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2高层建筑结构体系与结构布置


前言:高层建筑结构设计的大致流程
(1) 进行结构选型与布置 (2) 根据合理的假定进行必要简化,作计算简图 (3) 荷载计算:恒荷载、活荷载(竖向荷载、水平荷载)

根据设计条件完整考虑
(4) 内力计算 (5) 内力组合,得出内力组合设计值和标准值 (6) 构件设计与验算:柱、梁、基础等 (7) 构件与节点构造按《规范》要求


(8) 绘制结构施工图->设计完成

第二章

高层建筑结构体系与结构布置
本章主要内容

2.1 2.2 2.3

高层建筑结构体系概述 高层建筑结构布置原则 高层建筑楼盖结构

2.4 高层建筑基础结构
2.3 结构布置入门练习

§ 2.1 常见高层建筑结构体系
结构构件受力与传力的结构组成方式称为结构体 系。目前,高层房屋常用的结构体系有框架体系、框 架-剪力墙体系、剪力墙体系和筒体体系等。

一.

框架结构

1.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。

汉代抬梁式建筑

汉代穿斗式建筑

框架结构

施工中的框架结构

木结构

钢结构

框架结构节点
钢结构

2.特点 ①将承重结构和围护、分隔构件完全分开,墙只起 围护、分隔作用。

②框架结构在水平荷载下表现出抗侧移刚度小,水
平位移大的特点,属于柔性结构。

3.应用 广泛应用于多层工业厂房及多高层办公楼、医院、

旅馆、教学楼、住宅等。框架结构的适用高度为6~15层,
非地震区也可建到15~20层。

北京大学教学楼掠影

板柱框架结构

4.异形柱框架 柱截面为L形、T形、Z型或十字形(图8.1.2)的框架结 构称为异形柱框架。其柱截面厚度与墙厚相同,一般为 180~300mm。

异形柱带来的建筑效果

异形柱框架的优点:柱截面宽度等于墙厚,室内墙面平

整,便于布置。
缺点:抗震性能较差、施工麻烦

适用范围:一般用于非抗震设计或按6、7度抗震设计
的12层以下的建筑。

二.剪力墙体系
1.概念 利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构称为剪 力墙结构。剪力墙实质上是固结于基础的钢筋混凝土墙片,具 有很高的抗侧移能力。

汉代井干式建筑

不合格剪力墙实拍

2.特点 (1)横墙多,侧向刚度大,整体性好,对承受水平力有利; (2)无凸出墙面的梁柱,整齐美观,特别适合居住建筑,

(3)可使用大模板、隧道模、桌模、滑升模板等先进施工方法, 利于缩短工期,节省人力。

(4)剪力墙体系的房间划分
受到较大限制。

3.应用 一般用于住宅、旅馆等开间要求较小的建筑,适用高度为

15~60层。

三.框架-剪力墙体系
1.概念 在框架结构中的适当部位

增设一定数量的钢筋混凝土剪
力墙,形成的框架和剪力墙结 合在一起共同承受竖向和水平 力的体系叫做框架-剪力墙体 系简称框-剪体系。

2.特点 (1)大部分水平力由剪力墙承担,竖向荷载主要由框 架承受,因而用于高层房屋比框架结构更为经济合理; (2)同时由于只在部份位置上有剪力墙,保持了框架 结构易于分割空间、立面易于变化等优点;

(3)抗震性能较好。
3.应用 框-剪体系广泛应用于多层及高层办公楼、旅馆等 建筑中。适用高度为15~25层,一般不宜超过40层。

4.剪力墙转换结构

当高层剪力墙结构的底部要求有较大空间时,可将底部 一层或几层部份剪力墙设计为框支剪力墙,形成部份框支剪力 墙体系。

部分框支剪力墙结构属竖向不规则结构,上、下层不同结
构的内力和变形通过转换层传递,抗震性能较差,烈度为9度 的地区不应采用。

典型的底部柱子破坏

《高规》对框支结构的刚度规定:刚度比

四.筒体体系
1.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。

2.类型 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。筒中筒结构通常用框筒作外 筒,实腹筒作内筒。

筒体结构

五. 其它结构体系
除上述四种常用结构体系外,高层建筑中尚有悬挂

结构、巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挑结构等新的
竖向承重结构体系,但目前应用较少。

Federal Reserve Bank

§ 2.2 结构体系的选择

1.名词解释:
A级高度——常规的、一般的建筑

B级高度——不属于A级
最佳答案:

参照《高层建筑混凝土结构技术规程》

2.结构体系选择的关键词: (1)高度
A级

附:建筑物抗震设防分类:

类别 甲类 乙类 丙类

重要性 特别重要 重要 一般

建筑种类 国家批准 生命线工程 一般建筑

计算抗震烈度 专门研究 设防烈度 设防烈度

构造抗震烈度 专门研究 提高1度 设防烈度

丁类

次要

辅助建筑

降低1度

大致规律:
层数 ≤20 20~40 框剪 40~60 剪力墙 ≥60 筒体

结构形式 框架

(2)抗震设防烈度 设防等级↑ 高度↓ 高宽比↓

中国地震烈度区划图(法律文件)

