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    3. 高层建筑的结构设计详解

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      作者:周建荣 高层建筑结构体系与宏观受力特点 建筑设计2482最新高度: 结构体系简述  悬臂柱体系(传统高层建筑结构体系)  传统高层建筑可整体看作一根巨型的悬臂柱; 在实心的巨型悬臂柱中,通过不同的空间开洞方式形 成不同的结构体系,例如框架结构、剪力墙结构、框 剪结构、框筒结构、巨型框架-

      作者:周建荣


      高层建筑结构体系与宏观受力特点


      建筑设计2482最新高度:

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      结构体系简述 


      悬臂柱体系(传统高层建筑结构体系) 

      传统高层建筑可整体看作一根巨型的悬臂柱;

      在实心的巨型悬臂柱中,通过不同的空间开洞方式形 成不同的结构体系,例如框架结构剪力墙结构、框 剪结构、框筒结构、巨型框架-核心筒等等; 

      高层建筑结构属于特殊的空间结构,楼盖结构将所 有竖向构件(筒体、剪力墙、框架柱、支撑)连成 整体,实现共同工作;

      在水平力(风、地震)作用下,整体结构具有悬臂 柱内力分布特点—弯矩、剪力沿根部方向逐渐增大, 根部弯矩、剪力最大。

      索作为主?#20849;?#21147;构件的超高层建筑 DCH塔属于索作为主?#20849;?#21147;构件的新?#32479;?高层建筑,有别于传统超高层建筑: 

      索作为第一?#20849;?#21147;主构件; 

      水平力作用下,筒体不具有悬臂柱内力 分布特点;由于索的存在,筒体最大弯 矩出现在中部,非根部; 

      抵抗水平力由受拉侧索、筒体、受?#20849;?索共同承担;


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      常见高层建筑结构体系


      常见高层建筑结构体系如下:

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      250m以上高层建筑结构体系


      高度超过250 m 的超高层建筑 结构,一般采用框架-核心筒、 框筒-核心筒、巨型框架-核心筒 和巨型框架-核心筒-巨型支撑4 种结构体系;

      框架-核心筒、框筒-核心筒适 用于高度250 ~ 400 m 的超高 层建筑;

      巨型框架-核心筒、巨型框架- 核心筒-巨型支撑适用于高度300 m 以上的超高层建筑。


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      上海中心结构体系


      塔楼?#20849;?#21147;体系为巨型框架- 核心筒-外伸臂结构体系; 在8 个机电层区布置6 道两 层高的外伸臂桁架和8 道箱 形空间环形桁架。 由箱形空间环形桁架和巨柱 形成外围巨型框架


      23.png

      高层建筑结构宏观受力特点 高层tag_1中,水平荷 载(作用)是主要荷载,结 构高度和抵?#20849;?#31227;是设计的 主要矛盾; 随结构高度增加,在水平 力作用下,侧向位移增加最 快,其?#38382;?#24367;矩、轴力。

      234.png


      用于承担重力荷载的结构 材料用量,与?#35838;?#23618;数成线 性比例增加; 其中用于楼盖结构的材料 用?#30475;?#20307;是定?#25285;?#20960;乎与结 构层数无关; 用于墙、柱等竖向承重构 件的材料用量,则随?#35838;?#30340; 层数比例增长; 用于抵抗水平侧力的结构 材料数量,则按?#35838;?#23618;数二 次方的关?#30331;?#32447;?#26412;?#22686;长。

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      高层建筑结构设计指导思想


      结构的均匀

      对称性 

      结构的对称性


      结构的对称性指高层建筑中?#20849;?#21147;的主体结构对称; 对称的建筑容?#36164;?#29616;结构的对称性; 不对称的建筑如平面形状L形、T形、S形等高层建筑, 需进行合理的结构布置(如筒体、剪力墙的合理布 置),设法调整的刚心与建筑质心、平面形?#26408;?#37327; 接近,实现结构的基本对称;  结构较大不对称,引起水平力下较大扭转变形,不 利非结构构件如填充墙幕墙正常工作,结构成本 较大增加。



      结构的均匀性 


      主体?#20849;?#21147;结构两个主轴方向的刚度接近、变形特 性接近; 主体?#20849;?#21147;结构沿竖向断面、构成变化比较均匀, 尽量减少突变。

      主要体现—层刚度尽量减少突变, 层刚度突变(增大或减小过大),容易应力集中, 一般伴随抗剪承载力突变,引起薄弱层出现; 主体?#20849;?#21147;结构平面布置,同一主轴方向各片?#20849;?力结构刚度均匀,避免设置某一、两片刚度特别大 而?#26377;?#36739;差的结构,如长窄的实体剪力墙。

      个别构件刚度巨大,容易应力集中,首先破?#25285;?#20174; 而形成逐个击破,无法发挥整体结构的协调工作。尽量做到中央核心与周边结构刚度协调均匀,保证 主体结构具有较好扭转刚度,避免扭转变形过大, 有利于控制扭转周期比、扭转位移比。 如剪力墙结构中剪力墙尽量周边、均匀布置,结构 中部剪力墙满足重力荷载要求。


