07 第7章 高层建筑结构.pptx

第1页：高层建筑结构章节封面

第7章高层建筑结构

本章介绍高层建筑结构的特点、结构类型、结构体系;结构总体布置的一般原则以及荷载等。通过这部分学习,对高层建筑结构有一初步认识。

7.1 高层建筑结构的特点及结构类型

房屋高度大于28m的建筑物称为高层建筑,房屋高度指自室外地面至主要屋面的高度。根据使用功能的不同,高层建筑有旅馆、办公楼、住宅、教学楼、医院及多功能综合建筑等。多层和高层建筑结构都要抵抗竖向和水平作用。

在高度较低的建筑结构中,一般是竖向荷载控制着结构设计。随着建筑高度的增大,水平荷载效应逐渐增大

第2页：高层建筑结构的特点及结构类型（续）

()M=qH=fH=f(H)2在高层建筑结构中水平荷载一般起着决定性作用。如图7-1所示,在荷载作用下,结构荷载效应的最大值(轴力N、弯矩M和(7-1)(7-2)(7-3)q—水平均布荷载;H一建筑高度;EI—建筑总体抗弯刚度。

图7-1 荷载作用和侧移W一建筑每米高度上的竖向荷载4qH：高层建筑结构的特点及结构类型（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

48EI∆=水平位移）分别为N=WH=f(H)式中1222由上式可见，随着建筑高度的增加，位移增大最快

第3页：高层建筑结构的特点及结构类型（续）

因此,在高层建筑结构设计时,不仅要求结构具有足够的强度,而且还要求有足够的刚度,以使结构在水平荷载作用下产生的总侧移值及各层间的相对侧移值控制在容许范围内,保证建筑结构的正常使用功能和安全性。

在地震区,高层建筑结构应具有足够的延性,以保证在地震作用下,结构进入弹塑性阶段后,仍具有抵抗地震作用的足够的变形能力,不致倒塌。综上所述,在高层建筑结构,抗侧力的设计是关键。设计中,既要使结构具有足够强度、刚度要求和良好的抗震性能,还要尽可能提高材料利用率,降低造价。

2高层建筑结构类型高层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、

第4页：结构体系及结构总体布置的一般原则（续）

钢结构、钢一钢混凝土组合结构和混合结构等类型。对于前几种结构类型,我们在前几章中作过介绍,现简单介绍钢一钢混凝土组合结构和混合结构。组合结构是将型钢放在构件内部,外部由混凝土做成(称为钢骨混凝土或劲性混凝土),或在钢管内填充混凝土,做成外包钢构件(称为钢管混凝土)。

混合结构则是部分抗侧力结构用钢结构,另一部分用钢筋混凝土结构,在大多数情况下用钢筋混凝土做剪力墙或筒体,用钢材或型钢混凝土做框架梁、柱。这种结构可以利用两种材料的各自的优点,达到良好的经济技术效果,在我国正广泛应用。

7.2 结构体系及结构总体布置的一般原

第5页：结构体系及结构总体布置的一般原则（续）

结构体系指结构抵抗外部作用的结构构件组成方式。目前在高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架一剪力墙、筒体及它们的各种组合和板柱一剪力墙等。

1. 框架结构体系框架结构是由梁、柱通过节点连接成的框架承受水平和竖向作用的结构体系,如图7-2所示。墙体只起维护和隔断作用。框架结构具有建筑平面布置灵活,能获得较大空间,建筑立面处理容易变化,结构自重轻,在一定高度范围内造价低等优点。缺点是:结构侧向刚度较小,结构顶点位移和层间相对位移较大,在地震作用下,非结构构件(如填充墙、建筑装饰、管道设备等)破坏严重。因此,采用框架结构时,应控制建筑物的层数和高度,以避免为了满足框架刚度和

第6页：图7-2 框架结构

强度的要求,而使梁、柱截面尺寸过大,造成技术经济的不合理设计。

图7-2 框架结构：图7-2 框架结构相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第7页：图7-2 框架结构（续）

