柱反彎點的位置與“反彎點法”的假設反彎點位置與柱上下端的約束條件（轉角）有關“反彎點法”關于反彎點位置的假設：除底層外各層柱端轉角相等，底層柱反彎點在2/3層高處，其它層反彎點在1/2層高處“反彎點法”中柱抗側剛度的計算“反彎點法”的假設柱抗側剛度：柱頂產生單位位移 所需的水平力（柱的剪力）“反彎點法”關于柱抗側剛度的假設：假設柱兩端轉角為0，即認為梁剛度為無窮大反彎點處剪力的計算（樓

20、層總剪力按抗側剛度分配給各柱）基本假定：同層各點側移相等（樓面剛度無窮大）框架彎矩的計算柱端彎矩：柱剪力 X 反彎點至柱端距離梁端彎矩：根據節點平衡和梁線剛度分配“反彎點法”總結計算步驟1、確定各柱反彎點的位置2、計算各層、各柱反彎點處的剪力3、計算柱端彎矩和梁端彎矩適用范圍：梁線剛度/柱線剛度3，一般為多層框架“反彎點法”例題水平荷載下的內力計算方法（改進的反彎點法D值法）反彎點法的缺點1、柱的反彎點位置是個定值 2、柱的抗側剛度只與柱的線剛度及層高有關 D值法的改進之處1、柱的抗側剛度的修正（考慮梁、柱剛度比）2、柱的反彎點位置的修正（考慮梁、柱剛度比和上、下層的層高影響）柱的抗側剛度的修

21、正柱抗側移剛度修正系數c柱的反彎點位置的修正y=y0+y1+y2+y3標準反彎點高度比y0與該層所在的樓層位置，及梁、柱線剛度比有關 因上、下橫梁相對線剛度變化的修正值y1 因上、下層層高變化的修正值y2、y3“D值法”總結1、求各柱的抗側剛度（修正值）2、求各柱的反彎點位置（修正值）3、計算各層、各柱反彎點處的剪力4、計算柱端彎矩和梁端彎矩計算步驟“D值法”例題水平位移驗算方法用D值法計算側移層間側移頂點側移水平位移驗算方法例題內力組合方法控制截面梁取三個控制截面：左端支座、跨中、右端支座柱取兩個控制截面：柱頂、柱底最不利內力組合的種類梁：支座-Mmax、Vmax，跨中Mmax柱(一般情況下

22、)： Mmax及相應N、V-Mmax及相應N、VNmax及相應M、VNmin及相應M、VVmax及相應M、N內力組合例題三跨六層框架，內力計算過程（分層法和D值法）略對二層梁和二層柱進行內力組合延性框架設計框架結構的延性 構件和結構屈服后，具有承載能力不降低或基本不降低、且具有塑性變形能力的一種性能結構延性的作用結構的延性指標提高結構延性的措施 結構的延性指標構件延性比構件位移延性比截面曲率延性比結構的延性指標結構延性比結構延性比提高結構延性的措施“強柱弱梁”設計原則控制塑性鉸的位置 “強剪弱彎”設計原則控制構件的破壞形態 “強節點弱構件”設計原則 記住“強柱弱梁”、 “強剪弱彎”如何調整！延

23、性梁設計（一）：強剪弱彎梁端設計剪力的規定注意區別不同抗震等級的規定延性梁設計（二）：縱筋量與延性受壓區高度最大受拉鋼筋配筋率最小受壓鋼筋配筋量延性梁設計（三）：箍筋與延性梁端箍筋加密（加密區長度、最大間距、最小直徑）箍筋形式延性梁設計（四）：剪壓比和截面限制要求無地震作用組合時有地震作用組合時延性柱設計（一）:剪跨比與長、短柱剪跨比 長柱，壓彎破壞，延性較好 短柱，剪切破壞，延性較差 極短柱，剪切斜拉破壞，延性極差延性柱設計（二）:軸壓比延性柱設計（三）:配箍率與箍筋形式配箍特征值與體積配箍率箍筋形式與約束作用延性柱設計（四）:柱的加強部位調整柱端彎矩，實現強柱弱梁底層固定端彎矩增大，推遲其

