《高层结构总复习》PPT课件.ppt

高层建筑结构设计,Structure Design of High-rise Building,深圳大学 土木工程学院 2011-2012第二学期,内容回顾,第1章 概 论,主要内容,1.1 建筑结构设计中的总体问题 1.2 高层建筑的定义 1.3 高层建筑的类型 1.4 高层建筑的发展概况 1.5 高层建筑结构的设计特点,通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。,1.2 高层建筑的定义,定义,2）我国： （1）高层民用建筑设计规范GB50045-95 和高层民用建筑设计防火规范 GBJ50045-2002和 规定： 10层的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）或24m的公共建筑。 （2）高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）规定：10层 或 28m；（本课程内容的依据）,1、水平荷载成为设计的决定性因素 1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比； 2）水平荷载产生的倾覆力矩与高度的二次方成正比。,1.5 多层与高层建筑结构的特点,2、侧移成为设计的控制指标 1）结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比； 2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系； 过大侧移会使人产生不安全感； 使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用； 因P-效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。 3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大 的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。,4、延性成为结构设计的重要指标 1）延性表示构件和结构屈服后， 具有承载能力不降低、具有足够塑 性变形能力的一种性能。 2）延性系数：用来衡量延性的大小。 3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。 4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。,第二章 结构选型与结构布置,2.1 高层建筑结构设计中的基本原则 2.2 高层建筑的结构选型 2.3 高层建筑的结构布置,2.2 高层建筑的结构选型,竖向承重结构选型（抗侧力体系） 高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、框剪、筒体等，由它们可以组成多种结构体系。 框架 剪力墙 筒体 水平承重结构选型（楼板体系） 单向板、双向板、井式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖 基础结构选型 独立基础、条形基础、筏形基础、箱型基础、桩基础,带加强层的高层建筑结构,2.2.1 框架结构体系 定义：房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。,框架结构特点,平面布置灵活，可形成较大的使用空间 施工简便，较经济 抗侧刚度小，侧移大 对支座不均匀沉降较为敏感,2.2.2 剪力墙结构体系,定义：房屋竖向承重结构全部由剪力墙组成。,剪力墙结构平面图,剪力墙结构特点,抗侧刚度大，侧移小 室内墙面平整 平面布置不灵活 结构自重大，地震作用大 施工较麻烦，造价较高,剪力墙侧向变形,结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间（一般剪力墙间距38m）。,定义：为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系。