高层建筑结构设计.ppt
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1、多层及高 层 建 筑 结 构设计,参考资料:,1.高层建筑混凝土技术规程(JGJ 3-2002)2.建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)3.高层建筑结构(吕西林 主编),0、绪论 高层建筑结构体系及布置,常用的结构体系竖向结构体系(抗侧力体系)的选择水平承重体系(楼盖体系)及其选择,back,0.1高层结构体系的发展过程,0.2常用的结构体系,back,竖向结构体系(抗侧力体系)的选择,建筑使用功能建筑平面建筑高度抗震等级地质条件施工技术,back,水平承重体系(楼盖体系)及其选择,楼(屋)盖体系的作用承受竖向荷载连接抗侧力构件,承受其传来的剪力和轴力选择原则结构整体性、面内刚度结构
2、高度小、质量轻建筑使用功能、装饰要求、设备安装、施工技术等常用楼盖体系及其适用性现浇楼盖预制板楼盖预应力叠合板楼盖组合楼盖,back,常用楼盖体系及其适用性,现浇楼盖肋梁楼盖 普通、技术经济指标好;结构高度大、不便管线安装 宽扁梁(用于层高受限时)密肋楼盖省材料、自重轻、高度大、适用于大跨且梁高受限时、当使用 荷载较大时可有较好技术经济指标好;不美观、吊顶处理无梁楼盖适用于大跨且梁高受限、或升层法施工时;冲切问题非预应力平板楼盖广泛用于剪力墙、筒体结构、可降低层高、平整;跨度大时自重大、不经济现浇非预应力空心板楼盖无粘结预应力平板楼盖适用于大跨且梁高受限时、平面布置灵活预制板楼盖预应力空心板楼
3、盖适用于高度50m以下时,但要求严格(缝内设钢筋、设现浇 面层、加强板端连接)预应力大楼板楼盖与房间同尺寸,双向先张法预应力筋,板边齿槽;吊装问题预应力叠合板楼盖预制RC薄板(50-60mm),上现浇RC。省模板、刚度大、整体性好组合楼盖 压型钢板上现浇RC。省模板、自重小、厚度小;用钢量大,back,0.3结构布置原则,1 抗震设防结构布置原则(1)选择有利的场地(2)保证地基基础的承载力、刚度(3)合理设置抗震缝(4)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径(5)多道抗震设防能力(6)合理选择结构体系(7)结构应有足够的刚度(8)结构应有足够的结构承载力(9)节点的承载力应大于构件的承
4、载力(10)结构应有足够的变形能力及耗能能力,2 房屋适用高度和高宽比,适用的房屋最大高度(m),注:1 房屋高度指室外地面至主要屋面高度(不包括局部突出屋面的电梯机房等高度);2 框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构;3 部分框支剪力墙结构指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构;4 9度抗震设防、超过表内高度的房屋,应进行专门研究,采取必要的加强措施。,back,3 结构平面布置原则高层建筑结构平面形状宜简单、规则、对称,刚度和承载力分布均匀,不应采用严重不规则的平面形状。4 结构竖向布置原则,第一章 结构极限状态设计的基本原理,结构功能要求,能承受正常施工和正常使用是可能出现的
5、各种作用在正常使用时具有良好的工作性能在正常维护下具有足够的耐久性能在偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性,结构可靠度,在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率在规定的时间内设计基准期(50年)在规定的条件下正常设计、正常施工、正常使用预定功能四项结构功能,极限状态设计,可靠指标失效概率可靠指标,back,Z,=Z,Z,Z,fZ(Z),0,Z=R-S0=Z/Z Z=R-S Z2=R2+S2,1.1 极限状态设计,定义整个(或部分)结构超过某特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求两类极限状态承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形(如倾覆、疲劳、机构
6、、失稳等)正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值(如影响正常使用或外观的变形、局部损坏、振动或其它特定状态)极限状态方程g(X1,X2,Xn)=0极限状态设计表达式g(X1,X2,Xn)0Z=R-S0,back,1.2 作用及其分类,直接作用(荷载)施加在结构上的集中或分布荷载GBJ68-84间接作用(作用)引起结构外加变形或约束变形的原因(温度变化、焊接、基础沉降、地震、混凝土收缩等),back,1.3 风荷载,基本风压定义:当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的30年一遇10min平均最大风速v0为标准,按v02/1600确定的风压值按全国基本风压分布图采用,