烈度与震级的对应关系

震中 烈度 震级

1
1.9

2
2.5

3
3.1

4
3.7

5
4.3

6
4.9

7
5.5

8
6.1

9
6.7

10
7.3

11
7.9

12
8.5

§ 2.3 结构布置与概念设计
概念设计是指工程结构设计人员运用所掌握的理论知识 和工程经验,在方案阶段及初步设计阶段,从宏观上总体 上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基 本,最本质也是最关键的问题。

主要涉及:
(1) 结构方案的选定和布置; (2) 作用传递路径的设置; (3) 关键部位和薄弱环节的判定和加强; (4) 结构整体稳定性保证和耗能作用的发挥; (5) 承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配等。

1.平面布置 “平面不规则”

超过下面限值为不规则《高规》:

南京金陵饭店平面示意

ICA总部大楼

设计师:弗兰克· 格里合伙公司

加拿大的多伦多 市政厅大厦由两

座从两层高的基
座上升起的新月 形塔楼组成.一 座 塔 楼 高 20 层 (79 . 6m) , 另 一 座 塔 楼 高 27 层(99.7m)。

加拿大多伦多市政厅

《抗震规范》中的平面不规则分类

2.立面布置 “立面不规则”

《高规》4.4.5条: 抗震设计时,当结构上部楼层收进部位到室 外地面的高度H1 与房屋高度H之比大于0.2时,上 部楼层收进后的水平尺寸B1 不宜小于下部楼层水

平尺寸B的0.75倍;
当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,下

部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1
的0.9倍,且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

《抗规》中的立面不规则分类

cctv总部大楼 央视新大楼挑战摩 天大厦的既定概念, 大楼由荷兰建筑师库 哈斯设计,其中主楼 高234米,两座塔楼双 向内倾斜6度,在163 米以上由L型结构连为 一体,完全打破了现 有建筑常规。

建筑评论家英格.萨弗 容 (IngaSaffron) 曾 撰 文 指 出,库哈斯和舍林或许会 “将作为让CCTV大楼成为 建筑界重磅炸弹的人”而被 载入史册。

北京市建筑设计研究院
总建筑师马国馨说:“央视 新大楼的结构要按9度的标

准,很难。如果不考虑成本
的话,当然也可以。”

罗德岛太阳神巨像,世界七大奇迹之一。这座巨像建在罗德 市港口的入口处,公元前282年完工。它是希腊太阳神赫利俄斯 的青铜铸像,高约33米。巨像铸造完工后过了56年,毁于公元前 226年的一次地震中。

3.布置各类分缝 (1)伸缩缝30mm+ 目的: 防开裂

墙柱伸缩缝示意

(2) 沉降缝50mm+ 目的: 防开裂

双墙沉降缝示意

双墙沉降缝

某地下汽车通道的沉降缝

大楼楼面的沉降缝

(3)防震缝70mm+
目的:

防碰撞

分缝带来的新问题:防水、保温、抗震?

带来的新问题:防水、保温、抗震? 对策:后浇带、加强钢筋(抗)

常见的后浇带做法

4.楼/屋盖形式选择

预制

现浇

现浇梁板结构

(a) 单向板肋形楼盖

(b) 双向板肋形楼盖

(c) 无梁楼盖

(d) 密肋楼盖

(e) 井式楼盖

(f) 扁梁楼盖

(g)平板结构——板柱

参考书: [1] 郑文忠 王英编著.预应力混凝土平板—柱结构设计与工 程实例.黑龙江科学技术出版社

5. 构件截面尺寸估计 进行估计的意义:

(1)极限状态要求(承载力/挠度/开裂 等等)
(2)取得经济配筋率

板:0.4%~0.8%
梁:0.6%~1.5% 柱:1.0%~1.2% 墙:详见规范构造要求

表1

板的高跨比(h/l) 双向板 ≥ 1/45 ≥ 1/50 悬臂板 — ≥1/12

板类型 单向板(梁 式板) 支承情况 简支 连续 ≥ 1/35 ≥ 1/40

表2 项次 1

不需作挠度计算梁的截面最小高度 估计 构件种类 整体肋形 梁 次梁 主梁 简支 l0/15 l0/12 两端连续 l0/20 l0/15 悬臂 l0/8 l0/6

2

独立梁

l0/12

l0/15

l0/6

6.基础形式选择(详见《基础工程》)

(1)片筏式基础

片筏式基础钢筋绑扎

(2)箱形基础

地下室外墙

(3)桩基础

某大楼桩基施工中

承台设计

(4) 常用尺寸估计
基础埋深估计(H~建筑物高度)
基础结构形式 天然地基 钢筋混凝土结构 H/12 钢结构 H/15

桩基

H/15

H/18

底板厚度估计(l~建筑物跨度)
平均反力f(kN/m2) 150~200 400~500 受力状况 单向 双向 单向 双向 t/l 1/6~1/8 1/9~1/12 1/3~1/4 1/4~1/6

7.布置的合理性分析(两阶段验算) (1)水平位移限值△u/h——结构力学方法

注:150m以下适用

(2)舒适度要求——顶点最大加速度

§ 2.4 结构布置练习

【练习】 图中为某花园小区小高层建筑,假定各层建筑平面
设计基本相同,层高均为2.8m,试完成如下内容: 1) 选择适合该建筑特点的结构体系,并阐述你的理由(主要分 析力学性能以及与建筑方案的配合情况,并估计经济性); 2) 进行柱子和剪力墙的布置,并说明你的思路; 3) 根据柱子和剪力墙的布置,绘出大致的主次梁,并估计楼 板厚度。


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