高层建筑受力分析Word 文档

天津大学网络教育学院本科毕业设计（论文）
题目：高层建筑结构受力特点和结构设计
完成期限：2017年7月6日至 2017年11月20日
学习中心：江苏现代远程教育培训学院学习中心
专业名称：木工程
学生姓名：张永华
学生学号：151219052052
指导教师：张彩虹
摘要
高层建筑结构上的作用包括竖向荷载和水平荷载与作用。

与一般建筑结构类似，高层结构的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等楼面、层面活载；水平荷载与作用包括风荷载和地震作用，在高层建筑结构设计中水平荷载与作用占据主导和控制地位。

高层建筑的平面开关多变，立体体型各种各样而且结构形式和结构体系各不相同。

对这样复杂的空间结构体系进行内务计算和位移分析时，应考虑结构的受力和工作特点进行计算模型的简化，这样才能比较科学地确定其计算简图和受力体系。

关键词：高层建筑；建筑结构；结构的受力；计算模型；受力体系；
目录
1. 竖向荷载 (5)
高层建筑的竖向载主要是恒荷载（结构自重）和楼面、层面活荷载（使用荷载）。

(5)
1.1恒荷载（结构自重） (5)
1.2楼面、层面活荷载 (5)
1.3活荷载的不利布置 (5)
2.风荷载、地震作用 (6)
3.温度和其他作用 (6)
4. 高层建筑结构的受力特点和工作特点 (7)
4.1结构设计时，应考虑高层建筑结构的整体工作性能 (7)
4.2水平作用对高层建筑结构的影响占主导地位 (7)
4.3高层建筑结构具有刚度大、延性差、易损的特点 (8)
5.高层建筑结构的结构体系和结构布置 (8)
5.1高层建筑结构体系布置 (8)
6、工程实例 (9)
6.1 基础设计 (10)
6.2 上部结构设计 (10)
6、3 弹性动力时程分析结果 (12)
6. 4 斜柱区域受力分析 (12)
6. 5 连接体部分的整体计算 (12)
6. 6 结构性能设计 (12)
7.结论 (13)
7.1 抗震性要足够高 (13)
7.2 要具备足够高的灵活性 (13)
7.3 高层建筑结构布置应该要规则、均匀 (13)
7、4 高层建筑结构设计应该注意的问题 (13)
参考文献 (15)
致谢 (16)
1.竖向荷载
高层建筑的竖向载主要是恒荷载（结构自重）和楼面、层面活荷载（使用荷载）。

1.1恒荷载（结构自重）
是由于结构自身重力产生的竖向荷载，它可以由构件和装修做法的尺寸和材料的重力密直接计算，重力密按GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的采用。

对于自重变异较大的材料和构件（如现场制作的保温材料，混凝土薄壁构件等），应根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。

1.2楼面、层面活荷载
使用荷载，是按GB5009—2001《建筑结构荷载规范》的有关规定采用，同时在有以下情况发生时，给予特别处理：（1）施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力有影响的起重机械或其他施工设备时，根据具体情况验算施工荷载对结构的影响。

（2）旋转餐厅轨道和驱动设备的自重应按实际情况确定。

（3）擦窗机等清洗设备应按实际情况确定其自重的大小和作用位置。

当有直升机平台时，直升机的活荷载按JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》。

1.3活荷载的不利布置
计算高层建筑结构在竖向荷载作用下的内力时，一般不考虑楼面及屋面竖向活荷载的不布置，而是按满布考虑进行计算的。

这是由于其一，在高层建筑中各种活荷载占总竖向荷载的比例很小，尤其对于住宅、旅馆和办公楼等，荷载一般在1.5~1.2KN/平方米范围内，只占全部竖向荷载的10%~20%，因活荷载不同的布置方式对结构内力产生的影响很小；其二，高层建筑结构是个复杂的空间结构体系，层数与跨数多，不利分布的情况复杂多样，计算工作量极大且计算费用上不经济，因此，为简化起见，在实际工程设计中，可以不考虑活荷载不利分布，按满而方式布置作内力计算后再将框架梁的跨中高弯矩乘以1.1~1.3的放大系数。

