1、高层建筑结构体系 与布置原则,本章内容,2.1 基本概念 2.2 高层建筑的结构体系 2.3 高层建筑结构的布置原则,2.1 基本概念,结构体系：指结构抵抗外部作用的构件的组成方式 高层建筑中基本的抗侧力单元有框架、剪力墙、实腹筒(又称井筒)、框筒及支撑。由这几种单元可以组成多种结构体系 结构体系有： 框架结构体系 剪力墙结构体系 框架剪力墙结构体系（框架筒体结构体系） 筒体结构体系 其他形式如：板柱剪力墙结构、框架支撑(抗震墙板)结构、竖向桁架结构、核心筒加复合巨型柱结构等,2.2 高层建筑的结构体系,1.框架结构 由梁、柱构件组成的结构称为框架 整幢结构都由梁、柱组成，就称为框架结构体系，
2、有时称为纯框架结构,框架结构体系的常见布置形式,Pacific Park Plaza 公寓标准层平面,昆明工人文化宫,1. 分类 按材料不同分为：钢、钢筋混凝土、钢骨(型钢)混凝土、钢管混凝土等 钢筋混凝土框架按施工方法的不同，可分为：现浇框架、半装配式框架、全装配式框架等,2. 框架结构的特点 建筑平面布置灵活； 立面设计灵活多变；（外墙是非承重构件，立面可任意划分） 构件类型少，易于标准化、定型化。 具有较好的抗震性能“延性框架”； 梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，限制了框架结构的使用高度。以1520层以下为宜,3. 框架结构的布置要求 (1)承重框架的布置 承重框架指承受楼面竖向荷载的框
3、架 框架结构承重方案有 横向框架承重方案 纵向框架承重方案 纵横向框架混合承重方案,框架结构承重方案,横向框架承重方案,纵向框架承重方案,纵横向框架承重方案,(2)结构布置要求 应设计成双向框架 抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架 框架梁、柱中心线宜重合 结构应受力明确，构造简单 抗震设计时，不应采用部分由砌体墙承重 电梯井贴梁柱布置，不得独立 填充墙应位于框架平面内，并受柱约束 现浇框架梁、柱、节点的混凝土强度等级，按一级抗震等级设计时，不应低于C30；按二四级和非抗震设计时，不应低于C20 现浇框架梁的混凝土强度等级不宜大于C40；框架柱的混凝土强度等级，抗震设防烈度为9度时不宜大于C60
4、，抗震设防烈度为8度时不宜大于C70,4. 框架结构在水平荷载作用下的受力变形特点 (1)柱和梁的弯曲变形产生剪切型：下部的梁、柱内力大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小 (2)柱的轴向变形产生弯曲型：这种侧移在上部各层较大，愈到底部层间变形愈小 (3)框架结构中第一部分侧移是主要的，随着建筑高度加大，第二部分变形比例逐渐加大，但合成以后框架仍然呈现剪切型变形特征,2. 剪力墙结构体系利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。墙体同时也作为维护及房间分隔构件,剪力墙结构典型布置,剪力墙结构布置举例,上海花园饭店,底部大空间剪力墙结构(立面),1. 剪力墙结构体系
5、的特点 承载力要求容易满足(截面尺寸大) 整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小(现浇钢筋混凝土剪力墙结构)，适合于建造较高的高层建筑(1030层，100140m) 抗震性能好延性剪力墙结构 平面布置不灵活，(剪力墙的间距取决于楼板的跨度。一般情况下剪力墙间距为38m，适用于要求较小开间的建筑) 结构自重较大,2. 剪力墙结构体系的布置要求 (1)结构布置原则 剪力墙应沿结构的主要轴线布置 剪力墙应沿竖向贯通建筑物的全高 剪力墙的厚度应按阶段变化，每次厚度减少宜为50l00mm 剪力墙的洞宜上下对齐，成列布置，避免小墙肢（hw/bw3） 墙段的高宽比应2(呈受弯工作状态) 每一墙肢的宽度
