高层建筑结构设计ppt课件.ppt
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高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,绪论,一、本课程讲授的主要内容,高层建筑的一般知识高层建筑结构的体系与布置高层建筑结构的荷载与设计要求框架结构的计算剪力墙的计算框架剪力墙结构的内力和位移计算扭转近似计算,Page2,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,二、本课程的学习重点,以现行钢筋混凝土高层建筑结构设计规范、规程为重点,介绍高层钢筋混凝土结构的设计原理与方法;能够进行高层钢筋混凝土结构,特别是高层框架结构、高层剪力墙结构和高层框架剪力墙结构的设计。
Page3,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,三、本课程的学习方式,课堂讲授与自学相结合讲课与作业相结合,四、主要参考文献,1.建筑结构荷载规范(GB50009-2012)2.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)3.建筑抗震设计规范(GB50011-2010)4.混凝土结构设计规范(GB50010-2010)5.现行地基与桩基设计规范6.赵西安,现代高层建筑结构设计,1999年7.沈蒲生,高层建筑结构设计,20068.傅学怡,实用高层建筑结构设计,2010年,Page4,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,第一章高层建筑的一般知识,Page5,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,一、高层建筑的定义(世界各国无统一的定义),表1-1一部分国家和组织对高层建筑起始高度的规定,Page6,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,二、发展高层建筑的意义,图1-1世界人口变化图,节约用地节省城市基础设施费用改善城市市容,Page7,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,金茂大厦JinmaoBuilding,【竣工日期】:
1999年3月18日【占地面积】:
2.3公顷【建筑面积】:
29万平方米【建筑层数】:
地上88层,地下3层【建筑高度】:
420.5米【结构形式】:
钢筋混凝土结构,三、典型工程(已建成),Page8,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,上海环球金融中心ShanghaiWorldFinancialCenter,【竣工日期】:
2008年8月29日【用地面积】:
30,000m2【占地面积】:
14,400m2【建筑面积】:
381,600m2【建筑层数】:
地上101层、地下3层【建筑高度】:
492米【结构形式】:
钢筋混凝土结构(SRC结构)、钢结构(S结构),Page9,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,台北101TAIPEI101,【竣工日期】:
2003年10月。
【建筑层数】:
地上101层、地下5层。
【建筑高度】:
508米。
【结构形式】:
钢筋混凝土结构新型的巨型结构,Page10,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,吉隆坡石油双塔ThePetronasTwinTowers,【开工时间】:
1993年12月27日【竣工时间】:
1996年2月13日【占地面积】:
40公顷【建筑面积】:
28.95万平方米【建筑高度】:
452米【建筑层数】:
88层,Page11,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,广州塔(小蛮腰)CantonTower,【竣工时间】:
2009年9月【占地面积】:
17.546万平方米【建筑面积】:
11.4054万平方米【建筑高度】:
塔身主体454米,天线桅杆156米,总高度610米。
【建筑层数】:
108层,最细处在66层【结构形式】:
钢筋混凝土结构,Page12,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,迪拜塔BurjDubai,【开工时间】:
2004年9月21日【竣工时间】:
2010年1月4日【建筑面积】:
344,000万平方米【建筑高度】:
总高度828米。
当前世界第一高楼。
【建筑层数】:
162层【结构形式】:
钢筋混凝土结构,Page13,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,四、典型工程(未建成),上海中心大厦ShanghaiCenterTower,【开工时间】:
2008年11月29日【竣工时间】:
2015年投入使用【建筑高度】:
结构高度580米总高度632米【建筑层数】:
127层【结构形式】:
钢筋混凝土核心筒-外框架结构,Page14,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,深圳证券交易所营运中心ShenzhenInternationalTradeCenter,深圳证券交易所营运中心营运中心占地面积3.91万平方米,建筑总高度245.8米,建设规模约26.7万平方米,其中地上部分约为18.3万平方米,地下部分约为8.4万平方米。
深圳证券交易所营运中心营运中心大楼外观为立柱形,大厦底座被抬升至30多米形成一个巨大的“漂浮平台”,平台的“腰部”由一条鲜亮的红色光带“缠绕”,整体造型犹如一个漂亮的烛台。
Page15,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,深圳平安国际金融中心PingAnInternationalFinanceCenter,“平安国际金融中心”共115层,18层为裙房,用作商业,8115层是办公区。
带外伸臂的混合结构。
本工程于2011年11月15日动工,工期45年,计划于2016年3月竣工。
设计高度为塔顶646米,屋面588米,该中心将成为深圳市标志性建筑物。