但是当楼面活荷载大于4.0KN每平方米时（如储藏室、书库或其他有很重荷载的结构中）各截面内力计算时仍须考虑活荷载的布置，按不利荷载计算结构在竖向荷载作用下的内力[1]。

对目前国内广泛采用的钢筋混凝土高层建筑结构，竖向荷载的统计平均值为15KN每平方米。

其中框架和框架剪力干墙结构大约在12~14KN每平方米，剪力墙和筒体结构大约为14~16KN每平方米。

这些经验数据，可以作为在方案设计阶段估算地基承载力、估算结构底部剪力和初步结构截面的依据。

2.风荷载、地震作用
空气的流动受到建筑物的阻碍，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建筑物所受的风荷载。

一般说来，建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。

地震作用是指地震波从震源通过基岩传播的地面运动，使处于静止的建筑物受到动力作用而产生的振动。

地震作用的大小与地震波的特性有关，还与场地土质及房屋本身的动力特性有很大关系。

通常用地震震级和地震烈度来表示地震作用对建筑物的影响。

震级是地震的级别，说明某次地震本身产生的能量大小。

地震烈度是指某一地区地面及建筑物受到一次地震影响的强烈程度。

对应于一次地震，震级只有一个。

然而各地区由于距震中的距离不同，地震对建筑物的影响也不同。

中心区影响大，离震中越远，影响越小。

进行抗震设计时应考虑该地区的基本烈度和抗震设防烈度的要求，采用不同的处理方式。

基本烈度是指某一地区今后一定时期内，在一般场地条件下可能遭受的最大烈度，由国家有关部门确定。

设防烈度一般按基本烈度采用，对于重要的建筑物，应向国家规定的审批单位报批，其设防烈度可比基本烈度提高一度采用[2]。

地震作用的计算方法，地震作用的计算方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法和里程分析法等。

JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》建议，高层建筑结构应根据不同的情况，分别采用下列方法计算结构的地震作用：（1）高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。

对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100M的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

（2）高度不超过40M、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分而比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。

（3）7~9度抗震设防的高层建筑，下列情况下应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

3.温度和其他作用
在建筑结构的服役期内，使结构可能产生内力的因素还有温差、材料收缩、不均匀沉降等。

根据不同的因素在设计时可以采用不同的方式避免这些因素的影响。

实际工程设计中一般不须计算由温度、收缩产生的结构内力。

因为这些内力的理论计算比较困难，而且的分布、收缩系数等参数都难以确定，且通常使用的混凝土材料又不完全是弹性材料，理论计算的结果与实际情况有较大出入，往往难以作为设计的依据。

工程上，对于处理楼板在温度作用下产生的应力有两设计思路，即“抗与放”。

楼板变形如果是完全自由地达到最大值，则内应力为零，不可能产生裂缝，这就
是
“放”的原则；如果变形受到约束，在完全约束下应力达到最大值，而变形为零，这就是“抗”的原则。

实际工程中，一般是处于完全约束与完全自由状态的中间过程，即弹性约束状态。

大量的经验及分析说明，建筑物的温差作用可以忽略不计；9~30层的建筑物，只要设计、施工及材料等方面综合技术措施适当，内力计算时，温差影响可忽略；对30层以上的超高层建筑，必须考虑温度的影响。

在高层建筑中，减少温差影响的综合技术措施主要有：（1）采取合理的平面和产面设计，避免截面的突变。

（2）合理选择结构形式，降低结构约束程度，从而减小约束应力。

（3）合理布置分布钢筋，重视构造钢筋的作用，加强构造配筋。

（4）在顶层、屋顶、山墙及纵墙两端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率。

（5）优选有利于抗拉性能的混凝土级配，减少坍落度，对于超长结构采用后浇带方法施工或将结构划分为长度较短的区段施工[3]。

4.高层建筑结构的受力特点和工作特点
高层建筑的平面开关多变，立体体型各种各样而且结构形式和结构体系各不相同。

对这样复杂的空间结构体系进行内力计算和位移分析时，应考虑结构的受力和工作特点进行计算模型的简化，这样才能比较科学地确定其计算简图和受力体系。

4.1结构设计时，应考虑高层建筑结构的整体工作性能
高层建筑结构由两部分组成，一部分为由框架、剪力墙和筒体等组成的竖向抗侧力结构，另一部分为将这些竖向抗侧力结构连接成整体的楼板。

