高层建筑结构体系与布置

高层建筑结构体系与布置

第一章 绪论

学习要求：

1．了解高层建筑的定义

2．了解高层建筑的特点

3．了解国内外高层建筑发展概况及趋势

要点、难点分析：

学习高层建筑的特点时注意从其建筑功能和结构受力两方面来了解，尤其注意水平力的作用的影响。

第二章 高层建筑结构体系与布置

学习要求：

1．熟悉高层建筑常用的各类结构体系的优缺点和变形特点以及适用范围； 2．了解水平力对结构内力及变形影响；

3．了解结构总体布置的原则及需要考虑的问题； 4．了解各种结构缝的处理及地基基础选型等； 5．了解各类楼盖结构形式及适用范围。 要点、难点分析

一、高层建筑常用的各类结构体系的优缺点和变形特点以及适用范围。

目前国内的高层建筑结构以钢筋混凝土结构为主，其结构体系主要有：框架结构、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构(筒体)体系、筒体结构和巨型结构等。在学习过程中，注意从各个结构体系的概念、优缺点、受力变形特点及适用范围几方面来考虑；主要掌握框架结构体系、剪力墙结构体系和框架—剪力墙结构(筒体)体系 1、框架结构

概念：框架由杆件——梁、柱所组成的结构；

优点：框架结构布置灵活，具有较大的室内空间，使用比较方便；

缺点：由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制； 变形特点：剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；

适用范围：框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。 2、剪力墙结构体系

概念：利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。

优点：现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；

缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。

变形特点：当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。

适用范围：剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。

3、框架—剪力墙结构(框架—筒体结构)体系

概念：在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框

高层建筑结构体系与布置

架—简体结构体系。

优点：综合了框架结构和剪力墙结构的优点，避开两种结构的缺点，应用较广。

受力特点：框架—剪力墙(筒体)结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙将承受大部分水平力(有时可达80一90％)，是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高．框架则承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力。

变形特点：框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形，剪力墙则呈弯曲型变形。当两者通过楼板协同工作，共同抵抗水平荷载时；侧向变形将呈弯剪型。其上下各层层间变形趋于均匀，并减小了顶点侧移。同时，框架各层层剪力趋于均匀，各层梁柱截面尺寸和配筋也趋于均匀。

适用范围：框架—剪力墙(筒体)结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了,在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件(隔墙及外墙)的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，目前在我国得到广泛的应用。 4．筒体结构

单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。 实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现，感兴趣的同学可以查阅相关参考书学习。 5．巨型结构。

巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱(超级框架)或巨型衍架杆件(超级衍架)，以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。

不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适合应用的高度也不同。一般说来，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况；框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。

二、结构总体布置及变形缝

在进行结构总体布置时，在遵循结构布置原则的前提下，还应根据相关规范的要求，考虑各类结构缝的布置或处理。

结构的平面布置必须有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力途径清楚；平面形状宜简单、规则、对称、尽量避免过大的外伸、内收，以减少地震层害的影响。一般从 控制结构高宽比，结构平面形状和结构竖向布置等方面来考虑，另外要考虑缝的设置。这部分的内容在教材中有比较详细的论述，但在学习过程中一定要把握是结构布置，而不是建筑布置。

关于温度缝、沉降缝、防震缝的设置，要注意设缝的原则是尽量少设缝或不设缝。在缝的设置的学习中注意掌握以下几个方面：1）在什么情况下要考虑设缝；2）设缝要遵循哪些原则；3）如果不设缝，如何消除由结构不对称、高差和温差引起的不良影响。 三、楼盖结构的布置

常见的楼盖结构体系有梁板式楼盖、密肋楼盖、无梁楼盖、非预应力平板、预应力平板、等在学习中注意各类楼板的结构布置，优缺点和适用范围。 四、基础埋置深度及基础型式

高层建筑高度大、重量大，在水平力作用下有较大的倾覆力矩及剪力，因此对基础及地基的要求也较高：要求有承载力较大的、沉降量较小的、稳定的地基；有稳定的、刚度大而变形小的基础；要防止倾覆和滑移，也要尽量避免由地基不均匀沉降引起的倾斜。与低层和