6、不宜8m,剪力墙结构布置,剪力墙的墙段,(2) 平面布置方案 横墙承重方案：楼板支承在横向剪力墙上 纵横墙承重方案：楼板直接支承在纵横向墙上或通过进深大梁传递 底层大空间剪力墙方案 特点：框支墙上下刚度相差悬殊，不利抗震 要求： 不允许单独采用框支剪力墙 控制建筑物沿高度方向的刚度变化幅度 落地剪力墙的间距L应满足一定要求 提高转换层附近楼盖的强度及刚度,(3) 剪力墙的构造 剪力墙的间距：3m7.2m 剪力墙的厚度： a.构造要求(规范规定)： bw160mm及h/20 小墙肢墙肢截面高度与厚度之比hw/bw3的剪力墙 短肢剪力墙即：hw/bw= 58的剪力墙 一般剪力墙是指hw/bw8的剪
7、力墙 异形柱 截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比hw/bw4的柱(剪力墙) b.墙肢轴压比N限制：抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.45、0.5、0.55,3. 剪力墙的受力变形特点 在承受水平荷载作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁 剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成 高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，特点是结构层间位移随楼层增高而增加,3. 框架剪力墙结构体系 在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，共同抵抗水平荷载，就组成了框架剪力墙结构体系 (如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架筒体结构体系) 剪力墙将承担大部分水平力(有
8、时可达8090)，是抗侧力的主体 框架主要承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力,北京饭店,1. 结构布置要求 框架剪力墙结构平面布置要注意以下方面问题： 剪力墙数量 剪力墙位置 框架、剪力墙的设置要求 剪力墙间距,（1）剪力墙数量 当每m2楼面平均剪力墙长度少于50mm时，震害严重；多于150mm时，破坏极轻微，甚至无震害 当平均压应力=G/(Ac+Aw)1.2Mpa，壁率大于5000mm2/m2时，无震害。两个条件均不满足时，严重震害 剪力墙的合理数量：兼顾抗震性和经济性两方面的要求在满足侧移和舒适度的前提下剪力墙尽量少,（2）剪力墙的位置 剪力墙布置，应遵循“对称、均
9、匀、分散、周边”的原则 竖向荷载较大处 建筑物端部附近 平面形状变化处 楼梯、电梯间等,（3）框架、剪力墙的设置要求 框架应在各主轴方向均做成刚接 剪力墙应沿各主轴布置(在非抗震设计，层数不多的长矩形平面中，允许只在横向设剪力墙) 纵横向剪力墙宜合并布置为L形、T形和H字形 合理调整剪力墙的长度,（4）剪力墙的间距以限制LB比值作为保证楼盖刚度的主要措施。JGJ32010高层建筑混凝土结构技术规程，以后简称高层规程，规定的剪力墙间距见下表：,2. 框架一剪力墙结构体系的变形特点 框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形 剪力墙则呈弯曲型变形 当两者通过楼板协同工作，侧向变形将呈弯剪型 其上下各层层
10、间变形趋于均匀,4. 筒体结构 （1） 筒体基本形式 基本抗侧力单元有三种： 实腹筒 框筒 桁架筒 承重结构形式有： 框架-筒体结构 筒中筒结构 成束筒结构等,(a)实腹筒 (b)框筒 (c)桁架筒,实腹筒：用剪力墙围成的筒体称为实腹筒(洞口很小) 框筒：在实腹筒的墙体上开出许多规则排列的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体 框筒构造 柱中距为1.23.0m 横梁跨高比为2.54，当横梁尺寸较大时，柱间距亦可相应加大 角柱面积约为其他柱面积的1.52倍 孔洞面积不大于立面面积的50%,框筒受力特点： 形成受拉翼缘框架和受压翼缘框架 剪力