在低层建筑结构设计中通常将整个结构划分为若干夹击抗侧力结构，按受荷面积分配，逐片对平面结构独立进行分析。

而在高层建筑结构中，在外荷载作用下楼层的总水平力不是简单地按荷载面积分配到各框架、各剪力墙的。

由于各抗侧力结构的刚度、形式不同，变形特征也不一样，如果按荷载面积、间距分配，会使刚度大、起主要作用的结构分配的水平力过小，偏于不安全，因此应考虑高层建筑结构的整体工作性能[4]。

在高层建筑结构设计中，楼板在自身平面内的刚度很大，几乎不产生变形，当结构布置对称，不考虑扭转影响时，同层各构件水平位移相同。

剪力墙结构中各片墙的水平力大致按其等效刚度L分配；框架结构的水平力大致按抗侧移刚度D分配；框架-剪力墙和筒体结构则受力较为复杂，要进行专门的计算。

如果结构平面不规则、不对称、较复杂，抗侧力结构斜向布置，则应确定主轴方向，并且要扭转的影响，则计算更为复杂。

无论采用哪种计算方式，都要考虑高层建筑结构的整体协同工作能力，只有这样才可能得到较为准确、可靠的计算结果。

4.2水平作用对高层建筑结构的影响占主导地位
高层建筑结构设计的另一个特点是水平作用对高层建筑结构的影响占有主导地位，并且轴向变形和剪切变形的影响不可忽视。

在低层结构设计中，通常只考虑由弯曲变形产生的侧移，而轴力和剪力产生的结构变形一般可以忽略，但是在高层建筑结构设计中，则于其层数多、高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使计算结果产生显著的偏差。

具体到构件：梁的变形要考虑弯曲、剪切、扭转变形，必要时考虑轴向变形；柱、墙的变形要考虑弯曲、剪切、轴向，扭转变形。

4.3高层建筑结构具有刚度大、延性差、易损的特点
高层建筑的刚度很大，为了保证它有良好的延性，在进行抗震设计时，采取一些基本措施来实现，如在框架结构设计中，有强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强锚固等措施。

设计时在有些情况下需要进行结构薄弱层的验算。

5.高层建筑结构的结构体系和结构布置
高层建筑的初步设计阶段选择结构体系时，应在综合考虑使用要求、建筑美观、结构合理及便于施工等各种因素后确定。

高层建筑不应采用严重不规则的结构体系；宜采用规则结构；应使结构具有必要承载能力、刚度和变形能力；应避免因部分结构件的破坏而导致整个结构更新丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力。

无论采用何种结构体系，结构的水平和竖向布置宜具有合理的刚度和承载力分布；避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；对可能出现的薄弱部位应采取有效措施予以加强；宜设置多道防线。

5.1高层建筑结构体系布置
1、框架结构体系。

框架结构的特点是梁、柱承受荷载，墙为非承重构件，只起分隔作用，因此框架结构平面布置灵活，可以根据需要分隔成小房间颧者改成大房间。

一般用于会议室、餐厅、车间、教室及住宅等。

框架结构在水平力作用下的受力变形是由梁、柱的弯曲变形呈现的剪切型变形和柱子的轴向变形呈现的弯曲型变形组成的。

随着建筑高度加大，弯曲型变形比例逐渐变大，但仍以剪切型变为主。

由于框架结构的梁、信承受竖向荷载和水平荷载作用，其抗侧刚度取决于梁、柱的截面尺寸，而梁、柱截面尺寸不能太大，因此框架结构的侧向刚度较小，仅适用于房屋高度不大、层数不多的结构。

