高层建筑工程结构方案设计(doc 34页).doc
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- 高层建筑工程结构方案设计doc 34页 高层 建筑工程 结构 方案设计 doc 34
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1、 高层建筑结构方案设计 1.1 概述 高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活需要的产物, 是现代 社会工业化、商业化和城市化的必然结果。科学技术的进步、经济的 发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。 自从第一栋高层建筑以来,当今世界的高层建筑发展 改革开放以来, 我国高层建筑如雨后春笋迅速发展。 据资料统计, 建设部系统国有建筑企业逐年竣工 10 层以上建筑,从 1984 年的 263 万 m 2,猛增至 1995 年的 1841 万 m2; 1995 年竣工面积为 1993 年的 2.12 倍。见表 1: 表 1 建设部系统国有建筑企业 19841995 年 10 层以上建筑竣工简 表
2、 年 份 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 199119 92 19 93 19 94 19 95 累 计 面积 26 3 38 6 53 6 64 6 77 5 88 8 87 8 84 1 92 8 86 7 13 76 18 41 102 25 栋数 303851617170655965821012823 3 1 4 8 1 2 5 0 3 8 21 59 5 占 全 部 面积% 5. 1 6. 5 9. 1 10 .5 13 .2 15 .5 14 .7 14 .1 13 .1 10 .9 15 .7 20 .1 12. 4 到 199
3、9 年末, 全国国有和集体建筑企业累计建成 10 层以上建筑 估计在 3 亿 m 2左右(不包括香港、澳门、台湾地区) 。 当今国内最高 100 栋建筑中,1985 年建成的仅 1 栋(深圳国贸 大厦,159m,50 层) ,19891995 年建成的有 14 栋,而 19961998 年建成的有 85 栋。1990 年建成的北京京广中心是我国大陆首栋突破 200m 的超高层建筑, 1996 年的深圳地王大厦其高度已达 325m、 81 层, 1998 年的上海金茂大厦又有突破,达 421m、88 层。 国内已建成最高 100 栋建筑见附录(截至 1998 年末) 。 对高层建筑的界定,目前全
4、世界还没有一个统一标准。例 根据联合国科教文组织所属的世界高层建筑委员会的建议, 一般 将 9 层以上(含 9 层)称为高层建筑,并划分为以下四类: 916 层,高度不超过 50m; 1725 层,高度不超过 75m; 2640 层,高度不超过 100m; 40 层以上,高度超过 100m; 我国高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)第 1.0.2 条 规定 10 层及 10 层以上或房屋高度超过 27m 为高层建筑;高层民用 建筑设计防火规范(GB50045-95)2001 年版规定 10 层及 10 层以上 的居住建筑、建筑高度超过 24m 的公共建筑为高层建筑; 1.2 高层建
5、筑结构作用效应的特点 1.2.1 高层建筑结构的受力特点 建筑结构所受的外力(作用)主要来自垂直方向和水平方向。在 低、多层建筑中,由于结构高度低、平面尺寸较大,其高宽比很小, 而结构的风荷载和地震作用也很小,故结构以抵抗竖向荷载为主。也 就是说,竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素。 建筑结构的这种受力特点随着高度的增大而逐渐发生变化。 在高层建筑中,首先,在竖向荷载作用下,由图 1.2.1-1 所示的 框架可知,各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为: 边柱 N=wlH/2h 中柱 N=wlH/h 即框架柱的轴力和建筑结构的层数成正比;边柱轴力较中柱小, 基本上与其受荷面积成正比。就是说,由各
