自考 第四章 高层建筑结构设计

一.高层建筑上的风荷载
1.风荷载的特点 ①风荷载与建筑物的外形直接有关，也与周围环境有 很大的关系。
②高层建筑外表面各部分的风压很不均匀。 ③要考虑风的动力作用--风振
高层建筑对风的动力作用比较敏感，建筑物 越柔，自振周期就越长，风的动力作用也越显著。
2.风荷载标准值
wk z s z w0
一.整体墙的内力和水平位移计算
在水平荷载作用下，整截面墙可视为上端自由、下端固定的竖向悬
臂梁，其任意截面的弯矩和剪力可按照材料力学方法进行计算。
在水平荷载作用下，整截面墙考虑弯曲变形和剪切变形的顶点位移计算公式：
11 V0 H 3 3.64 EI q (1 ) (倒三角形荷载) 2 60 EI H GA q q 3 4 EI q 1 V0 H u (1 2 ) (均布荷载) 8 EI H GA q q 1V H3 3 EI 0 (1 2 q ) (顶部集中荷载) 3 EI H GA q q
肢刚度过分悬殊。
4 ）尽量避免出现小墙肢，墙肢截面长度与厚度之比不 宜小于3。
4.4.3 剪力墙的布置和有效翼缘宽度
二.剪力墙翼缘的有效宽度
计算剪力墙的内力与位移时，可以考虑纵横墙的共同工作。 纵、横墙的一部分均可作为堆放的有效翼缘。
每一侧的有效翼缘宽度可取翼缘厚度的6倍、 墙间距的一半和总高度的1/20中的最小值， 且不大于至洞口边缘的距离。
高层建筑的体型主要有板式和塔式。方形、圆形三角形和 矩形是塔式高层建筑平面的4种基本形式。
2.结构平面布置
高层建筑的结构平面布臵，应有利于抵抗水平荷载和竖向 荷载，受力明确，传力直接，力求均匀对称，减少扭转的影响。 1) 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，刚度和承载力分布均匀。 不应采用严重不规则的平 面布臵。 2) 高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。
【4.1 概述】
§4.2 高层建筑的结构类型
框架结构 剪力墙结构 整体墙 小开口墙 联肢墙 外筒结构 筒中筒结构 多筒结构
框架-剪力墙结构 筒体结构
4.2.1 框架结构
框架结构是由梁、柱组成的纯框架结构。 优点 建筑平面布臵灵活，能较大程度地满足建筑 使用的要求。 缺点 侧移刚度小，水平作用下抵抗变形的能力 较差，在强震下结构顶点水平位移和层间相 对水平位移都较大。 柱子的尺寸往往很大，不经济，也减少了 使用面积。
4.3.1 高层建筑的结构体型和结构的布置 6.高层建筑的高宽比限值
高层建筑结构可以近似地看做是固定于基础上的竖向悬 臂结构，因此增加建筑平面尺寸对减少其侧向位移是十分有 效的。
控制高层建筑的高宽比，可从 宏观上控制结构抗侧刚度、整体稳 定性、承载能力和经济合理性。
4.3.2 高层建筑结构上的作用
4.3.1 高层建筑的结构体型和结构的布置 5.楼、屋盖结构
按受力特性，高层建筑楼、屋盖结构可分为简单传力型 和分配型。 分配型楼盖结构是指上、下刚度突变层的特殊楼盖，称 为刚性转换层。 带转换层高层建筑结构在其转换层上、下层 间侧向刚度发生突变，形成柔性底层或底部， 在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。
4.3.3 结构水平位移曲线的类型
在水平力的作用下结构的水平位移曲线大致有三种类型： （1）弯曲型 位移曲线凸向原始位臵。其特点是层间水平位移愈往顶部愈大。 （2）剪切型 位移曲线凹向原始位臵。其特点是层间水平位移愈往顶部愈小。
（3）弯剪型或剪弯型
位移曲线底下大部分是弯曲型，顶上少部分是剪切型的称 为弯剪型。大部分是剪切型，少部分是弯曲型的称为剪弯型。
EIeq 综合反映了剪力墙弯曲变形、剪切变形和轴向变形的影响。
【.4 水平作用下剪力墙结构的内力和水平位移计算】
二.小开口墙的内力和水平位移计算
小开口墙是指洞口沿竖向成列布置，洞口面积超过墙面总面积的15%，但符合下 列两个条件的剪力墙。
V0——底部截面剪力； μ——剪力不均匀系数。 矩形截面取μ＝1.2， I形截面μ＝全面积／腹板面积。
4.4.4 水平作用下剪力墙结构的内力和水平位移计算
一.整体墙的内力和水平位移计算
相同水平荷载 相同侧向位移
剪力墙与竖向悬臂受弯构件具有相同的刚度
采用竖向悬臂受弯构件的刚度作为剪力墙的等效刚度
Ec I w EIeq 9I w 1 2 Aw H
4.3.1 高层建筑的结构体型和结构的布置 2.结构平面布置
对于有抗震设防要求的高层建筑，其平面布臵应考虑下列 要求：
①平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心； ②平面长度 L 不宜过长，突出部分长度 l 不宜过大； ③不采用角部重叠或细腰形平面图形。
3.结构竖向布置
高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化 宜均匀、连续,不应突变。
【4.1 概述】
4.1.4 高层建筑的优缺点
1、在相同的建设场地中，可以获得更多的建筑面积，部分解决城市用 地紧张和地价高涨问题。