在一般的抗震设计中，框架结构最大高度不宜超过60M，在9度抗震设防时不宜超过25M。

2、剪力墙结构体系。

在剪力墙结构体系中，剪力墙或沿横向、纵向正交布置或沿多轴线斜交布置，同时墙体也作为维护及房间分隔构件。

剪力墙结构缺点是墙体多，平面布置不灵活，结构自重大，不容易布置面积较大的房间。

在一般的抗震设计中，剪力墙结构最大高度不宜超过140M，在9度抗震设防时不宜超
过
60M。

3、框支剪力墙结构体系。

框支剪力墙结构体系由于框架和剪力墙交界处形成刚度突变，在地震作用下框架部分会产生很大的内力和变形，因此在地震区不允许采用完全的框支剪力墙结构。

它一般适用于底层需要布置大面积公用房间（入门厅、餐厅、会议室等）而上层为住宅的建筑结构。

在实际工程应用中，需要一些措施加强框支力墙结构体系的抗震性能，如将落地剪力墙尽量布置在两端或中间，使纵、横两个方向的墙体成筒状；加大底层刚度，加强交界处的整体性和刚性以减少结构上、下刚度的差别等。

在一般的抗震设计中，框支剪力墙结构最大高度不宜超过120M，在9度抗震设防时不应采用此类结构[5]。

4、框架——剪力墙结构体系。

框架——剪力墙结构结合了框架和剪力墙的优点，既具有框架结构布置灵活、具有大空间、使用方便的特点，又有较大的抗侧刚度和较强的承载能力和抗震性能，因而广泛地应用于高层建筑，如办公楼、写字楼、公共建筑等。

在这种结构体系中，框架和剪力墙共同受力，剪力墙承担绝大部分水平荷载，而框架则以承担竖向荷载为主。

在一般的抗震设计中，框架——剪力墙结构最大高度不宜超过130M，在9度抗震设防时不宜超过50M。

5、框筒结构体系。

框筒结构体系具有很好的整体性和抗侧力性能。

然而这类结构的翼缘框架中各柱轴力颁布往往不均匀，呈现剪力滞后现象，即角柱轴力大中柱轴力小。

因此在设计时应调整梁柱刚度、平面开关、建筑高宽比等，尽量减少剪力滞后，增加结构的空间整体受力性能。

6、筒中筒结构体系。

由于外柱很密，梁刚度很大，门窗洞口面积小（一般不大于墙面面积的50%），因而筒中筒结构的工作不同于普通平面框架，具有良好的空间整体作用和很强的抗风和抗震性能。

筒中筒结构的平面外形宜选用圆形、正多边形、椭圆形或矩形；矩形平面的长宽比不宜大于2；内筒宜居中且宜贯通建筑物全高，竖向刚度宜均匀变化；当显三角形平面时，宜切角。

7、多筒体及成束筒结构体系。

多筒体及成束筒结构体系的抗侧刚度比筒中筒结构大，其空间整体性能更高，适宜于建造更高的高层建筑。

在此类结构体系中，仍然要合理选择筒的开关及布置筒的组成方式减少剪力滞后现象。

8、悬挂结构体系。

悬挂结构的建筑布局灵活，易于创造大空间，可以减少占地面积，充分发挥材料的强度，具有施工简便、自重轻、柔度大、抗震性能好的优点。

由于在一定条件下，悬挂结构的自重不参与振动，减轻了参振质量，因此具有良好的减振效果。

9、巨型框架结构体系。

由于巨型框架体系巨型的梁柱断面很大，其整体刚度和抗铡刚度很大，空间整体性能很好，稳定性强。

而二级结构只是传力结构，梁、柱截面可以做成普通尺寸，增加了建筑布置的灵活性和有效使用面积。

除此之外，巨型框架体系还具有施工快、节省材料、降低造价等优点。

6、工程实例
该建筑主楼地上为23层，地下2层，裙房3层，分塔楼A、塔楼B和裙房等主要结构单元。

塔楼A，B大屋面高度为95m，裙房总高度为15m左右，裙房中部通过设置2道防震缝与左右两侧分离，两栋塔楼层高是一致的，双塔顶部在63.50m的高空相连，连体部分共有8层，总高度为31.5m，跨度33.6m。

