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    3. 高層建筑的結構設計詳解

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      作者:周建榮 高層建筑結構體系與宏觀受力特點 建筑設計2482最新高度: 結構體系簡述  懸臂柱體系(傳統高層建筑結構體系)  傳統高層建筑可整體看作一根巨型的懸臂柱; 在實心的巨型懸臂柱中,通過不同的空間開洞方式形 成不同的結構體系,例如框架結構、剪力墻結構、框 剪結構、框筒結構、巨型框架-

      作者:周建榮


      高層建筑結構體系與宏觀受力特點


      建筑設計2482最新高度:

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      結構體系簡述 


      懸臂柱體系(傳統高層建筑結構體系) 

      傳統高層建筑可整體看作一根巨型的懸臂柱;

      在實心的巨型懸臂柱中,通過不同的空間開洞方式形 成不同的結構體系,例如框架結構剪力墻結構、框 剪結構、框筒結構、巨型框架-核心筒等等; 

      高層建筑結構屬于特殊的空間結構,樓蓋結構將所 有豎向構件(筒體、剪力墻、框架柱、支撐)連成 整體,實現共同工作;

      在水平力(風、地震)作用下,整體結構具有懸臂 柱內力分布特點—彎矩、剪力沿根部方向逐漸增大, 根部彎矩、剪力最大。

      索作為主抗側力構件的超高層建筑 DCH塔屬于索作為主抗側力構件的新型超 高層建筑,有別于傳統超高層建筑: 

      索作為第一抗側力主構件; 

      水平力作用下,筒體不具有懸臂柱內力 分布特點;由于索的存在,筒體最大彎 矩出現在中部,非根部; 

      抵抗水平力由受拉側索、筒體、受壓側 索共同承擔;


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      常見高層建筑結構體系


      常見高層建筑結構體系如下:

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      250m以上高層建筑結構體系


      高度超過250 m 的超高層建筑 結構,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-巨型支撐4 種結構體系;

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

      巨型框架-核心筒、巨型框架- 核心筒-巨型支撐適用于高度300 m 以上的超高層建筑。


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      上海中心結構體系


      塔樓抗側力體系為巨型框架- 核心筒-外伸臂結構體系; 在8 個機電層區布置6 道兩 層高的外伸臂桁架和8 道箱 形空間環形桁架。 由箱形空間環形桁架和巨柱 形成外圍巨型框架


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      高層建筑結構宏觀受力特點 高層tag_1中,水平荷 載(作用)是主要荷載,結 構高度和抵抗側移是設計的 主要矛盾; 隨結構高度增加,在水平 力作用下,側向位移增加最 快,其次是彎矩、軸力。

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      用于承擔重力荷載的結構 材料用量,與房屋層數成線 性比例增加; 其中用于樓蓋結構的材料 用量大體是定值,幾乎與結 構層數無關; 用于墻、柱等豎向承重構 件的材料用量,則隨房屋的 層數比例增長; 用于抵抗水平側力的結構 材料數量,則按房屋層數二 次方的關系曲線急劇增長。

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      高層建筑結構設計指導思想


      結構的均勻

      對稱性 

      結構的對稱性


      結構的對稱性指高層建筑中抗側力的主體結構對稱; 對稱的建筑容易實現結構的對稱性; 不對稱的建筑如平面形狀L形、T形、S形等高層建筑, 需進行合理的結構布置(如筒體、剪力墻的合理布 置),設法調整的剛心與建筑質心、平面形心盡量 接近,實現結構的基本對稱;  結構較大不對稱,引起水平力下較大扭轉變形,不 利非結構構件如填充墻幕墻正常工作,結構成本 較大增加。



      結構的均勻性 


      主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度接近、變形特 性接近; 主體抗側力結構沿豎向斷面、構成變化比較均勻, 盡量減少突變。

      主要體現—層剛度盡量減少突變, 層剛度突變(增大或減小過大),容易應力集中, 一般伴隨抗剪承載力突變,引起薄弱層出現; 主體抗側力結構平面布置,同一主軸方向各片抗側 力結構剛度均勻,避免設置某一、兩片剛度特別大 而延性較差的結構,如長窄的實體剪力墻。

      個別構件剛度巨大,容易應力集中,首先破壞,從 而形成逐個擊破,無法發揮整體結構的協調工作。盡量做到中央核心與周邊結構剛度協調均勻,保證 主體結構具有較好扭轉剛度,避免扭轉變形過大, 有利于控制扭轉周期比、扭轉位移比。 如剪力墻結構中剪力墻盡量周邊、均勻布置,結構 中部剪力墻滿足重力荷載要求。