我国《高层建筑钢筋混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99一1998)给出了各类钢筋混凝土结构体系、钢结构体系房屋适用的最大高度,现举例列于

表7-1

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表7-1 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度

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第8页：表7-2 钢结构建筑的最大的适用高

表7-2

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钢结构建筑的最大的适用高度根据不同需要,框架结构体系可以有三种不同的布置方案:

1. 横向主框架承重。它的主要承重结构是由横向主梁和柱组成,用纵向连系梁将横向框架连接成整体,

第9页：图7-2 框架结构（续）

如

图7-2：图7-2 框架结构（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

(a)所示。横向主框架承受大部分竖向荷载和横向水平作用,纵向框架仅承受少部分竖向荷载和纵向水平作用。因此,常采用较大截面的横梁来增加框架的横向刚度和抗力,而纵向连系梁的截面高度相对较小。

在实际结构中,此布置方案常采用

2. 纵向主框架承重。纵向的梁和柱组成的纵向框架为主要承重结构,横向布置次梁,如

图7-2：图7-2 框架结构（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

(b)所示。由于大部分竖向荷载由纵向框架承受,横向框架仅承受少部分竖向结构自重和横向水平作用,因此,横向连系梁可采用较小的截面尺寸,这样可使楼层净高有效地被利用,以设置较多的架空管道,故适用于某些工业厂房。

这种布置方案因横向刚度较差,在民用建筑中一般较少采用

第10页：图7-2 框架结构（续）

3. 纵横向框架混合承重。纵、横向框架均为主要承重框架,即纵、横向框架共同承担竖向荷载与水平作用。当柱网平面尺寸接近正方形时,或采用大柱网时,或楼面有较大活荷载时,常采用这种方案。钢筋混凝土框架结构按施工方法可分为现浇框架、预制框架和装配整体式框架。现浇框架的优点是结构整体性和抗震性能好,节省钢材;缺点是现场工作量大,模板消耗多,施工周期长。预制框架的优点是构件可以在工厂预制,质量容易保证,现场施工的工作量少,较现浇框架节省模板并能缩短工期;缺点是增加了框架的结点连接,用钢量大,整体性较差。装配整体式框架的梁板柱可在工厂预制,在施工现场将构件吊装就位,再用现浇混凝土使框架

第11页：连接成整体

连接成整体,因而这种框架兼备了前两种框架的优点。

2. 剪力墙结构体系剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向及水平作用,并作为建筑物的维护及房间分隔构件的一种结构体系,见

图7-3：连接成整体相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。它在自身平面内的刚度大，强度高，整体性较好，在水平荷载及地震作用下侧向变形较小,抗震性能较强。因此,适用于建造较高的高

图7-3 剪力墙结构房屋层建筑：连接成整体相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

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的局限性在于剪力墙间距不能太大,平面布置不灵活,难以满足公共建筑的使用要求;结构的自重也较大。故多用于住宅、公寓、旅馆、办公楼等建筑,目前我国10~30层的高层住宅多采用这种结构体系。

为满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共房间,以及住宅底部布置商场和公共设施的要求,可将剪力墙结构底部一层或几层的部分剪力墙取消,代之以框架,形成底部大空间剪力墙结构和底部大空间、大底盘剪力墙结构。

当把底层做成框架柱时,称为框支剪力墙结构。这种结构体系,由于底层柱的刚度小,上部剪力墙的刚度大,形成上下刚度突变,在地震作用下底层会产生很大的内力和变形，致使使结构破坏严重。因此,在地震区不允许完全

第13页：连接成整体（续）

使用这种框支剪力墙结构，而需设有部分落地剪力墙。

3. 框架—剪力墙结构在框架结构的适当位置增加少量剪力墙,作为抵抗水平作用的主要构件以加强房屋的水平刚度和强度,这种结构体系称为框架一剪力墙结构体系,如图7-4所示。框架和剪力

图7-4 框架—剪力墙结构体系的平面布置：连接成整体（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第14页：墙通过楼盖连系