24、屈服加大角柱設計內力，提高其承載力清楚如何進行內力數值的調整！延性梁設計（五）：強剪弱彎柱端設計剪力的規定注意區別不同抗震等級的規定延性柱設計（六）：剪壓比和截面限制要求無地震作用組合時有地震作用組合時強節點“弱”構件抗震等級為一、二級時，根據剪力設計值驗算框架節點核心區的抗剪承載力抗震等級為三、四級時，按構造要求配置箍筋第六章剪力墻結構設計結構布置剪力墻分類及判別方法剪力墻翼緣有效寬度確定方法剪力墻結構在豎向荷載下的內力計算方法剪力墻結構在水平荷載下的內力和位移計算方法剪力墻截面承載力計算方法構造要求結構布置雙向布置，雙方向剛度接近，數量合適墻肢截面宜簡單、規則，形成明確 的墻肢和連梁，避免

25、錯洞墻和疊合 錯洞墻避免脆性破壞，慎用“長墻”注意剪力墻平面外的穩定性不宜將樓面主梁支承于連梁上 剪力墻分類及判別方法剪力墻分類一（按墻肢長度）一般剪力墻（墻肢截面高度與墻厚之比大于8）短肢剪力墻（墻肢截面高度與墻厚之比為58）剪力墻分類二（按是否開洞、開洞大小）整截面剪力墻整體小開口剪力墻聯肢剪力墻壁式框架按整體性系數、墻肢慣性矩比對剪力墻類型的判別方法整截面剪力墻及其受力特點無洞口的剪力墻或洞口面積不超過墻體面積的15%，且洞口至墻邊的凈距及洞口之間的凈距大于洞孔長邊尺寸時，可以忽略洞口對墻體的影響，這種墻體稱為整截面剪力墻（或稱為懸臂剪力墻）。整體剪力墻的受力狀態如同豎向懸臂梁，截面變形

26、后仍符合平面假定，因而截面應力可按材料力學公式計算。 整體小開口剪力墻及其受力特點洞口面積稍大、超過墻體面積的15%時，通過洞口的正應力分布已不再成一直線，而是在洞口兩側的部分橫截面上，其正應力分布各成一直線除了整個墻截面產生整體彎矩外，每個墻肢還出現局部彎矩，實際正應力分布相當于在沿整個截面直線分布的應力之上疊加局部彎矩應力由于洞口還不很大，局部彎矩不超過水平荷載的懸臂彎矩的15。因此，可以認為剪力墻截面變形大體上仍符合平面假定，且大部分樓層上墻肢沒有反彎點內力和變形仍按材料力學計算，然后適當修正聯肢剪力墻及其受力特點洞口開得比較大，截面的整體性已經破壞，橫截面上正應力分布和截面變形已不再符

27、合平截面假設 墻肢的線剛度比連梁的線剛度大得多，每根連梁中部有反彎點，各墻肢單獨彎曲作用較為顯著，僅在個別或少數層內出現反彎點這種剪力墻可視為由連梁把墻肢聯結起來的結構體系，故稱為聯肢剪力墻壁式框架及其受力特點洞口開得比聯肢剪力墻更寬，墻肢寬度較小，墻肢與連梁剛度接近時，墻肢明顯出現局部彎矩，在許多樓層內有反彎點。剪力墻的內力分布接近框架，故稱壁式框架。壁式框架實質是介于剪力墻和框架之間的一種過渡形式，它的變形已很接近剪切型，只不過壁柱和壁梁都較寬，因而在梁柱交接區形成不產生變形的剛域。 剪力墻類型的判別方法利用兩個參數整體性系數反映連梁與墻肢剛度間的比例關系墻肢慣性矩比值判別準則（教材P159）雙肢多肢2a2c剪力墻類型的判別方法利用兩個參數整體性系數反映連梁與墻肢剛度間的比例關系墻肢慣性矩比值判別準則（教材P159）雙肢多肢當當當且且且為整體小開口墻；為壁式框架；為連肢墻；剪力墻類型判別例題15層剪力墻，總高42.4m，截面尺寸如圖所示，試判別剪力墻的類型。剪力墻結構在水平荷載下的內力和位移計算方法基本假定：不同方向的剪力墻分別作為平面結