高层建筑结构体系与布置

多层建筑相比，高层建筑的基础埋深应当大一些。在《高层规程》中对基础埋深作了详细的规定。

在高层建筑中常采用基础有箱形基础、筏形基础和桩基。如果天然地基可以满足承载力及沉降差限制的要求，选择天然地基比较经济。

在基础选择时，也要主要各类基础的特点和适用范围，同时要考虑建筑的功能要求和地基条件，例如是否有地下室，是否为软弱地基等。 五、结构方案的确定

通过以上各部分的学习，在确定建筑方案后，要确定结构方案需考虑以下几个方面：1）抗侧力结构体系的选择，根据建筑高度、功能要求和各结构体系的适用范围选择出较经济合理的抗侧力结构体系；2）初步确定结构的平面布置和立面布置；3）选择合适的楼盖体系；4）确定基础埋深和基础型式；5）初估结构构件的截面尺寸。一般结构的方案确定需要反复考虑，协调建筑和结构之间、结构各部分之间的关系，并且要传力明确，经济合理，因而在高层建筑结构设计中要对结构方案的确定给予足够的重视。

第三章 荷载作用与结构设计原则

学习要求：

1．掌握高层结构总风荷载和局部风荷载的计算；

2．掌握用反应谱法计算等效地震作用的方法； 3．学会用实用方法计算结构的自振周期；

4．了解结构简化计算的原则；了解质量中心和刚度中心的概念； 5．掌握荷载效应组合的原则与方法。

要点、难点分析：

一、单位面积上风荷载的计算

要掌握风荷载标准值的计算公式及式中各参数的含义和取值

k z z s 0

式中的体型系数us，风压高度系数uz和风振系数βz在学习中可能会出现问题，现说明如下：体型系数表中的正号表示作用在该建筑表面上的风荷载为压力，即力的作用方向指向作用表面，负号表示作用在该建筑表面上的风荷载为吸力，即力的作用方向远离作用表面。风压高度系数uz主要反映风速随高度变化的特点，具体值已在《荷载规范》或相关教材中给出，要注意采用2002版的新规范，指定教材仍采用的是89版的规范。对风振系数βz的理解主要要清楚风作用在结构上时对结构产生了动力效应，但在一般情况中，为简化计算，将其等效为静力作用，但考虑动力影响，在风荷载计算时引入风振系数。 二、高层结构总风荷载的计算

WZ zw0( s1B1cosa1 s2B2cosa2 snBncosan)

要学会使用该公式计算结构的总风荷载，注意由该式计算的WZ为沿高度变化的线荷载，方向与风作用方向一致，注意式中体型系数的取值，夹角αi为各表面法线与风作用方向的夹角，该角度为矢量。

例题1：图示为一高层剪力墙结构平面外轮廓图，该地区标准风压0.3kN/m2，B类粗糙度， 各层层高均为3m，共30层，试求第20层的总风荷载值（假定其基本周期计算公式为 T=0.06N，N为层数）。（15分）

高层建筑结构体系与布置

解：基本风压：

0 0.3KN/m2

对C类粗糙度，高度为60m处的风压高度系数为1.77

z 1.77

因结构总高为90m，

2T=0.06N＝1.8，w0T 0

,查表的 1.44，v=0.49

所以

因此第九层的总风荷载为

WZ zw0( s1B1cosa1 s2B2cosa2) h 1.26 1.77 0.3 (0.8 30 0.5 30) 3

（9分） 78.28KN

注意上式中α1为迎风面与风作用方向的夹角，为0度，α2为背风面与风作用方向的夹角，为180度，所以其余弦值为－1，背风面的体型系数为－0.5，因而括号中的两项相加。

三、地震作用的计算

高层建筑结构的抗震设计更加重要，因而大家应该重视地震作用的计算。由于在抗震结构设计中，已经将地震作用的计算作为重点进行了学习，在此不再冗述，考试也不作要求，但大家必须掌握底部剪力法和振型分解反应谱法。 四、荷载效应组合