11、滞后现象：角柱轴力大于平均值，远离角柱的各柱力小于平均值 ；腹板框架各柱轴力分布不是直线规律。剪力滞后现象愈严重，参与受力的翼缘框架柱愈少，空间受力特性越弱,框筒结构剪力滞后现象,桁架筒：筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成。 采用若干个建筑层高作为桁架的节间距，以若干个建筑开间作为桁架的弦杆间距，形成巨型桁架，四片桁架围成桁架筒 一般采用钢结构。可作为高层建筑的承重结构，同时承受竖向荷载和水平力 钢桁架筒结构的刚度大，比框筒结构更能充分利用建筑材料，适用于更高的建筑,芝加哥John Hancock 大厦,2、筒体受力特点 筒体最主要的特点是它的空间受力性能 在水平力作用下都可看成固定于基础
12、上的箱形悬臂构件 比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度,3、筒体结构布置方式 （1）框架筒体结构 内部实腹筒体(电梯井、楼梯间等)，外围布置框架,（2）筒中筒结构筒中筒结构是上述筒体单元的组合，通常由实腹筒做内部核心筒，框筒或桁架筒做外筒，两个筒共同抵抗水平力作用,北京国贸中心,筒中筒结构的受力特点： 在水平力作用下，外框筒以剪切型变形为主，内筒以弯曲型变形为主，在楼盖的作用下，两者位移需协调，其侧移曲线为弯剪型 在下部，核心筒承担大部分剪力；在上部，剪力转移到外筒 筒中筒结构抗侧、抗扭刚度大，层间变形均匀。外筒主要抵抗倾覆力矩及扭距，内筒主要抵抗水平剪力 在水平力作
13、用下，外框筒也有剪力滞后现象,（3）多筒体系束筒 两个以上框筒(或其他筒体)排列在一起成束状西尔斯大厦 束筒结构的特点: 束筒结构的腹板框架数量较多，使翼缘框架与腹板框架相交的角柱增加，大大减小剪力滞后，充分发挥筒体结构的空间作用 束筒结构的腹板框架数量较多，使翼缘框架与腹板框架相交的角柱增加，大大减小剪力滞后，充分发挥筒体结构的空间作用,西尔斯大厦平面及筒体变化,成束筒结构剪力滞后现象,5. 巨型结构 （1） 巨形框架结构 巨形框架结构的受力特点 水平荷载主要由巨形框架承担或由巨形框架和核心筒共同承担 次框架仅承受竖向荷载，并传至巨形框架上，再由巨形框架柱传至基础,巨形框架结构,巨形框架结构
14、实例,巨形框架结构实例（台北101大厦）,（2）巨形空间桁架结构 整栋结构用巨柱、巨梁和巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架，相邻立面的支撑交汇在角柱，形成巨形空间桁架结构 空间桁架可以抵抗任何方向的水平力，且水平力产生的层剪力由支撑斜杆的轴向力抵抗，可以最大限度地利用材料,巨形空间桁架结构实例（香港中国银行大厦）,2.3 高层建筑结构布置原则,1. 最大适用高度 规程中将混凝土高层建筑分为了两级，即常规高度的高层建筑(A级)和超限高层建筑(B级)，分别给出了其适用的最大高度 2. 高宽比限值 为了宏观控制结构的刚度、稳定和承载力,规范限制了高层建筑的最大高宽比。分别按钢筋混凝土常规建筑(A级) 和
15、超限高层建筑(B级) 、钢结构及混合结构限制,各种钢筋混凝土结构体系的适宜高度范围,3. 结构的平面布置 平面布置简单、规则、对称对抗震有利 要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减少扭转，通常偏心距e不宜超过垂直于外力作用线边长的5 刚度要均匀对称，要注意钢筋混凝土剪力墙的位置，也要注意砖填充墙的位置 凸出部分的尺寸不宜太大 应避免在拐角、端部等处布置楼电梯间,5.变形缝 （1）伸缩缝及减小温度收缩影响的措施 设后浇带 设控制缝：人为控制其位置，使裂缝有规律的发生在对结构和建筑影响最小的部位 局部设伸缩缝：在上面或下面几层局部设缝(约14全高),从布置及构造方面采取措施减少温度应力的影响：