,2.2.3 框架剪力墙结构体系,受力变形特点： 注：在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而下逐层增大；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐层减小。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。,优点： 兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于 1020 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。 框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置： 与建筑功能相结合 数量不宜过多，以满足位移限值为宜 均匀对称，质量中心与刚度中心接近；外围布置，可以加强结构的抗扭作用,2.2.6 各种结构体系的 最大适用高度和最大高宽比,A级高度与B级高度 对B级高度的高层建筑，采用更严格的计算和构造措施，且须通过抗震专项审查 平面和竖向不规则结构及类场地土上的结构，最大适用高度应适当降低,高层建筑楼面结构选型,2.3 高层建筑的结构布置,高层建筑结构的平面布置 高层建筑结构的竖向布置 高层建筑结构的变形缝设置,平面布置,规则性 平面宜简单、规则 平面长度不宜过长 突出部分宜减小 凹角部分应采取加强措施 对称性 核心筒位置要居中或对称 抗震墙沿房屋周边布置（较大抗扭刚度和抗倾覆能力）,规范：平面不规则类型,第一类：扭转不规则,第二类：凹凸不规则,第三类：楼板局部不连续,竖向布置,立面变化要均匀 避免“柔弱”底层 顶层大厅的改善,立面变化要均匀,规范：竖向不规则类型,第一类：侧向刚度不规则,第二类：竖向构件不连续,第三类：楼层承载力突变,第三章 荷载与地震作用,3.1 高层建筑结构上的作用类型 3.2 恒载 3.3 楼面活荷载 3.4 屋面活荷载 3.5 雪荷载 3.6 风荷载 3.7 地震作用,3.6 风荷载,1、基本风压 我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高，统计所得的 50 年一遇 10 分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于 0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。,3 风荷载体型系数s,1）风压分布系数风压与体型的关系 2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。 3）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关。,3 风荷载体型系数s,4）风压的空间不均匀性 5）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验,迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。,5 总风荷载标准值(KN/m),建筑物每个表面的风荷载 沿建筑物高度总风荷载,总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。,6 楼层风荷载合力,集中于楼层标高处的风荷载合力,第四章 设计计算的基本规定,结构计算的一般规定 重力二阶效应和结构稳定 作用效应组合 构件承载力计算 抗震等级 水平位移验算 罕遇地震下的弹塑性变形验算,4.1 结构计算的一般规定,计算原则 内力、位移弹性；截面设计材料弹塑性 重力二阶效应 复杂结构验算地震下薄弱层的弹塑性变形 框架梁、连梁可考虑塑性内力重分布 计算模型 尽量采用空间分析模型 复杂高层和不规则结构应至少采用两个不同力学模型的结构分析软件,电算结果简单判断 结构整体位移 楼层剪力 振型形态 自振周期 超筋超限 几个比值：轴压比、剪重比、刚度比、剪承比、位移比、周期比、刚重比（稳定性）、有效质量比。,电算结果简单判断 轴压比,电算结果简单判断 剪重比,电算结果简单判断 刚度比,抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。