墙通过楼盖连系,共同工作。其中剪力墙承担大部分水平作用,框架主要承受竖向荷载和较小的一部分水平作用。框架一剪力墙结构发挥了框架结构平面布置灵活,剪力墙结构抗侧力强的特点，框架受力性能得到改善，在我国被广泛采用。

4. 筒体结构体系筒体结构是空间受力体系，筒体为筒状的、封闭截面的薄壁悬臂构件,常见形式如图7-5所示。筒体结构是框架一剪力墙和剪力墙结构的综合和发展,它将抗侧力构件集中到房屋的内部和外围形成空间封闭筒体,使整个结构体系既具有极大的抗侧力刚度,又能获得较大的空间,建筑平面设计具有良好的灵活性。因此,该种体系结构广泛应用于

第15页：图7-5 筒体结构

多功能、多用途、层数较多的高层建筑中,如办公楼、商店及其他综合性服务建筑。

图7-5 筒体结构：图7-5 筒体结构相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

(a)实腹筒;(b)框筒;(c)椅架筒;(d)筒中筒;(e)筒束

第16页：图7-6 ）和巨型框架结构体系

5. 板柱一剪力墙结构体系由无梁楼板与柱组成的板柱框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构体系称为板柱一剪力墙结构体系。此结构体系主要由剪力墙承受侧向力,柱承受竖向荷载的大部分。其适用高度宜低于一般框架结构。除了上述几种主要结构体系之外,近年来还出现了一些其他结构体系,如悬挂结构体系（

图7-6 ）和巨型框架结构体系：图7-6 ）和巨型框架结构体系相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

图7-7：图7-6 ）和巨型框架结构体系相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

）。悬挂结构体系是以筒体、刚架、桁架和拱等作主要承重结构,全部楼盖均以钢丝束或预应力混凝土吊杆悬挂在上述主要承重结构上(一般每段吊杆悬挂10层左右)。这种结构充分利用高强材料的抗拉强度,集中使用主要承重结构,具有自重轻、

第17页：图7-6 悬挂结构体系

有效面积比高、节省材料等优点。巨型框架结构体系是将房屋每隔几层或十几层为一段划分为若干段,每段设一巨大

图7-6 悬挂结构体系：图7-6 悬挂结构体系相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第18页：巨型框架结构体系

的传力梁(梁高一般为1~2层楼高)与巨大的房屋角柱形成主承重框架或支撑在筒体上。巨型框架承受主要的水平和竖向作用,其余楼层由小框架组成,它不抵抗侧向力,主要承受各楼层竖向荷载,并将其传到巨型梁上。

这样,房屋中的绝大多数柱只有几层或十几层高,因而柱的截面尺寸大都较小,使建筑布置更加灵活、合理,结构上也可作到受压材料集中使用。上述结构体系的运用要根据房

图7-7 巨型框架屋性质、高度和所承受的外部：巨型框架结构体系相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第19页：巨型框架结构体系（续）

作用，特别是水平作用的大小等因素来选择。每种结构体系的适用高度是不同的，勉强地将一种结构体系应用于其他高度,将是不经济的。具体采用哪一种结构体系应根据建筑物所在地的实际情况综合考虑确定。

2结构总体布置的一般原则

1. 结构平面布置在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则,刚度及承载力分布均匀。不宜采用严重不规则的平面布置。平面宜简单、规则、对称、减少偏心;平面长度L不宜过长,突出部分长度l不宜过大,见

图7-8：巨型框架结构体系（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

表7-3 要求

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2. 结构竖向布置

第20页：图7-8 建筑平面

表7-3

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图7-8 建筑平面l的限值：图7-8 建筑平面相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第21页：图7-8 建筑平面（续）

高层建筑的竖向体形宜规则、均匀、避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构。为了使房屋具有必要的抗侧移刚度、整体稳定、承载能力和经济合理,房屋的高宽比不宜太大,应满足一定要求。

上述各方面具体规定详见有关规程。

3. 缝的设置在多层与高层建筑中,为防止结构因温度变化和混凝土收缩而产生裂缝,常隔一定距离用伸缩缝分开;在高层和低层部分之间,由于沉降不同,可由沉降缝分开;在抗震设防地区,建筑物各部分层数、质量、刚度差异过大,或有错层时,也用防震缝分开。高层房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距以内,