荷载效应组合中大家要注意两点——控制截面的概念、抗震组合及非抗震组合时恒载活载的分项系数和组合系数的取值。

第四章 框架结构设计

学习要求：

1. 掌握框架结构设计的全过程，包括计算简图的确定、竖向荷载作用下的内力计算、

水平荷载作用下的内力计算、框架结构的内力组合以及框架梁、柱和框架节点的设计。

2. 了解框架在竖向荷载作用下的内力计算方法——分层法

3. 重点掌握用反弯点法、D值法计算框架结构内力及位移；并理解这两种方法的区别

及应用范围。

4. 掌握框架柱和框架梁的截面设计，了解框架节点的设计过程

要点、难点分析：

高层建筑结构体系与布置

本章是这门课重点掌握的内容，为了让大家便于理解和掌握框架结构设计的全过程，现将其设计步骤总结如下：

1） 根据建筑设计进行结构布置，结构布置时注意第一章介绍的结构布置原则； 2） 选取恰当的平面框架作为计算单元，并由此得到计算简图，注意计算简图为平面

刚架；

3） 计算该刚架上所作用的恒载、活载、风荷载和地震作用，方法见第三章；

4） 用分层法或弯矩分配法对框架在竖向荷载作用下的内力进行计算；框架结构的内

力组合以及框架梁、柱和框架节点的设计。

5） 用反弯点法或D值法对框架在水平荷载作用下的内力进行计算，并进行变形验算； 6） 对控制截面的内力值按荷载效应组合方式进行组合；

7） 用在混凝土结构基本理论中所学的知识，并结合框架梁柱节点的构造要求对各构

件进行截面配筋设计。 在上述步骤中，1）、3）、6）在前几章已经学习过，本章的重点、难点在内力计算部分。 一、分层法

了解分层法的基本假定，掌握分层法的主要思想和计算步骤。在学习过程中抓住分层法的分层——计算——整和（即叠加）的思想非常重要。 计算步骤：

1）计算梁柱的线刚度及相对线刚度； 2）将框架计算简图分层（分层后的各柱远端为固定支座），并对除底层柱外的其它各层柱的线刚度乘0.9折减系数；

3）用弯矩分配法计算各层单元的杆端弯矩；

4）叠加各层的杆端弯矩，注意梁的弯矩值保持不变，柱的弯矩值为各层单元的柱端弯矩的代数和，叠加后若结点弯矩不平衡，可再进行一次弯矩分配； 5）按静力平衡条件计算出框架的剪力和轴力，并绘出内力图。 二、反弯点法和D值法

在学习这两种方法时，主要从基本假定、适用条件、计算步骤以及两者之间的不同

在整个学习过程中，把握这几方面的区别，两种方法就很容易掌握了。另一个难点应该是由柱的剪力和弯矩计算梁的弯矩、剪力和轴力以及柱的轴力。这部分应用的是以前在结构力学中学习的截面法，即计算哪部分的内力，将该部分隔离出来单独分析，分别考虑该部分在水平向和竖向力的平衡及力矩平衡。

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1）梁端弯矩的计算

M (M M)

rbuc1dc2

ibr

lib ibrliblib ibr

M (M M)

l

buc1dc2

Mb (Mc1 Mc2)

2）梁端剪力的计算

V V

lbrv

l(Mb Mbr)

l

3） 柱的轴力计算由节点左右梁端剪力之和得到

n

lr

Nik (Vib Vib)

i

三、框架截面设计

注意要把重点放在设计框架柱与基本构件中偏心或轴力受力柱的不同之处，框架梁与基本构件中梁的不同之处，以及梁柱刚接部位的特殊要求，比如，配筋计算时内力的调整，配筋量的限制及其他的一些构造构造要求。 四、例题

例题2：用反弯点法计算图2所示的三层框架（层高为3.6m）的剪力和弯矩，并绘出弯矩图，图中括号中的数据为假定弹性模量为单位1时的梁柱线刚度。

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图2

2、

1）计算一层各柱的相对抗侧刚度

第一、二层：A柱：DA1＝12i2

A1/h B柱：DB1＝12iB1/h2

C柱：DC1=12i2

C1/h

DA1+ DB1+ DC1=12 3.5/h2

第三层：A柱：DA3＝12i2

2

A3/h B柱：DB3＝12iB3/h

C柱：DC3=12i2

C3/h

DA3+ DB3+ DC3=12 3/h2

2) 各层层剪力

V1=300KN V2=220KN V3=120KN

3)

各柱的剪力 V1 300A1= Vc1=

1 1 1.5＝85.7KN V 300B1=

1.51 1 1.5＝128.6KN V= V1 220

V1.5 220

A2c21=

1 1 1.5

＝62.9KN B2=

1 1 1.5

＝94.3KN

VA1= Vc1=VB1=40KN

4)

各柱端弯矩

MtA1= MtC1=85.7×1.2＝102.84KN m MbA1= MbC1=85.7×2.4＝205.68KN m

MtB1=128.6×1.2＝154.32KN m MbB1=128.6×2.4＝308.64KN m

MtA2= MtC2=62.9×1.8＝113.22KN m MbA2= MbC2=62.9×1.8＝113.22KN m

MtB2=94.3×1.8＝169.74KN m MbB2=94.3×1.8＝169.74KN m

MtA3= MtC3= MtB3=40×1.8＝72KN m MbA3= MbC3= MbB3=40×1.8＝72KN m

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5）绘制弯矩图（见图3）

图3

例题3：用D值法计算图4所示的两层框架（层高为3.6m）的弯矩，并绘出弯矩图，图中括号中的数据为假定弹性模量为单位1时的梁柱线刚度。

36

72

36

72

72

72185.22

113.22

72127.87

127.87169.74

72

216.02

102.8

169.74162.03

162.03154.32

113.22

A

205.68

308.64

B

205.68

C

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lgti.html