,电算结果简单判断 剪承比,4.4.3 A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。,5.1.14 对竖向不规则的高层建筑结构，包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%，或某楼层竖向抗侧力构件不连续，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。,电算结果简单判断 位移比,4.3.5 结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。,电算结果简单判断 周期比,4.3.5 结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。,电算结果简单判断 刚重比（稳定性）,构件刚度 楼盖屋盖刚度 现浇混凝土楼盖可视为水平放置的深梁，平面内无限刚； 开洞等不规则楼面，楼板刚度可等效为剪弯水平梁的简化法计算； 按无限刚计算时，需对削弱部位的构件内力放大，加强配筋。 连梁刚度 刚度小，配筋大；可允许适当开裂，把内力传到墙体上；通常做法是对连梁计算内力进行折减；6、7度时折减系数取0.7；8、9度取0.5；但不宜小于0.5。 楼面梁抗扭刚度 应对梁的计算扭矩给与适当的折减；大于0.4。 地下室顶板刚度 考虑地下室的嵌固作用需要满足相应的条件：侧向刚度大于上部结构的2倍；采用现浇梁板结构；板厚度大于180mm等。,4.2 重力二阶效应和结构稳定,重力二阶效应的概念 P-效应：构件自身挠曲引起的附加重力效应 P-效应：结构在水平风荷载或水平地震作用下产生侧移后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应 高层建筑结构稳定设计，主要控制P-效应对结构性能降低的影响以及由此可能引起的结构失稳 重力二阶效应的考虑方法 简化的有限元法 内力和位移增大系数方法（JGJ3-2002采用方法）5.5.4,刚重比与侧向位移增幅关系曲线,剪切型结构（框架结构） ，可保证P-效应影响在20%之内,刚重比与侧向位移增幅关系曲线,弯剪型结构（剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构） ，可保证P-效应影响在20%之内,不考虑P-效应的条件,弯剪型结构（剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构） ，可保证P-效应影响在5% 之内，可不考虑； 剪切型结构（框架结构） ，可保证P-效应影响在5%之 内，可不考虑。,4.3 作用效应组合,无地震作用效应组合时,公式要熟记！,4.3 作用效应组合,地震作用效应组合时,公式要熟记！,4.4 构件承载力计算,无地震作用组合时 有地震作用组合时,抗震等级,延性要求抗震等级抗震措施,抗震等级,延性要求抗震等级抗震措施,4.5 水平位移验算,过大层间位移的危害： 非结构构件的损伤 主结构的附加内力，加速倒塌,层间位移角：层间位移与层高之比,4.5 水平位移验算,目的：,一般结构用的防倒塌设计要求,防倒塌设计的难度和代价很大，一般结构只进行防连续倒塌的概念设计：如加强楼梯、避难室、底层边墙、角柱等重要部位；在关键要害区域设置缓冲装置（防撞墙、裙房等）或泄能通道（开敞布置或轻质墙体、轻质屋盖等）；布置分割缝以控制倒塌范围；增加关键部位的冗余约束及备用传递途径以定性设计的方法增强结构的防连续倒塌的能力。,倒塌可能引起严重后果的、安全等级为一级的可能遭受袭击的重要结构，以及为抵御灾害作用面必须增强抗灾能力的结构宜进行定量设计。 本条给出了设计方法：,1、局部加强法 2、拉结构件法 3、拆除构件法,第五章 高层框架结构设计,结构布置 梁、柱截面尺寸估算 计算简图 竖向荷载下的内力计算方法（分层法） 水平荷载下的内力计算方法（反弯点法、D值法） 水平位移验算方法 内力组合方法 承载力计算方法 构造要求,结构布置,双向布置框架，梁柱刚接，不宜铰接 合适的柱网尺寸 不宜大于10m10m 偏心距大于该方向柱宽的1/4时,增设梁的加腋,一般原则:,结构布置,慎用单跨框架 超静定次数少,一旦出现塑性铰,容易连续倒塌 避免砌体墙承重与框架承重的混合体系 抗侧力刚度、变形能力相差较大 注意填充墙对结构的不利影响 