7、=0.25kN/m2调整系数(略),back,风压高度变化系数风荷载体型系数风振系数考虑范围房屋结构 H30m&H/B1.5高耸结构 T10.25s考虑方法,1.4 抗震设计规范以黑体字标志的条文为强制性条文,必须严格执行。术语抗震设防烈度 seismic fortification intensity 按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。,1.4.1 地震作用,建筑抗震设防目标与标准抗震设防及其思想设防依据设防目标及其实现建筑类别与设防标准建筑结构抗震验算地震作用计算结构抗震验算,back,1、抗震设防及其思想,抗震设防对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施指导思想预防为主减
8、轻结构震害避免人员伤亡减少经济损失使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行趋势使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力,back,2、设防依据抗震设防烈度,定义:按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度确定:必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定一般情况下,可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度度(或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值)对做过抗震防灾规划的城市,可按批准的抗震设防区划(抗震设防烈度或设计地震动参数)进行抗震设防设防范围6-9度,back,3、抗震设防目标:小震不坏、中震可修、大震不倒抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑,必须进行抗震设计。
9、大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的工业建筑,抗震设计有专门规定。,4、两阶段设计,back,说明:第一阶段为弹性分析,包括截面设计和变形计算;大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。,5、三水准地震作用的标定,基本假定地震强度呈极值分布烈度符合极值III型,back,计算 F(I)=exp-(12-I)k/(12-Im)k,RT=-T/ln(1-F(I),I,f(I),Im,I0,Is,一般关系 烈度:Im=I0-1.55,Is=I0+1 加速度:PGAm=PGA0*1/3,PGAs=PGAm*(4-6),6、建筑类别与设防标准,back,1.4.2 地震作用计算,一般说明和
10、计算原则基本计算数据水平地震作用的计算竖向地震作用的计算,back,1、一般说明和计算原则,影响设计地震作用的因素设计地震作用的方向地震作用的计算范围和原则地震作用的计算方法及其适用范围计算模型,back,2、影响设计地震作用的因素,地震动特性方面抗震设防烈度设计近远震场地类别结构特性方面结构自振周期建筑质量(重力荷载)结构阻尼比(材料),back,设计地震作用的方向水平(两个)竖向(一个)结构效应的方向平动(两个水平、一个竖向)扭转(竖轴),3、设计地震作用的方向,back,4、地震作用的计算范围和原则,计算范围水平地震作用,6度区(除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋外)可不算 7-9度区(
11、除可不进行上部结构抗震验算的房屋外)均算,8、9度大跨度结构和长悬臂结构9度的高层建筑,水平地震作用的计算原则,竖向地震作用,一般正交布置抗侧力构件的结构,可沿纵横主轴方向分别计算 斜交布置抗侧力构件的结构,宜按平行于抗侧力构件方向计算 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构,应考虑水平地震作用的扭转影响,back,地震作用的计算方法及其适用范围,back,计算模型集中质量模型,多高层房屋无扭转有扭转单层厂房横向纵向,back,基本计算数据,重力荷载代表值结构自振周期设计反应谱,重力荷载代表值,重力荷载代表值永久荷载(建筑结构构配件自重)标准值+可变荷载(雪、灰、楼面活荷载)组合值,back,永久