      荷載的傳力直接重力荷載的傳力直接


      傳力路徑:荷載(集中、線、面)通過樓蓋的板、 梁,將重力荷載傳至豎向構件墻、柱,后由豎向構 件傳至基礎,再由基礎傳至地基。

      樓屋蓋結構布置應盡量使重力荷載以最短路徑傳至 豎向構件墻、柱; 豎向構件的布置應盡量使其在重力荷載作用下壓應 力水平接近均勻,減少豎向構件之間的壓應力二次 轉移。

      如核心筒墻肢壓應力水平差異較大,重力荷 載作用下連梁有較大的內力,墻肢通過連梁進行壓 應力二次傳遞,應避免;轉換結構的布置,應盡量使上部結構豎向構件傳來 的重力荷載通過轉換層一次至多二次轉換,能傳遞 到下部結構的豎向構件。


      水平荷載的傳力直接


      抗側力結構體系明確、傳力直接,抗側力結構一般 由框架、剪力墻、筒體、支撐等組成,宜盡量貫通 連續,盡量減少變化,盡量變化緩慢均勻; 高層建筑結構本質為三維空間結構,應使各部分抗 側力結構都能有效參與抗側工作。樓屋蓋起到協調 各抗側力結構工作,應使其具有足夠剛度、承載力 及整體性;  非結構構件的填充墻采用輕質材料,采用柔性連接。 避免有一定剛度的填充墻剛性連接使主體結構傳力 不明確、不直接。


      結構的合理剛度 樓蓋結構合理的剛度

      樓蓋結構梁板截面尺寸合理、布置適當;  主體抗側力結構的合理剛度 主體抗側力結構剛度滿足規范規定的水平位移、整 體穩定、結構延性的要求,保證結構正常工作,同 時結構剛度不宜過大; 結構抗側剛度過大,地震作用增大,基礎負擔增大, 結構構件截面及構造配筋增加較大;結構構件占用 面積、空間加大,降低建筑使用率; 合理的結構抗側力剛度應以滿足和略大于規范限值 即可,建議按大于規范限值10%控制。


      小結:高層建筑結構設計核心指導思想——均勻性,即質 量均勻、剛度均勻、受力均勻、承載力均勻,整體 結構共同工作。


      高層建筑結構設計方法及主要設計指標


      高層建筑結構設計方法 高層建筑結構設計方法 —重力荷載入手,水平荷載復 核。 重力荷載入手—根據重力荷載確定結構構件初始截 面,結構整體抗側剛度也初步建立; 水平荷載復核—在水平荷載風及地震作用下,復核 重力荷載作用下確定的初始結構,在滿足結構穩定、 承載力及變形條件下,對初始結構進行優化調整。

      傅總的《實用高層建 筑結構設計》第3章給出 了一般的高層建筑結構 實用有效的設計方法、 步驟。 ? 右圖的設計框圖里面, 簡化(手算)計算部分, 實際工作中建議采用電 算代替,但設計中應掌 握基本的手算技能,學 會對電算結果進行分析 和評價,切勿盲從軟件。

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      主要設計指標 重力荷載及質量


      結構自重占總重力荷載比一般在60%~80%,設計 中應扣除梁(墻)板重疊、梁柱重疊的部分自重; 鋼筋混凝土容重25Kn/m3 ,鋼材78.5Kn/m3;常用的 使用活荷載及其折減詳《荷規》; 結構質量(重力荷載代表值)來源于重力荷載,為 結構恒載及考慮折減的活荷載,一般為1.0恒+0.5活。

      常用結構體系單位重量如下,100m以上的高層建筑 取上限,200m以上的框筒結構宜在下表基礎上放大 1.1倍。 


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      層間位移角

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      主要設計指標—幾個常用的“比”


      高寬比


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      長寬比:6、7度≤6.0, 8、9度≤5.0

      質量比:上下層比值≤1.5

      周期比:A級,0.9;B級,0.85

      位移比:A級,不宜≥1.2,不應≥1.5 B級,不宜≥1.2,不應≥1.4


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      樓層側向剛度比: 框架:剪切變形為主, 側向剛度=層剪力/層間側移 本層與上層比≥0.7, 本層與上部三層平均值比≥0.8 框剪、框筒等:彎剪變形為主, 側向剛度=層剪力/層間側移角 本層與上層比≥0.9 ≥1.1(1.5倍層高比以上) ≥1.5(嵌固端)

      樓層受剪承載力比:A級,本層與上層不宜≤80%, 不應≤ 65% B級,本層與上層不應≤75%, ? 剪重比:本層剪重比=地震作用層剪力(標準值) /本層及以上層重力代表值 須滿足最小剪重比要求,如下:


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      推薦學習資料

      1、《實用高層建筑結構設計》,傅學怡著

      2、《高層建筑結構分析與設計》,陳瑜、龔炳年校譯

      3、《結構概念與體系》,林同炎著

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