6、楼层竖向荷载所产生的累 积效应很大,建筑物层数越多,底层柱轴力越大;顶、底层柱轴力差 异越大;中柱、边柱轴力差异也越大。 其次,在水平荷载作用下,作为整体受力分析,如果将高层建 筑结构简化为一根竖向悬臂梁,那么由图 1.2.1-2、图 1.2.1-3 所示 其底部产生的倾复弯矩为: 水平均布荷载 Mmax=qH 2/2 倒三角形水平荷载 Mmax= Qh 3/3 即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。就是 说,建筑结构的高度越大,由水平作用对结构产生的弯矩就更大, 较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加更快,其产生的结构内力 占总结构内力的比重越大, 从而成为结构强度设计的主要控制因
7、素。 1.2.2 高层建筑结构的变形特点 在竖向荷载作用下, 高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩 变形。 由于各竖向构件的应力大小不同, 因而其压缩变形大小也不同。 在钢筋混凝土结构中,由于在施工过程中的找平, 同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同, 若不对基底应力进行 调整,也可能导致基础产生不均匀沉降。 在水平荷载作用下,高层建筑结构最大的顶点位移为: 水平均布荷载 max=qH 4/8EI 倒三角形水平荷载 max= 11qH 4/120EI 式中 EI 为结构的 从以上可看出,结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则 又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快,这就说明,高层建筑 结
8、构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结 构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。结构应具备较 大的抗侧刚度,而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。 在地震区,还要求建筑物能抗震。由于地震是一种瞬时作用, 但作用所产生的效应非常强烈,故结构的过大变形是不可避免的 (这种变形在不发生地震时是不允许的) ,这就要求结构有较好的 延性,能在强烈地震作用下结构虽产生较大变形而不破坏。 基础的转动 1.2.3 高层建筑结构的 P-效应 如上所述, 高层建筑结构在水平荷载作用下将产生侧移, 由于侧 移而引起竖向荷载的偏心又使结构产生附加内力, 这个附加内力反过 来又又使结构的侧移进一步加
9、大。 对非对称结构, 平移与扭转耦联, 当结构产生扭转时,竖向荷载的合力和抗侧力构件的形心将产生偏 心也会产生附加内力。 这种由于竖向荷载作用下所产生的内力和侧移 增大的现象称之为 P-效应。 1.2.4 高层建筑结构构件的受力特点 构成高层建筑结构的主要受力构件有剪力墙、 框架柱、 梁和楼板。 剪力墙、框架柱是竖向构件,它们是形成结构抗侧力刚度的最主要构 件,承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载;框架梁、楼板 是水平构件, 结构各楼层的竖向荷载通过楼板传至框架梁再传给竖向 构件,同时,对结构抗侧力刚度也有贡献颇的框架梁,还和竖向构件 一起承担整个结构的荷载水平荷载;次外,有些高层建筑结
10、构还有斜 向构件,它们对结构抗侧力刚度贡献很大,对构件之间的传力起着重 要作用,除自重外,一般不直接受荷。 1.2.5 高层建筑结构的设计要求 强度 刚度 稳定性 2.2 控制结构侧移大小保证建筑使用功能和安全的主要相关因素。 1. 结构在水平阵风作用下, 当振动加速度超过 0.015G 时会 使人的正常生活受影响,因为加速度=A(2f) ,当频率 f 为定 值时,与振幅 A 成正比,因此结构的侧移幅值的大小要受限制。 2过大的侧移易使隔墙、围护结构以及高级装修受损,地震 或阵风引起的过大变形也会造成电梯轨道无法使用。 3结构过大的变形会引起结构的二阶效应,造成结构杆件产 生附加内力,影响结构