      荷载的传力直接重力荷载的传力直接


      传力路径:荷载(集中、线、面)通过楼盖的板、 ?#28023;?#23558;重力荷载传至竖向构件墙、柱,后由竖向构 件传至基础,再由基础传至地基。

      楼屋盖结构布置应尽量使重力荷载以最短路径传至 竖向构件墙、柱; 竖向构件的布置应尽量使其在重力荷载作用下压应 力水平接近均匀,减少竖向构件之间的压应力二次 转移。

      如核心筒墙肢压应力水平差异较大,重力荷 载作用下连梁有较大的内力,墙肢通过连梁进行压 应力二次传递,应避免;转换结构的布置,应尽量使上部结构竖向构件传来 的重力荷载通过转换层一次至多二次转换,能传递 到下部结构的竖向构件。


      水平荷载的传力直接


      ?#20849;?#21147;结构体系明确、传力直接,?#20849;?#21147;结构一般 由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成,宜尽?#25239;?#36890; 连续,尽量减少变化,尽量变化缓慢均匀; 高层建筑结构本质为三维空间结构,应使各部分抗 侧力结构都能有效参与?#20849;?#24037;作。楼屋盖起到协调 各?#20849;?#21147;结构工作,应使其具有足够刚度、承载力 及整体性;  非结构构件的填充墙采用轻质材料,采用柔性连接。 避免有一定刚度的填充墙刚性连接使主体结构传力 不明确、不直接。


      结构的合理刚度 楼盖结构合理的刚度

      楼盖结构梁板截面尺寸合理、布置?#23454;保? 主体?#20849;?#21147;结构的合理刚度 主体?#20849;?#21147;结构刚度满足规范规定的水平位移、整 体稳定、结构?#26377;?#30340;要求,保证结构正常工作,同 时结构刚度不宜过大; 结构?#20849;?#21018;度过大,地震作用增大,基础负担增大, 结构构件截面及构造配筋增加较大;结构构件占用 面积、空间加大,降低建筑使用率; 合理的结构?#20849;?#21147;刚度应?#26376;?#36275;和略大于规?#26029;?#20540; 即可,建议按大于规?#26029;?#20540;10%控制。


      小结:高层建筑结构设计核心指导思想——均匀性,即质 量均匀、刚度均匀、受力均匀、承载力均匀,整体 结构共同工作。


      高层建筑结构设计方法及主要设计指标


      高层建筑结构设计方法 高层建筑结构设计方法 —重力荷载入手,水平荷载复 核。 重力荷载入手—根据重力荷载确定结构构件初始截 面,结构整体?#20849;?#21018;度也初步建立; 水平荷载复核—在水平荷载风及地震作用下,复核 重力荷载作用下确定的初始结构,在满足结构稳定、 承载力及变形条件下,对初始结构进行优化调整。

      傅总的《实用高层建 筑结构设计》第3章给出 了一般的高层建筑结构 实用有效的设计方法、 步骤。 ? 右图的设计框图里面, 简化(手算)计算部分, 实际工作中建议采用电 算代替,但设计中应掌 握基本的手算技能,学 会对电算结果进行分析 和评价,?#24418;?#30450;从软件。

      233.png


      主要设计指标 重力荷载及质量


      结构自重占总重力荷载比一般在60%~80%,设计 中应扣除?#28023;?#22681;)板重叠、梁柱重叠的部分自重; 钢筋混凝土容重25Kn/m3 ,钢材78.5Kn/m3;常用的 使用活荷载及其折减详《荷规?#32602;?结构质量(重力荷载代表?#25285;?#26469;源于重力荷载,为 结构恒载及考虑折减的活荷载,一般为1.0恒+0.5活。

      常用结构体系单位重量如下,100m以上的高层建筑 取上限,200m以上的框筒结构宜在下表基础上放大 1.1倍。 


      344.png


      层间位?#24179;?

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      主要设计指标—几个常用的“比”


      高宽比


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      长宽比:6、7度≤6.0, 8、9度≤5.0

      质量比:上下层比值≤1.5

      周期比:A级,0.9;B级,0.85

      位移比:A级,不宜≥1.2,不应≥1.5 B级,不宜≥1.2,不应≥1.4


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      楼层侧向刚度比: 框架:剪切变形为主, 侧向刚度=层剪力/层间侧移 本层与上层比≥0.7, 本层与上部三层平均值比≥0.8 框剪、框筒等:弯剪变形为主, 侧向刚度=层剪力/层间侧?#24179;?本层与上层比≥0.9 ≥1.1(1.5倍层高比以上) ≥1.5(嵌固端)

      楼层受剪承载力比:A级,本层与上层不宜≤80%, 不应≤ 65% B级,本层与上层不应≤75%, ? 剪重比:本层剪重比=地震作用层剪力(标准?#25285;?/本层及以上层重力代表值 须满足最小剪重比要求,如下:


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      推荐学习资料

      1、《实用高层建筑结构设计?#32602;?#20613;学怡著

      2、《高层建筑结构分析与设计?#32602;?#38472;瑜、龚炳年校译

      3、《结构概念与体系?#32602;?#26519;同炎著

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