Page16,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingstructures,九龍倉长沙国际金融中心ChangshaInternationalFinanceCenter,“九龍倉”位于长沙市五一商圈和中央商务核心区。
最高塔楼设计高度510米,建成后将成为湖南第一高楼,长沙市的新地标。
项目计划于2016年全部建成。
Page17,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,第二章结构体系及布置,Page18,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-1引言,一、高层建筑结构的受力特点,当建筑物高度增加时,水平荷载(风荷载及地震作用)对结构起的作用将愈来愈大。
除了结构内力将明显加大外,结构侧向位移增加更快。
图2-1是结构内力(N,M)、位移()与高度的关系,弯矩和位移都成指数曲线上升。
内力或位移,=f(H4),M=f(H2),N=f(H),H,图2-1结构内力、位移与高度的关系,Page19,二、高层建筑结构设计的一般规定,高层建筑结构设计应注重概念设计,重视结构选型与平、立面布置的规则性,择优选用抗震和抗风好且经济的结构体系,加强构造措施。
在抗震设计中,应保证结构的整体性能,使整个结构具有必要的承载力、刚度和延性。
结构应满足下列规定:
应具有必要的承载力、刚度和变形能力;应避免因局部破坏而导致整个结构破坏;对可能的薄弱部位要采取加强措施;结构选型与布置合理,避免局部突变和扭转;宜具有多道抗震防线。
高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page20,三、高层建筑结构体系,多层和高层建筑抗侧力体系在不断的发展和改进,建筑高度也不断增高。
现在,多层和高层建筑结构体系大约可分为四大类型:
框架结构;剪力墙结构;框架剪力墙结构;筒体结构。
各有不同的适用的高度和优缺点。
高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page21,2-2常用结构体系,框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是多层及高层建筑中传统的、广为应用的抗侧力体系;在高度较大的高层建筑中,利用结构空间作用,又发展了:
框架-筒体结构、框筒结构、筒中筒结构及多筒结构等多种抗侧力很好的结构体系。
高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page22,一、框架结构梁、柱、板构成,当采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构,并同承受水平荷载时,称其为框架结构体系。
1、结构特点:
建筑平面布置灵活;可形成大空间;施工简便,较经济;抗侧刚度小,侧移大;对支座不均匀沉降敏感;宜用于15层以下,最大适用高度70m。
图2-2框架结构示例,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page23,2、类别:
整体式框架整体现浇;装配式框架构件预制;装配整体式框架部分现浇、部分预制(采用叠合梁)。
3、承重分类:
横向框架承重;纵向框架承重;纵横向框架承重。
高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page24,二、剪力墙结构剪力墙、梁、板构成,利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构,称为剪力墙结构体系。
结构特点:
抗侧刚度大;整体性、抗震性好;平面布置不灵活。
最大适用高度150-180m。
高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,图2-3剪力墙结构示例,Page25,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,三、框架-剪力墙结构,结构特点:
剪力墙承受大部分水平荷载,框架主要承受竖向荷载。
一般用于140-170m。
图2-4框架-剪力墙结构示例,Page26,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,四、筒体结构,1、框架-核心筒结构,结构特点:
类似框架-剪力墙结构。
最大适用高度160-220m。
图2-5框架-核心筒结构示例,Page27,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2、筒中筒结构,结构特点:
刚度大、空间整体性好。
最大适用高度200-300m。
图2-6筒中筒结构示例,Page28,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3、多筒体结构,图2-7多筒体结构示例,当建筑物高度大,受到的水平荷载较大,筒中筒结构的强度和刚度不能满足要求时,可以采用多重筒结构。
即:
在建筑平面内也布置多个筒体,形成如图2-7所示的多筒体结构。
Page29,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,五、其他结构,结构特点:
分两级结构,第二级为一般框架,只承受竖向荷载,并将其传递给第一级。
第一级结构承受全部水平荷载和竖向荷载。
适用于超高层建筑。
图2-8新的竖向承重结构体系,巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂结构等。
Page30,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-3结构布置,1、柱网、层高按300mm进级,一般3m、3.3m、3.6m、3.9m、4.2m等。
2、主体结构不应采用铰接。
3、抗震不宜采用单跨框架。
4、填充墙宜用轻质墙,抗震设计如采用砌体填充墙应符合如下要求:
(1)上、下层刚度不宜变化过大;
(2)减小抗侧移刚度偏心;(3)避免形成短柱。
5、抗震不应采用砌体墙与框架梁混合承重。
6、抗震框架结构少量剪力墙位置产生较大刚度偏心时,宜将剪力墙减薄,开竖缝等措施减小剪力墙的作用。
一、框架结构,Page31,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,1、非抗震时宜双向布置剪力墙,抗震时避免单向布置剪力墙,抗侧移刚度不宜过大。