主楼造型形成高位连体，为竖向不规则，在结构设计中采用了SATWE和ETABS两种计算软件进行整体的内力位移计算，同时采用弹性时程分析法进行补充计算。

工程的抗震设防烈度为7度，建筑结构的安全等级二级，重要性系数1.0，设计使用年限50年，建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类建筑)。

6.1 基础设计
根据地质报告显示，地基土以饱和软弱黏性土和饱和砂性土为主，地表下在20m深度范围内饱和砂土和粉细砂无液化问题，建筑场地类别属Ⅲ类，特征周期取0.45s。

考虑到整个建筑场地平面较大、主楼和裙房在地下完全连成一体等特点，采用了桩筏基础，进行桩基变刚度设计，强化高层主体区域桩基刚度，相对弱化裙房(含纯地下室) 的桩基刚度，以满足承载力要求和沉降差异控制要求。

初步设计阶段两塔楼核心筒区域筏板厚度2m，主楼桩型选择直径800mm 的钢筋混凝土冲孔灌注桩，以中风化泥岩作为持力层，桩长45m左右，桩身混凝土强度等级为C45;裙房和地下车库部分采用直径500mm的PHC高强预应力混凝土管桩，以粉砂层作为持力层，桩长35m左右，桩身混凝土强度等级为C80。

根据试桩结果，主楼单桩承载力标准值可达到5000kN。

6.2 上部结构设计
6.2.1 楼盖体系
塔楼和裙房采用现浇钢筋混凝土主次梁楼盖，标准层楼板厚度取120mm;双塔间连体部分采用钢-现浇混凝土组合楼盖，楼板厚度取120mm。

6.2．2 抗侧力体系
(1) 两个塔楼的柱网和核心筒基本对称布置，双塔采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，与连接体相连的框架柱采用型钢混凝土(SRC)柱，钢骨含钢率为5%～7% ，为使结构体系更好地发挥作用，在钢筋混凝土核心筒的四个角部和与连接体相连的关键部位的墙体中设置型钢[6]。

(2) 由于结构平面为长方形，长宽比L/B = 4.2，为增强结构整体抗扭刚度，在建筑物两侧柱网间设置钢斜撑。

(3) 标高87.11m处由于建筑立面要求，在轴○A○D上的所有柱子各内收2m，鉴于内收距离不大，因此结构竖向设 2 层斜柱处理，避免梁托柱造成竖向构件不连续，该设计使竖向荷载能够更直接有效地向下传递。

6.2． 3 连接体
(1) 两塔楼在63.50m标高处连成一体，连体以上共有8层，总高31.5m，跨度33.6m。

连接体部分柱网布置上下一致，因此在层16一个层高范围内沿纵向设置了4榀转换钢桁架(Q345)用于承托连体以上结构重量，为了保证连体结构的钢桁架与塔楼可靠连接，钢桁架上下弦杆向塔楼内延伸一跨，与主楼的核心筒或框架柱内的型钢刚接。

(2)4 榀桁架与上下楼层标高处横向的钢梁刚接，形成一组空间桁架，有效地提高了连接体结构的抗扭能力，增强桁架抗侧刚度。

(3) 为减轻结构自重，钢桁架以上各层的框架采用钢结构，并与钢桁架和两侧塔楼刚性连接，形成第二道防线，增强连体结构整体的刚度。

(4) 钢桁架相邻两层和顶层楼板加厚30%，双层双向配筋，适当加强，且在其平面内设置水平支撑以增强楼板水平刚度，提高连体结构抗扭能力，协调双塔的变形，有效传递水平力。

6.2．4 结构超限情况
(1) 连体建筑:双塔在63.50m 处连成一体，连体部分共8层，占总高度的33. 2%，连体跨度达到33.60m，形成竖向不规则结构。