16、 屋顶采取有效的保温隔热措施 屋面做成高低错落的屋顶 外墙注意保温隔热措施 在温度变化影响较大和对温度应力比较敏感的部位提高配筋率。如顶层、底层、山墙、内纵墙端开间 不要在长建筑物的端部设置刚度很大的纵向剪力墙,（2）沉降缝及减少沉降危害的措施 设置位置：所有可能产生不均匀沉降处 土质松软，土层变化较大处 基础标高相差过大，基础类型不同，地基处理不同处 房屋层数、高度、荷载或刚度变化过大处 上部结构类型、体系不同处,减少沉降危害的措施 “放”设沉降缝，让各部分自由沉降 “抗”不考虑永久设缝要求 “调”在设计中采取措施，调整各部分沉降，减少其差异，降低由沉降差产生的内力,(1)利用压缩性小的地基
17、 减小总沉降量及沉降差。当土质较好时，可加大埋深，利用天然地基，以减小沉降量。当地基不好时，可以用桩基 (2)采用后浇施工缝 高低部分的结构及基础设计成整体，但在施工时将它们暂时断开，待主体结构施工完毕，已完成大部分沉降量(50以上)以后再浇灌连接部分的混凝土，将高低层连成整体。这种缝称为后浇施工缝 (3)将裙房做在悬挑基础上 这样裙房与高层部分沉降一致，不必用沉降缝分开。这种方法适用于地基土软弱、后期沉降较大的情况,（3）防震缝 目的：对布置不规则的建筑物避免造成震害 原则：不分则已，分则彻底 要求：防震缝的最小宽度要求 框架房屋，当高度不超过15m时可采用70mm；当超过15m时，6、7、
18、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm框架一剪力墙房屋的防震缝宽度可按第一款最后数值的70，剪力墙房屋的防震缝宽度可按第一款最后数值的50，同时均不宜小于70mm 防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度按不利的体系考虑，并按较低高度计算缝宽 防震缝应沿房屋全高设置，地下室、基础可不设防震缝，但在防震缝处应加强构造和连接,设置位置：在房屋的下列部位应设防震缝：(1) 建筑平面突出部分较长而又没有采取加强措施处(如L形、T形、I形、H形、U形平面等)；(2) 房屋有错层，且楼面高差较大处；(3) 房屋各部分的刚度、高度及重量相差悬殊处。 避免设缝的方法：高层建筑设缝而缝的宽度
19、不足时，在地震作用下便容易遭受破坏。 第一要避免设缝， 第二是如果必须设缝，就要给予足够的宽度。 避免设缝的方法是： （1） 优先采用平面布置简单、长度不大的塔式楼； （2） 在体型复杂时，采取加强结构整体性的措施而不设缝,6. 高层建筑基础 （1）要求： 要求有承载力较大的、沉降量较小的、稳定的地基 有稳定的、刚度大而变形小的基础 要防止倾覆和滑移，也要尽量避免由地基不均匀沉降引起的倾斜 （）特点： 高层建筑的基础埋深应当大一些，这是因为： 较深的土壤承载力大而压缩性小，稳定性较好。 基础周围的土壤有一定的嵌固作用，能提供部分水平反力。 减小地震反应（在较深处的地震波幅值较小，接近地面幅值增
20、大）,（）基础类型 高层建筑的基础类型有：筏基、箱基和桩基等 基础底面积的形心，应与上部结构永久荷载的合力中心相重合 （4）基础埋深： 高层规程中规定，基础应有一定的埋置深度，埋深由室外地坪至基底计算。 一般天然地基，可取建筑物高度(室外地面至主体结构檐口或屋顶板面的高度)的1/15,且不小于3m； 岩石地基，埋深不受上条的限制，但应验算倾覆。必要时还应验算滑移。当不满足时，应采取有效措施以确保建筑物的稳固。如采用地锚等措施； 有桩的基础，可取建筑高度的1/20，但桩长不计在内,5基础底板厚度：基础底板厚度t可由平均反力按下表确定,课程结束，谢谢听讲！,高层建筑结构设计,湖北工业大学土木工程与建筑学院,