11、承载力。 虽然受上述因素的影响, 但考虑到钢结构自身具有很强的变形 能力而且在钢结构中采用的隔墙、装饰材料又多为较轻,采用的幕 墙、悬挂板、铝板等变形能力较强,所以钢结构 JGJ99-98 标准中 规定的限值标准要比钢筋混凝土结构规定的限制标准宽松。 2.3 我国现行规范中规定的主要限定标准 1风荷载作用下房屋顶点质心位置的侧移应 H/500(总高) , 各层质心层间位移 H/400(总高)且结构平面端部构件的最大侧移 值不得超过质点侧移值的 1.2 倍。 2地震作用下,第一阶段抗震设防时在多遇地震作用下结构 层间位移应h/250,且结构平面端部构件最大侧移值不得超过质 心位置侧移的 1.3
12、倍。对于框架支撑(剪力板)体系中总框架所 承担的地震剪力不得小于结构底部总剪力的 25%,当对结构平面的 两个主轴方向分别计算水平地震效应时,要求角柱和两个方向的支 撑(或剪力墙板)所共有的柱构件应在这地震剪力的基础上再将杆 件内力提高 30%进行设计。 3在第二阶段抗震设计时结构层间位移应h/70,层间侧移 延性比(指结构层间最大侧移与其弹性侧移之比)不得超过下表中 限值: 结构种 类 结 构 体 系 层间侧移延性比 全钢结框架体系 3.5 构 框架偏心支撑 3.0 框架中心支撑 2.5 钢骨结 构 型钢混凝土框架 2.5 钢混凝土混合 2.0 4风荷载作用下顺风和横风向顶点最大加速度应满足
13、以下要 求: 对公共建筑 aw(或 atr)0.20m/s 2 对公寓建筑 aw(或 atr)0.28m/s 2 5园筒形平面的高层建筑容易因横向风引起的涡流共振,为 防止横风向引起共振,因此 JGJ99-98 中采用房屋顶部风速来限制 要求: 顶部风速 Vn Ucr 临界风速 Vcr = 5D/T1(T1为直径 D 的结构基本自振周期) 当满足不了 Vn Ucr时应增大结构刚度或进行横风向涡流脱落 试验。 6为了较合理选择适宜的结构方案规范对不同的结构种类提 出了结构高宽比限值。 1.3 高层建筑的作用 1.3.1 高层建筑的静荷载 1.3.2 高层建筑的活荷载 1.3.2.1 楼面和屋面活
14、荷载 第 3.1.1 条 民用建筑楼面均布活载的标准值及其组合值, 频遇值和准 永久值系数,应按建筑结构荷载规范GBJ50009-(以下简 称荷载规范 )的第 4.1.1 条的规定采用,该条无规定者,可按本规 定表 3.1.1 采用。 民用建筑楼面均布活载 表 3.1.1 项 次 类 别 标准值 (kN/ m2) 组合值系 数c 频遇值系 数f 准永久值 系数g 一 酒吧间、展销间 3.0-4.0 0.7 0.6 0.5 二 体操房、娱乐室 3.5-5.0 0.7 0.6 0.5 三 宾馆、饭店建筑 1 宴会厅 3.0-4.0 0.7 0.5 0.5 2 厨房:中小型 4.0-5.0 0.7
15、0.6 0.5 大 型 6.0-8.0 0.7 0.6 0.5 3 洗衣房 4.0-5.0 0.7 0.6 0.5 4 贮藏室 5.0-8.0 0.7 0.6 0.8 四 电子计算机房 1 一般微机 3.0 0.7 0.6 0.5 2 网络中心 4.5 0.7 0.6 0.5 五 电梯间机房 6.0 0.7 0.6 0.6 六 图书馆档案的 书库和档案 1 一般排列时 5.0-7.0 0.7 0.6 0.8 2 密集排列时 10.0 0.7 0.6 0.8 七 电话交换机房 6.0 0.7 0.6 0.6 八 多层停车库的 车道 5.5 0.7 0.6 0.6 九 医院建筑 注(1)本表所列各
16、项活载适用于一般的使用条件,当使用荷载较大 时,应按实际情况采用。 (2)第五项活载应按电梯产品规格规定采用。 (3)第八项活载只适用于停放轿车的车库。 (4)医疗建筑的活载按实际情况采用。 (5)本表各项活载未包括隔墙自重。 第 3.1.2 条 设计楼面梁、墙、柱及基础时,民用建筑楼面均匀活载标 准值的折减系数应按荷载规范第 4.1.2 条规定。 表 3.1.1 中的楼面活载标准值按下列规定乘以相应的折减系数。 一、设计楼面梁时的折减系数 1 第一七项和第九项, 当楼面梁的从属面积超过 50m 2时取 0.9。 2第八项取 0.8。 二、设计墙、柱及基础时的折减系数采用与其楼面梁相同的折减