12、荷载标准值,组合值系数,可变荷载标准值,设计反应谱,水平地震影响系数,水平地震影响系数曲线 水平地震影响系数曲线,水平地震影响系数最大值,T(s),max,0.45max,0,0.1,Tg(特征周期),3.0,=(Tg/T)0.9 max=0.2 max,back,设计近远震,场地类别,5、场地类别的划分,back,场地覆盖层厚度(m),场地土类型,0 3 9 80,坚硬中硬中软软弱,III,III,IV,back,6、水平地震作用的计算,振型分解反应谱法底部剪力法时程分析法楼层水平地震剪力的分配扭转问题地基结构动力相互作用,振型分解反应谱法,back,计算振型,计算地震影响系数和振型参与系数
13、,计算振型地震作用,计算振型地震效应,振型组合,xg(t),xi(t),a1i,aji,ani,两点注意:计算步骤塔楼,底部剪力法,计算方法底部剪力的计算地震作用沿高度的分配,mHi,Hi,Fi,FEk,Fn,顶部附加地震作用,突出屋面小建筑物 适用条件,back,Geq结构等效重力荷载代表值SDOF:Geq=G1MDOF:Geq=Sum(Gi)*0.85,楼层水平地震剪力的分配,现浇和装配整体式混凝土楼屋盖等刚性楼盖建筑,宜按抗侧力构件等效刚度的比例分配木楼屋盖等柔性楼盖建筑,宜按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配普通预制板的装配式混凝土楼屋盖等半刚性楼盖建筑,可取上述两种分配结果
14、的平均值考虑空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和扭转的影响时,可按各有关规定对上述分配结果作适当调整,back,7、竖向地震作用的计算,高层房屋(9度)地震作用标准值,Fvi,Hi,Fvi,FEvk,楼屋盖的竖向地震作用效应分配 按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配 平板型网架屋盖和跨度大于24m的屋架(8、9度),长悬臂和其它大跨结构(8、9度),back,back,结构抗震验算,一般规定地震作用下的作用效应组合截面抗震验算抗震变形验算,结构抗震验算的一般规定,验算范围除6度建筑(IV类场地上的较高层除外)和规定可不进行验算的结构外,均应验算验算内容截面抗震验算抗震变形验算多遇地震作用下的
15、弹性变形验算非结构构件的破坏罕遇地震作用下的弹塑性变形验算抗倒塌,back,back,地震作用下的作用效应组合,back,截面抗震验算,内力基本组合设计值,抗震承载力设计值,承载力调整系数,第二章 荷载效应组合,承载能力极限状态,back,基本组合,偶然组合,正常使用极限状态,短期效应组合,长期效应组合,第三章 计算原则及一般规定 第一节 弹性及弹塑性分析,我国规范规定在风荷载作用下,内力及位移分析采用弹性计算方法。抗震设计的两阶段设计计算方法不同,在第一阶段内力及位移分析采用弹性计算方法,在第二阶段,采用弹塑性时程分析方法校核变形。为了实现三水准抗震设防目标,抗震设计采取的二阶段方法是:,第
16、一阶段为小震作用下的结构设计,内容包括:确定结构方案和结构布置,用小震(即众值烈度地震)作用计算结构的弹性位移和构件内力,进行结构变形验算,极限状态方法设计截面配筋,进行截面承载力抗震验算,按延性和耗能要求,采取相应的抗震构造措施,做到小震不坏,中震可修。,第二阶段为罕遇地震作用下薄弱部位弹塑性变形验算,如果层间变形超过允许值,应修改设计,直到满足变形要求为止,现行抗震规范并未要求对一般高层建筑结构进行第二阶段验算,但是对于高度较大,或者是超过规程规定的最大适用高度的建筑,用弹塑性时程分析方法进行第二阶段的变形验算是一种有效的校核设计的手段。,第二节 静力分析与动力分析,静力分析是指在结构上加
17、静力荷载,也就是用不变的荷载进行内力和位移的计算,内力与位移当然也是不变的,所有内力符合平衡条件,所有位移符合变形协调条件。竖向恒载与活载,风荷载作用下的计算都是静力计算。,动力分析是指外力作用是随时间而变化的,例如地震作用,因而位移与内力也是随时间而变化的。但是目前的地震作用计算方法采用了反应谱方法,是把动力问题简化成每个振型的静力分析,再把振型计算的结果组合起来(SRSS方法或CQC方法),所以又称为拟静力方法(有人也把它叫做“动力分析方法”)。我国现在通用的说法是把动力特性的分析叫做“动力分析”,它包括周期(频率)与振型的计算,这是地震作用下计算不可缺少的部分。动力特性分析及振型组合的计
18、算都是弹性计算,其计算基本假定、计算简图都与静力计算相同。,时程分析方法是动力分析方法,它通过动力分析求得结构的运动状态(位移、速度、加速度),由每个时刻的位移再求出每个时刻的内力,时程分析方法可分为弹性时程分析与弹塑性时程分析。,第三节 水平力作用方向,实际风荷载及地震作用的方向是任意的,但是在规范中规定,结构计算只考虑x、y两个正交方向作用的水平力,各方向水平地震力全部由该方向抗侧力结构承担,这是一种简化。,x、y 方向通常是指结构的主轴方向。主轴方向的定义是当水平力在主轴方向作用时,只产生主轴方向的位移,且位移最大。主轴是一对正交的轴,在大多数规则形状的结构中,主轴是很容易确定的;凡是具