(2) 不规则扭转:在裙房和主楼相连的低层，楼层的最大与平均位移之比超过1.20，所以该部位出现了扭转不规则。

(3) 侧向刚度不规则:在连接体以下的三层的电算结果显示侧向刚度有突变，构成《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3—2002) (以下简称高规)所指的侧向刚度不规则。

6.2．5 主体结构计算及分析结果
扩初设计阶段采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和ETABS 进行连体结构的整体内力位移分析计算。

连体结构的计算分两阶段进行，首先对塔楼A，B分别建模，调整两单栋塔楼的技术指标，使两栋塔楼的质量和刚度尽量接近，减少对连体部分产生的不利影响。

然后再将两栋塔楼的模型合并，形成连体结构后进行整体计算[7]。

A、两塔楼的主要结构指标对比
塔楼A 与塔楼B 因层高相同，层数相等，结构布置相似，因此两个单塔的动
B、双塔连体结构的反应谱分析
振型分析结果SATWE 和ETABS的前3阶振型和周期基本一致。

第1阶振型均以Y向平动为主;第2阶振型和第3阶振型都是平扭耦联振型。

SATWE 第2，3 阶振型是以X 向平动为主，附加较大的扭转分量;ETABS 第2 阶振型相应扭转比例稍高，以扭转为主，第3 阶振型是X
向平动为主。

在3阶以后的振型中，SATWE 和ETABS 的周期计算结果均相差不大，但平动和扭转的参与分量有较大差别，这主要是由于SATWE 程序中计算不出竖向振型，而ETABS 能计算出竖向振型，因而在连体的竖向地震作用分析中，应采用ETABS 的计算结果。

两个程序的第1 扭转周期与第1 平动周期的比值均小于0. 85，满足高规对平扭周期比的要求，说明本连体结构具有较强的抗扭能力。

X，Y向的有效质量参数均为99.5% (SATWE)，100%(ETABS)。

前30阶总的振型有效质量参数皆大于95% ，振型阶数取值满足结构分析精度要求。

(3) 层间剪力分析结果。

在X 向、Y 向水平地震作用下，塔楼A 和塔楼B的底部剪力非常接近，这充分表示了连体部分能有效地传递两个塔楼的水平剪力，使得双塔的层间剪力趋近一致。

从以上分析得出:SATWE 和ETABS 的计算结构基本吻合，SATWE 的层间剪力稍偏大。

(4) 结构位移分析结果，结构的变形和受力在X向和Y向均受地震作用控制，该结构的主要荷载控制工况是地震作用。

出裙房屋面后各楼层的平均位移与楼层最大位移比值均小于1. 2，仅在裙房所在层大于1.2，但小于高规规定的1.4的限值，可见均满足规范要求。

(a) X 向地震 (b) Y 向地震在X向地震作用下，两塔在上部楼层有反向弯曲的趋势;连体的设置使得X向的最大层间位移角在中部楼层最大，上部楼层位移角明显减小，说明连体部分在X 向相当于巨大的框架梁，对双塔起着抗弯约束的作用[8]。

6、3 弹性动力时程分析结果
双向地震作用下，弹性时程动力分析计算结果显示，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足高规要求。

结构地震作用效应取三条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

6. 4 斜柱区域受力分析
在标高87.110m处结构竖向设2层斜柱，柱子斜率为2/7.8= 1/3.9。

这种结构布置使斜柱处的上下梁板受到影响，承受拉力或压力，易成为薄弱环节，因此层20～22按弹性板参与计算，相应梁配筋明显比上下层加大，但未超过梁的最大配筋率。

在施工图设计时，需采取相应的构造措施予以加强:与斜柱相交的梁均适当提高配筋率，且应满足小偏心受拉构件的构造要求( 通长不得采用绑扎搭接接头);楼板板厚设为150mm，双层双向拉通配筋;斜柱本身受力复杂，所受压力、剪力、弯矩都较大，因此斜柱内设型钢，上下各伸一层，配筋加强处理。