上下层填充墙布置的差异造成层间刚度的差异，形成薄弱层， 如底层； 窗台墙容易造成短柱的出现； 布置不均匀造成刚度偏心；,注意事项:,梁、柱截面尺寸估算,梁尺寸用跨度估算 结构分析时必须考虑现浇楼板对梁刚度的增大，一般简单采用中梁刚度放大系数（2.0或1.5）,柱尺寸根据轴压比估算，不同抗震等级采用不同的限值，即对轴压比的限制,梁的抗弯刚度 柱的抗弯刚度,梁截面惯性矩,柱截面惯性矩,梁线刚度,柱线刚度,竖向荷载下的内力计算方法（分层法）,基本假定 竖向荷载下，框架侧移可忽略不计 每层梁上的竖向荷载对其它层的影响可忽略不计,分层法,修正一：除底层外，各层柱的线刚度乘以0.9 修正二：除底层外，各层柱的传递系数由1/2改为1/3 各开口框架计算的弯矩图叠加为最终弯矩图，节点不平衡弯矩分配一次,分层法,所有构件均可采用弹性刚度。 考虑梁端塑性内力重分布，对负弯矩进行调幅，调幅系数：现浇框架：0.80.9；装配式框架：0.70.8。 调幅后按照平衡条件计算跨中弯矩。跨中弯矩不小于简支跨中弯矩一半。 竖向荷载下的弯矩先调幅，后组合。 楼面活载大于4kN/m2，需考虑活载不利布置。,分层法计算例,计算各杆件的相对线刚度 分别计算顶层、中间层和底层开口框架的弯矩图 叠加各弯矩图得到总弯矩图,水平荷载下的内力计算方法 （反弯点法）,反弯点：M=0，V0 框架弯矩图要解决 几个问题： 1、各柱V的大小； 2、柱反弯点的位置； 3、由柱端弯矩求梁端弯矩,柱反弯点的位置与“反弯点法”的假设,反弯点位置与柱上下端的约束条件（转角）有关 “反弯点法”关于反弯点位置的假设：除底层外各层柱端转角相等，底层柱反弯点在2/3层高处，其它层反弯点在1/2层高处,“反弯点法”中柱抗侧刚度的计算 “反弯点法”的假设,柱抗侧刚度：柱顶产生单位位移 所需的水平力（柱的剪力） “反弯点法”关于柱抗侧刚度的假设：假设柱两端转角为0，即认为梁刚度为无穷大,反弯点处剪力的计算 （楼层总剪力按抗侧刚度分配给各柱）,基本假定：同层各点侧移相等（楼面刚度无穷大）,框架弯矩的计算,柱端弯矩：柱剪力 X 反弯点至柱端距离 梁端弯矩：根据节点平衡和梁线刚度分配,“反弯点法”总结,计算步骤 1、确定各柱反弯点的位置 2、计算各层、各柱反弯点处的剪力 3、计算柱端弯矩和梁端弯矩 适用范围：梁线刚度/柱线刚度3，一般为多层框架,“反弯点法”例题,水平荷载下的内力计算方法 （改进的反弯点法D值法）,反弯点法的缺点 1、柱的反弯点位置是个定值 2、柱的抗侧刚度只与柱的线刚度及层高有关 D值法的改进之处 1、柱的抗侧刚度的修正（考虑梁、柱刚度比） 2、柱的反弯点位置的修正（考虑梁、柱刚度比和上、下层的层高影响）,柱的抗侧刚度的修正,柱抗侧移刚度修正系数c,柱的反弯点位置的修正,y=y0+y1+y2+y3 标准反弯点高度比y0与该层所在的楼层位置，及梁、柱线刚度比有关 因上、下横梁相对线刚度变化的修正值y1 因上、下层层高变化的修正值y2、y3,“D值法”总结,计算步骤,“D值法”例题,水平位移验算方法,用D值法计算侧移 层间侧移 顶点侧移,水平位移验算方法例题,内力组合方法,控制截面 梁取三个控制截面：左端支座、跨中、右端支座 柱取两个控制截面：柱顶、柱底 最不利内力组合的种类 梁：支座-Mmax、Vmax，跨中Mmax 柱(一般情况下)：,Mmax及相应N、V -Mmax及相应N、V Nmax及相应M、V Nmin及相应M、V Vmax及相应M、N,内力组合例题,三跨六层框架，内力计算过程（分层法和D值法）略 对二层梁和二层柱进行内力组合,延性框架设计,框架结构的延性 构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低、且具有塑性变形能力的一种性能 结构延性的作用 结构的延性指标 提高结构延性的措施,结构的延性指标构件延性比,构件位移延性比 截面曲率延性比,结构的延性指标结构延性比,结构延性比,提高结构延性的措施,“强柱弱梁”设计原则控制塑性铰的位置 “强剪弱弯”设计原则控制构件的破坏形态 “强节点弱构件”设计原则,记住“强柱弱梁”、 “强剪弱弯”如何调整！