第22页：图7-8 建筑平面（续）

现行规程最大伸缩缝间距如

表7-4 所示

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表决7-4伸缩缝的最大间距当房屋长度超过以上规定时,可设伸缩缝将房屋划分为两段或若干段。高层建筑设置伸缩缝往往给建筑结构和建筑构造带来困难,所以对长度超过容许值不多的房屋常不设缝,而是通过温度与收缩应力计算,适当增加结构配筋的办法来加强,并可通过建筑、结构或施工的办法来减小结构中的温度与收缩

第23页：高层建筑结构的荷载

应力。目前工程设计中也大都倾向于不设抗震缝。

4. 基础设计一般原则高层房屋的基础应力求类型、埋深一致,且基础本身刚度宜尽可能大些。箱形基础及筏式基础是高层建筑结构常用的形式。当采用桩基时,应尽可能采用单根、单排大直径桩或扩底墩,使上部结构的荷载直接由柱或墙传至桩顶;基础底板因受力较小可以做得较薄,如果采用多根或多排小直径桩,基础底板就会因受到较大弯矩和剪力而需增大厚度。

7.3 高层建筑结构的荷载

活荷载、雪荷载和施工荷载,一般不考虑竖向地震作用;水平作用包括风荷载和水平地震作用。

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1竖向荷载竖向荷载中的施工荷载可按实际情况确定,如无特殊情况,一般可取0.5~1.0kN/m2;楼面使用活荷载和雪荷载,可按《建筑结构荷载规范》GB50009—2001(以下简称《荷载规范》)的规定取值,但应注意高层房屋使用活荷载的折减问题。

如在设计住宅、公寓、旅馆、办公楼等的墙、柱和基础时,楼面使用荷载应按

表7-5 折减

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表7-5 活荷载按楼层的折减系数

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第25页：高层建筑结构的荷载（续）

房屋使用过程中活荷载同时在各楼层满布的可能性很小。其他民用房屋结构构件的活荷载折减可参阅《荷载规范》第4.1.2条的有关规定。2风荷载高层建筑的侧向作用除了地震作用以外,主要是风荷载,在荷载组合时往往起控制作用。

风受到地面上各种建筑物的阻碍和影响,风速会改变,并在建筑物的表面形成压力和吸力,即风荷载。风力在整个建筑物表面的分布情况随房屋尺寸的大小、体形和表面情况的不同而异,并随风速、风向和气流的不断变化而不停地改变着。

在实际工程设计中,通常将风荷载看成等效静力荷载。

1. 风荷载标准值及基本风压

第26页：高层建筑结构的荷载（续）

速vo(m/s)为标准,按确定的风压1600/0026垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算以下分别介绍各参数。

1. 基本风压基本风压系以当地具有代表性的空旷平坦地面上离地10m高统计所得的50年一遇10min平均最大风值。可由《荷载规范》附表D.4查取,但不得0.3kN/m2。一般高层建筑的基本风压按上述规定取值,对于特别z式中wk一风荷载标准值,kN/m2;µs一风荷载体形系数;µz一风压高度变化系数;βz−−高度处的风振系数。w0一基本风压,kN/m2;wk=βzµsµzw02

第27页：高层建筑结构的荷载（续）

重要或对风荷载比较敏感的高层建筑,其基本风压应按100年重现期的风压值选取。

2. 风荷载体形系数风荷载体形系数不但与建筑物的平面外形、高宽比、风向与受风墙面所成角度有关,而且还与建筑物的立面处理、周围建筑物的密集程度及其高低等有关。当风流经建筑物时,对建筑物的不同部位会产生不同的效果,即产生压力和吸力。空气流动所产生的涡流,对建筑物的局部则会产生较大的压力或吸力。图7-9为某

图7-9 风压分布建筑物实测结果：高层建筑结构的荷载（续）相关示意图，配合本页文字理解其构造与受力关系。

第28页：高层建筑结构的荷载（续）

示意图,由此可得出大致规律:

1. 整个迎风面上均受压,其值中部最大,向两侧逐渐减小。在一定高度范围内风压沿高度方向变化很小,近似为矩形分布。
2. 整个背风面上均受吸力,两侧大,中部较小,其平均值约为迎风面平均值的75%左右。在一定高度范围内风压沿高度方向变化很小,近似为矩形分布。
3. 整个侧面,在正向风力作用下,全部受吸力,约为迎风面风压的80%左右。风荷载体形系数的具体取值,可按《荷载规范》及有关资料查取。
4. 风压高度变化系数风压沿高度的变化通过风压高度变化系数体现,应按地面粗糙类别按《荷载规范》中表7.2.1取值。

第29页：高层建筑结构的荷载（续）

4. 风振系数风对建筑物的作用是不规则的,通常把风作用的平均值看成稳定风压(即平均风压),实际风压是在平均风压上下波动的,平均风压使建筑物产生一定侧移,而波动风压使建筑物在平均侧移附近振动。对于高度较大、刚度较小的高层建筑,波动风压会产生不可忽略的动力效应,使振幅加大,设计中必须考虑。目前采用加大风载的办法来考虑这一动力效应,即在风压值上乘以风振系数。具体计算见《荷载规范》7.4。
5. 总风荷载和局部风荷载在建筑结构设计时,应使用总风荷载计算在风荷载作用下结构的内力和位移。总风荷载是建筑物各个表面承受的风力的合力,也是沿建筑高度变化的线

第30页：高层建筑结构的荷载（续）

wz=βzµz∑µsiBicosαiw0荷载。通常按两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。如果建筑物具有n个表面,则可得总风荷载的计算公式为（7-3）式中n一建筑物外围表面积总数(每一个平面作ni=1αi=90o,即风αi=0为一个表面积）；Bi一各表面宽度;µsi一各表面的风载体形系数;αi一各表面法线与风作用方向的夹角。

由上式可知,当建筑物某个表面与风作用方向垂直时,有αi=0,即cosαi=1，这个表面的风压全部计入总荷载;当建筑物某个表面与风作用方向平行时,有这个表面的cos压不计入总荷载;30

第31页：高层建筑结构的荷载（续）

其它情况都应计入该表面上风力在作用方向的投影值。各表面风荷载的合力作用点,即为总风荷载的作用点。

2. 局部风荷载验算围护结构及其连接件的强度时,可采用局部风荷载体形系数。详见《荷载规范》7.3.3规定。由于地震作用涉及的内容较多,此处不作介绍,同学们可参阅有关建筑抗震设计的书籍。思考题7-1荷载效应(轴力、弯矩和侧移)的最大值与建筑结构高度有何关系?随着建筑高度的增加,控制结构设计的因素怎样变化?7-2高层建筑中常采用哪些结构体系?试述每一种结构体系的受力特点和适用的最大高度。7-3高层建筑结构的平面和竖向布置应注意哪些问题?

第32页：附录题型举例一

附录题型举例一、简答题（45%）

1. 钢筋混凝土梁正截面破坏形态有哪几种？
2. 预应力混凝土构件的预应力损失有哪几项？二、单项选择题（20%）
3. 钢筋混凝土梁中弯起钢筋筋的作用之一是（）。A、斜截面抗剪C、正截面抗弯B、斜截面抗弯D、正截面抗压三、计算题（35%）
4. 钢筋混凝土简支梁净跨6m，承受均布荷载设计值30kN/m，截面尺寸b×h=200mm×550mm，as=35mm，混凝土强度等级C30（fc=14.3kN/mm2,ft=1.43kN/mm2），采用双肢8@100（Asv1=50.3mm
5. 箍筋HPB235级（fyv=210N/mm2）。

第33页：附录题型举例一（续）

说明：钢筋混凝土结构（约50%）；砌体结构（约15%）；钢结构（约15%）；地基基础（约15%）；高层建筑结构（约5%）。答疑电子信箱:csh1954@126.com