19、有对称轴的平面,其对称轴及其正交方向即主轴方向;一个平面可能有多组主轴。在主轴方向结构抗侧刚度最小,变形最大,因而规范规定只作主轴方向计算,但对于一些斜向布置的构件,可能作用力沿这个斜方向会使它的内力最大,因而有时也需要用斜方向计算。有时结构主轴不易判断,则应根据经验判断取最接近主轴的x、y两个方向,或通过计算确定。,第四节 计算基本假定,对结构进行分析时,首先分析结构的动力特性,再分析结构的变形及内力。在需要时,再进行时程分析。对结构工程师的基本要求是;合理运用简化假定,善于抓住主要的,忽略次要的,正确选用恰当的计算方法。规程中对结构计算作了如下的一些基本假定,不同的方法采用的假定会有所不同
20、,应当根据设计要求选用符合实际的假定与方法。,基本简化假定(1)平面结构假定 任何一个建筑物都是空间结构,都应该能承受来自不同方向的力的作用,因此每个构件都与不在同一平面内的其它构件相联系,形成三维传力体系。但是,经常将结构简化为平面结构分析,平面结构是一种简化假定,假定结构只能在它自身平面内具有有限刚度,例如平面框架、剪力墙、只能抵抗平面内的作用力。在平面外刚度为零,也不产生平面外的内力。因此杆件每一个结点具有的三个自由度(在二维平面中,以下简称基本简化假定(1)。多数结构符合这些条件,但是有一些结构必需考虑与平面外有相互传力关系,例如框筒的角柱、空间框架、空间桁架等,则必须按空间杆件计算,
21、计算时每个结点具有六个自由度(在三维平面中)。,基本简化假定(2)楼板平面内无限刚性假定 在大多数情况下,都可假定楼板在其自身平面内无限刚性,不能变形,而在平面外则刚度为零(以下简称基本简化假定(2)。因而楼板经常作为若干个平面结构之间的联系,使这些平面结构在水平荷载作用下同一楼层处的侧移都相等(无扭转时),或侧移分布成直线关系(有扭转时)。楼板的这种作用称为“水平位移协调“(注意这些平面结构的竖向变形是独立的,互不相关的)。采用基本简化假定(1)及(2),不考虑结构扭转时,称为平面协同计算(此时,正交方向的抗侧单元不参加工作)。考虑扭转时称为空间协同计算(此时,正交方向的抗侧力结构结构参加抵
22、抗扭矩)。,另一种变形协调的计算竖向变形协调。当有两片相互交汇的平面结构(符合基本简化假定(1),通过交汇处的柱竖向变形一致而传递内力,这种计算称为竖向变形协调的协同计算。在框筒结构中,当楼板较薄,忽略腹板框架(或翼缘框架)与楼板大梁的传力关系时,往往采用这种方法。这种计算比仅有水平位移协调的计算更符合实际,又简化了计算。如果结构平面布置较复杂,无法分成单片抗侧力结构,或当筒中筒结构的框筒与内筒之间有较大的梁时,需要考虑这些大梁与框筒柱的刚性连接(传递弯矩),每一根柱都需要考虑框架平面内与平面外的变形与受力,则此时结构必须采用完全的三维构件计算,可称为(真正的)空间计算。,楼板是保证协同工作的
23、重要构件,当采用基本简化假定(2)时,应确定楼板在其自身平面内确有足够大的刚度,当楼板长宽比较大,或者局部楼板长宽比较大,局部外伸的楼板较细长或楼板开大孔,在水平荷载下楼板会有较大变形时,则按无限刚性假定计算所得结果与实际情况不符。这种情况下规范规定要考虑楼板的有限刚性结构分析。这种分析会增加计算自由度,目前只有很少的程序可做这种计算,一般情况下是避免设计这种结构;在框架-剪力墙结构中要限制剪力墙的间距,就是为了减少楼板的水平变形。当楼板变形情况不严重时可在按刚性楼板计算的基础上对内力进行适当调整,并采取相应构造措施。,构件的刚度及构件变形影响因素 我国规范规定在风荷载及地震作用下(小震),结
24、构处于弹性状态,因而除少量情况外,构件均采用弹性刚度。构件变形包括三种,相应有三种刚度(轴向、弯曲及剪切),结构分析时计入那些刚度涉及对构件变形所做的计算假定。,一个构件应有轴向、弯曲及剪切变形,相应的刚度为EA、EI及GA。一般情况下梁、柱构件的弯曲变形都是基本变形,抗弯刚度EI必须考虑;在高度较小的多层结构中,柱轴向变形小,可忽略,因而视EA为无限大,计算中不考虑;在高度较大时忽略柱轴向变形会造成较大的误差;规范规定在高度超过50m、以及高宽比大于4的结构中,宜考虑柱轴向变形影响,长细比lh大于4的构件中剪切变形都忽略,GA无限大。基本简化假定(2)的实质是在同一层楼板上的所有节点间水平距
25、离不变,也就是说梁没有轴向变形。实际上梁的轴向力很小,设计时被忽略而作为受弯构件设计足够精确。,支撑只考虑轴向变形而只有轴向刚度EA,其他变形一般都忽略。在程序计算中,除了忽略梁轴向变形外,构件中的其他变形都考虑,计算精度较高。在手算中,为了简化,经常忽略某一项或两项。在下面的各种结构计算方法中再分别介绍。在弹性计算中都采用材料模量E及剪切模量G(混凝土的G=0.42E),I为截面的惯性矩;但要注意轴向刚度EA中的A是取构件全截面,而剪切刚度GA中的A则只取腹板面积,这是由于在I形或T 形截面中,翼缘的剪应变很小而被忽略了,只计算腹板的剪切变形(矩形截面A为全截面)。,第五节 塑性内力重分布,
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