,延性梁设计（一）：强剪弱弯,梁端设计剪力的规定 注意区别不同抗震等级的规定,延性梁设计（二）：纵筋量与延性,受压区高度 最大受拉钢筋配筋率 最小受压钢筋配筋量,延性梁设计（三）：箍筋与延性,梁端箍筋加密（加密区长度、最大间距、最小直径） 箍筋形式,延性梁设计（四）： 剪压比和截面限制要求,无地震作用组合时 有地震作用组合时,延性柱设计（一）:剪跨比与长、短柱,剪跨比 长柱，压弯破坏，延性较好 短柱，剪切破坏，延性较差 极短柱，剪切斜拉破坏，延性极差,延性柱设计（二）:轴压比,延性柱设计（三）: 配箍率与箍筋形式,配箍特征值与体积配箍率 箍筋形式与约束作用,延性柱设计（四）:柱的加强部位,调整柱端弯矩，实现强柱弱梁 底层固定端弯矩增大，推迟其屈服 加大角柱设计内力，提高其承载力,清楚如何进行内力数值的调整！,延性梁设计（五）：强剪弱弯,柱端设计剪力的规定 注意区别不同抗震等级的规定,延性柱设计（六）： 剪压比和截面限制要求,无地震作用组合时 有地震作用组合时,强节点“弱”构件,抗震等级为一、二级时，根据剪力设计值验算框架节点核心区的抗剪承载力 抗震等级为三、四级时，按构造要求配置箍筋,第六章 剪力墙结构设计,结构布置 剪力墙分类及判别方法 剪力墙翼缘有效宽度确定方法 剪力墙结构在竖向荷载下的内力计算方法 剪力墙结构在水平荷载下的内力和位移计算方法 剪力墙截面承载力计算方法 构造要求,结构布置,双向布置，双方向刚度接近，数量合适 墙肢截面宜简单、规则，形成明确 的墙肢和连梁，避免错洞墙和叠合 错洞墙 避免脆性破坏，慎用“长墙” 注意剪力墙平面外的稳定性 不宜将楼面主梁支承于连梁上,剪力墙分类及判别方法,剪力墙分类一（按墙肢长度） 一般剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比大于8） 短肢剪力墙（墙肢截面高度与墙厚之比为58） 剪力墙分类二（按是否开洞、开洞大小） 整截面剪力墙 整体小开口剪力墙 联肢剪力墙 壁式框架 按整体性系数、墙肢惯性矩比对剪力墙类型的判别方法,整截面剪力墙及其受力特点,无洞口的剪力墙或洞口面积不超过墙体面积的15%，且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整截面剪力墙（或称为悬臂剪力墙）。 整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂梁，截面变形后仍符合平面假定，因而截面应力可按材料力学公式计算。,整体小开口剪力墙及其受力特点,洞口面积稍大、超过墙体面积的15%时，通过洞口的正应力分布已不再成一直线，而是在洞口两侧的部分横截面上，其正应力分布各成一直线 除了整个墙截面产生整体弯矩外，每个墙肢还出现局部弯矩，实际正应力分布相当于在沿整个截面直线分布的应力之上叠加局部弯矩应力 由于洞口还不很大，局部弯矩不超过水平荷载的悬臂弯矩的15。因此，可以认为剪力墙截面变形大体上仍符合平面假定，且大部分楼层上墙肢没有反弯点 内力和变形仍按材料力学计算，然后适当修正,联肢剪力墙及其受力特点,洞口开得比较大，截面的整体性已经破坏，横截面上正应力分布和截面变形已不再符合平截面假设 墙肢的线刚度比连梁的线刚度大得多，每根连梁中部有反弯点，各墙肢单独弯曲作用较为显著，仅在个别或少数层内出现反弯点 这种剪力墙可视为由连梁把墙肢联结起来的结构体系，故称为联肢剪力墙,壁式框架及其受力特点,洞口开得比联肢剪力墙更宽，墙肢宽度较小，墙肢与连梁刚度接近时，墙肢明显出现局部弯矩，在许多楼层内有反弯点。剪力墙的内力分布接近框架，故称壁式框架。 壁式框架实质是介于剪力墙和框架之间的一种过渡形式，它的变形已很接近剪切型，只不过壁柱和壁梁都较宽，因而在梁柱交接区形成不产生变形的刚域。,剪力墙类型的判别方法,利用两个参数 整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的比例关系 墙肢惯性矩比值 判别准则（教材P159）,双肢,多肢,2a,2c,剪力墙类型的判别方法,利用两个参数 整体性系数反映连梁与墙肢刚度间的比例关系 墙肢惯性矩比值 判别准则（教材P159）,双肢,多肢,当,当,当,且,且,且,为整体小开口墙；,为壁式框架；,为连肢墙；,剪力墙类型判别例题,15层剪力墙，总高42.4m， 截面尺寸如图所示，试 判别剪力墙的类型。,剪力墙结构在水平荷载下的 内力和位移计算方法,基本假定： 不同方向的剪力墙分别作为平面结构处理 楼板刚度无穷大，每一方向的各榀剪力墙按等效刚度分配水平荷载 剪力墙翼缘有效宽度确定方法 各榀剪力墙的内