2、不应采用全短肢剪力墙(h/b8)结构,其中,h为剪力墙墙肢截面高度,b为剪力墙墙肢截面厚度。
3、剪力墙门窗洞口宜上下对齐,成列布置,形成明确的墙肢和连梁。
4、H/B应大于2,防止地震力太大和受剪破坏,其中,H为剪力墙高度,B为剪力墙宽度。
二、剪力墙结构,Page32,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,1、剪力墙布置力求对称、均匀。
2、各层刚度中心位置力求一致。
3、剪力墙尽可能离开房屋重心,提高抗扭能力。
4、沿高度刚度不宜发生突变,避免产生局部摆动。
5、尽可能增加剪力墙承担的竖向荷载,从而可以减少钢筋的用量。
6、每道剪力墙承担的水平剪力不宜超过总水平剪力的40%。
三、框架剪力墙结构,Page33,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-4变形缝的设置,1、伸缩缝,减小温度变化和混凝土收缩对结构的影响而设置的缝,缝宽t5cm。
表2-1伸缩缝最大间距,采用后浇带可适当放宽伸缩缝间距:
后浇带每3040m一道,带宽8001000mm;钢筋采用搭接,宜在2个月后浇筑。
Page34,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3、防震缝,避免地震附加力对结构的影响而设置的缝,缝宽按规范要求设置。
防震缝最小缝宽应符合下列规定:
(1)框架房屋,高度不超过15m的部分,可取70mm;高度超过15m的部分,6度、7度、8度、9度相应每增加5m、4m、3m、2m,宜加宽20mm。
(2)框架-剪力墙结构房屋可按第一项规定的70%采用,剪力墙结构房屋可按第一项规定的50%采用,但二者均不宜小于70mm。
2、沉降缝,避免不均匀沉降对结构的影响而设置的缝,缝宽t5cm。
沉降缝不但上部结构要断开,基础也要断开。
Page35,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-5结构高宽比控制,结构高宽比应控制在相应的范围内,保证抗侧移刚度和抗倾覆能力。
表2-2A级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高宽比,Page36,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-6结构平面和竖向布置原则,二、竖向布置,体型规则、均匀、避免过大的外挑和内收;侧移刚度下大上小,逐渐均匀变化。
一、平面布置,结构平面应尽量设计成规则、对称而简单的平面形状,尽量减少因形状不规则产生结构扭转的可能性。
Page37,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-7楼盖结构,1、房屋高度超过50m时宜采用现浇楼盖;2、高度不超过50m时,8、9度抗震设计的框架-剪力墙结构宜采用现浇楼盖,6、7度抗震设计的框架或剪力墙结构可采用装配式楼盖。
3、楼盖结构型式:
普通肋形楼盖、无梁楼盖、组合式楼盖等。
Page38,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,2-8高层建筑的地基基础设计,高层建筑地基基础的设计应该因地制宜,主要取决于具体工程及所在地的工程地质状况和施工条件。
一、具有共性的三个必须遵循的设计原则:
1、适宜的地基(桩基)刚度,保证高层建筑的稳定和嵌固;2、地基(桩基)的承载力控制,避免高层建筑在重力荷载、水平荷载等作用下发生地基破坏(主要是剪切破坏)。
3、重力荷载合力中心与基础(桩基)平面形心的重合,保证高层建筑的稳定和抗倾覆。
Page39,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,二、基础型式及选择,1、柱下独立基础适用:
层数不多、土质较好的框架结构。
2、交叉梁基础双向为条形基础适用:
层数不多、层数不多、土质一般的框架、剪力墙、框架剪力墙结构。
图2-9交叉梁基础,Page40,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3、片筏基础适用:
层数不多土质较弱或层数较多土质较好时用。
图2-10带墩基的片筏基础,图2-11梁板式片筏基础,Page41,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,4、箱形基础适用:
层数较多、土质较弱的高层建筑。
图2-12箱形梁基础剖面图,Page42,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,5、桩基础适用:
地基持力层较深时采用。
图2-13桩基础,图2-14桩筏基础,图2-15桩箱基础,6、复合基础适用:
层数较多或土质较弱时采用。
Page43,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,第三章高层建筑的荷载及设计要求,Page44,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。
与多层建筑结构有所不同,高层建筑结构:
1)竖向荷载效应远大于多层建筑结构;2)水平荷载的影响显著增加,成为其设计的主要因素;3)对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。
Page45,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3-1竖向荷载,二、楼面活荷载,见表3-1,一、恒载,为结构自重,装饰层重等。
结构自重=构件设计尺寸材料单位体积自重,Page46,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,表3-1民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数,Page47,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page48,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,Page49,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,四、雪荷载,式中:
Sk雪荷载标准值;r屋面积雪分布系数;S0基本雪压。
三、屋面均布活荷载,上人的平屋顶2.0kN/m2不上人的平屋顶0.5kN/m2直升机的等效均布荷载为5kN/m2,长沙:
图3-1屋面积雪分布系数,(3-1),Page50,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3-2风荷载,式中:
高度z处建筑物表面单位面积上的风载标准值;风载体形系数;风压高度变化系数;基本风压值;风振系数。
(3-2),Page51,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,一、基本风压值,长沙:
一般高层建筑最大风压重现期为50年;特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑,按100年重现期的风压值采用。
当没有100年一遇的风压资料时,也可近似将50年一遇的基本风压值乘以增大系数1.1采用。
对风荷载比较敏感的建筑(H60m),承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。
Page52,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,二、风压高度变化系数,风压高度系数为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值,该系数取决于地面粗糙程度指数。
表3-2地面粗糙度分类,Page53,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,表3-3风压高度变化系数,Page54,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,续表3-3,Page55,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,三、风荷载体型系数,风荷载体型系数主要与建筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。
一般采用相似原理,在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。
房屋和构筑物与表中的体型类同时,可按表规定取用;房屋和构筑物与表中的体型类不同时,可参考有关资料采用;房屋和构筑物与表中的体型类不同且无参考资料可借鉴时,宜由风洞试验确定;对重要且体型复杂的房屋和构筑物,应由风洞试验确定。
建筑结构荷载规范(GB50009-2012)表8.3.1列出39项不同类型的建筑物和各类结构的体型系数,当建筑物与表中列出的体型类同时可参考应用。
Page56,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,例:
矩形截面,Page57,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,四、风振系数,式中:
g峰值因子,可取2.5;I1010m高度名义湍流,对应A、B、C和D类地面粗糙度,可分别取0.12、0.14、0.23和0.39;R脉动风荷载的共振分量因子;Bz脉动风荷载的背景分量因子。
Page58,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,注意:
房屋高度大于200m时,宜采用风洞实验来确定建筑物的风荷载;房屋高度大于150m,有下列情况之一时,宜采用风洞实验来确定建筑物的风荷载:
平面形状不规则,立面形状复杂;立面开洞或连体建筑;周围地形和环境较复杂。
五、风洞试验,Page59,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,3-3地震作用,地震作用由于地面运动引起房屋的结构反应称为地震。
我国是一个多地震的国家,地震灾害的面积占国土面积的一半以上。
660个城市中,位于地震区的占74.5%;118个百万以上的大城市中,有85.7%位于地震区,2/3的基本烈度为度及度以上。
Page60,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,一、建筑抗震设防分类和设防标准,表3-4,Page61,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,二、三水准设防目标和两阶段设计方法,注:
括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,表3-5,Page62,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,图3-2框架结构破坏程度与房间侧移的对应关系,图3-3三个水准烈度的频率和对应关系,1.55度,1度,不倒,可修,不坏,众值烈度,基本烈度,大震烈度,Page63,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,三、设计地震分组,分组的目的:
体现震级于与震中距的影响。
分组:
分第一组、第二组和第三组三个组。
湖南省县级及县级以上设防城镇,设计地震分组均为第一组。
Page64,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,四、特征周期值(s),表3-6,Page65,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,五、基本地震加速度,表3-7,湖南省:
常德市抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值0.15g;岳阳、岳阳县、汨罗、湘阴、临澧、澧县、津市、桃源、安乡、汉寿抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g;长沙、益阳、张家界等抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g.,Page66,高层建筑结构设计DesignofTallBuildingStructures,六、设计反映谱曲线,m,k,单质点体系运动方程为:
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