2、在建筑面积与建筑场地面积相同比值的情况下，能够提供更多的空 闲地面，有利于美化环境，并带来更好的日照、采光和通风效果。 3、可以缩小城市的平面规模，缩短城市道路和各种公共管线的长度， 从而节省城市建设与管理的投资。 4、可以为城市增加景观。 5、竖向交通一般由电梯完成，增加建筑物的造价，电梯损坏时上下楼 梯困难；防火要求要高于中低层建筑，也会增加工程造价和运行成本。 6、高层建筑太多、太密集会对城市带来热岛效应，人口过分密集会造 成交通拥挤、出行困难，玻璃幕墙过多还可能造成光污染。 7、高层建筑会投下一个巨大的阴影，影响附近建筑物的采光和日照， 刮风时建筑物摆动可能会使人感觉眩晕。
4.1.1 高层建筑的定义
高层建筑按结构形式和高度的不同，可分为： A级 B级：高度超过A级高度限值的高层建筑。
4-1 4-2
【4.1 概述】
4.1.3 高层建筑结构受力特点
侧向力（风或水平地震作用）成为影响结构内力、结 构变形及建筑物土建造价的主要因素。 侧向力产生的弯矩和侧向位移成为决定结构方案、结 构布臵及构件截面尺寸的控制因素。 结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系； ①过大侧移会使人产生不安全感； ②使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用； ③因P-△效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。
剪力墙 剪力墙
在地震区，纵、横两个方向都应布置剪力墙。在非地 剪力墙 震区，对于长方形平面的建筑，纵、横两个方向迎风面相 框架梁 框架梁 剪力墙 差很大，当纵向框架有足够的刚度和抗风承载力时，也只 在横向设置剪力墙。
框架梁
4.2.4 筒体结构
是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结 构体系。
4.4.3 剪力墙的布置和有效翼缘宽度
一.剪力墙的布置
1）剪力墙应双向或多向布置，尽量拉通对直。
2 ）较长的剪力墙可用楼板（无连梁）或弱的连梁分为 若干墙段。每个独立墙段的总高度与长度之比应大于2. 3 ）剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置，形成明 确的墙肢和连梁，尽量避免出现错洞墙。洞口设置应避免墙
4.2.3 框架-剪力墙结构
为了充分发挥框架结构平面布臵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。 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 10～20 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。
【4.1 概述】
4.1.5 高层建筑水平位移和加速度的限值
1.层间弹性水平位移的限值
结构类型
框架 框架-剪力墙 框架-核芯筒 1/800 框支层 1/1000
[△u/h]
1/550
结构类型
筒中筒、剪力墙
[△u/h]
1/1000
板筑-剪力墙
2.结构风振加速度的限值
高度超过150m的高层建筑混凝土结构，为了满足舒适度 的要求，其顶点最大加速度，对住宅、公寓不应大于0.15m/s2， 对办公室、旅馆不应大于0.25m/s2。
Chap4 高层建筑结构设计
【目录】
1 2 3
概述 高层建筑的结构类型 高层建筑结构设计的一般原则 剪力墙结构
4 5
6 7
框架 -- 剪力墙结构
剪力墙的截面设计
筒体结构简介
§4.1 概述
4.1.1 高层建筑的定义
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。 –我国《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002） 规定：层数≥10层 ，或房屋高度 ≥28m的建筑物称为 高层建筑。 •高度是指从室外地面至主要屋面的距离。
4.4.4 水平作用下剪力墙结构的内力和水平位移计算
一.整体墙的内力和水平位移计算
几何判定： ①无洞口的单肢剪力墙；
②有洞口，墙面洞口面积不大于墙面总面 积的15%，且洞口间的净距及洞口至墙边 的距离均大于洞口长边尺寸。 受力特点：
可视为上端自由、下端固定的竖向悬臂构件。 整体墙
4.4.4 水平作用下剪力墙结构的内力和水平位移计算
1.外筒结构
由建筑平面四周密集布置的立体及立柱间的裙梁组成一 个刚度很大的框架筒，而平面中心的框架部分侧移刚度很小。
2.筒中筒结构
由内筒和外筒组成。通常外筒是框架，内筒是由墙体构 成的核心筒。
3.多筒结构
由几个连在一起的单元筒组成，具有极大的空间刚度。
4.3 高层建筑结构设计的一般原则
【4.3.1 高层建筑的结构体型和结构的布置】 1.体型
4.3.3 结构水平位移曲线的类型
（a）弯曲型 （b）剪切型
（c）弯剪型
4.4 剪力墙结构
4.4.1 剪力墙的分类
一.按外形尺寸
剪力墙的高宽比对其受力性能和破坏形态关系很大。按此 可分为： 高宽比 低剪力墙 H/B≤1 破坏形态 剪切变形 破坏性质 脆性破坏 延性破坏