17、系数。 第 3.1.3 条 工业建筑楼面活荷载的标准值及其系数, 应按 荷载规范 第 4.2.1第 4.2.3 条及附录 C 采用。 当设计楼面梁、 墙、 柱及基础时, 其楼面活载标准值的折减系数,按表 3.1.3 的规定采用。 工业楼面活荷载标准值折减系数 表 3.1.3 类 别 折减系数 备 注 生产车间 10kN/m 2 0.60.8 10kN/m 2 0.70.8 折减后不少于 4kN/m 2 仓 库 按实际情况定 第3.1.4条 楼面的附加悬挂管道荷载标准值, 应按实际情况确定, 当 缺乏资料时,对一般管道采用 0.51.0kN/m 2,其组合值 系数c=0.7,频遇值系数f=0.6
18、;准永久值系数g=0.6 第 3.1.5 条 作用在多层工业建筑的板面和次梁(肋)上的非承重隔墙 荷载, 可按等效均布荷载的确定方法, 求得构件上的隔墙荷载增值标准 值,为了简便计算,可根据隔墙重量和楼面活载标准值,按表 3.1.5 确定隔墙荷载增值标准值,并应注意下列条件要求: 一、任何情况下,布置在板面和次梁(肋)上的隔墙宜采用轻质 隔墙;应尽量不采用重隔墙。 二、适用于现浇板或具有良好整体作用的装配整体式楼板。 三、双向板及无梁楼板等上的隔墙荷载增值标准值,应按等效原 则另行计算。 四、隔墙尽量布置在次梁(肋)上,或布置在距次梁(肋)中线 左右 1/5 板跨范围内(即避免在板跨中 3/5
19、 的范围内布置) 作用在板面和次梁(肋)上的隔墙荷载增值 表 3.1.5 隔墙荷载 增值 (kN/m 2) 隔 墙 重 kN/m 备 注 3.0 4. 0 5. 0 6. 0 7. 0 8. 0 9. 0 10. 0 11. 0 楼 面 活 荷 载 (kN/m 2) 3. 0 1.0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 4.5 5.0 4. 0 0.5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4.0 4.5 5. 0 0. 5 1. 0 2. 0 2. 5 3. 0 3.5 4.0 6. 0 0. 5 1. 0 2. 0 2. 5 3.0 3.5 7
20、. 0 0. 5 1. 0 2. 0 2.5 3.0 8. 0 0. 5 1. 0 2.0 2.0 9. 0 0. 5 1.0 1.0 10 .0 0.5 第 3.1.6 条 作用在多层工业建筑的主梁或框架梁上的非承重隔墙荷载 可根据隔墙重量和作用位置, 按等效原则计算确定其隔墙荷载增值标准 值。 对直接设置在主梁或框架梁上的隔墙荷载,可不考虑楼板的整体作 用,全部由主梁或框架梁承受。 第 3.1.7 条 用等效均布荷载进行计算时,仍可采用实际连续结构的计 算简图。 对于仓库及活荷载的分布可能出现较大变化的楼层结构, 应考 虑荷载的不利布置影响, 可以采用简单方法, 如对框架梁可将按满载计 算
21、的跨中弯矩乘以考虑活载不利布置影响的内力增大系数 1.11.2。 第 3.1.8 条 高层建筑结构的活荷载在计算内力时, 可不作最不利布置, 按满载计算。 第 3.1.9 条 居住建筑的非人防地下室顶板, 若考虑作为地震时疏散用, 其顶板活荷载应按倒塌荷载 30kN/m 2计算。 第 3.1.10 条 采用钢筋混凝土自防水平屋面, 宜考虑有增设防水措施的 可能,一般可按 0.3kN/m 2采用。 第 3.1.11 条 平屋面兼作公共活动场所用途时, 其屋面均布活荷载应根 据使用性质类别,按相应的楼面均布活载采用,但不应小于 2.5 kN/m 2, 组合值系数 0.7,频遇值系数 0.6,准永久
22、值系数按相应的楼面均布活 荷载采用。 第 3.1.12 条 作屋顶花园使用的平屋面 有草皮部份:其屋面均布活载应按其实际复盖的草皮构造类别, 厚度等而定。除考虑屋面承重构件,建筑防水构造等材料自重外,一般 考虑 100mm 厚卵石滤水层,300500mm 厚浸水饱和土层(或其它轻质 培养粉)等材料重。若无具体资料可按 12.0kN/m 2采用,其组合值系数 0.7,频遇值系数 0.6,准永久值系数 0.6。 无草皮部份:屋面均布活荷载可按不小于 4.0kN/m 2,其组合值系数 0.7,频遇值系数 0.6,准永久值系数 0.6。 第 3.1.13 条 当高层建筑的平屋面作为直升机停机坪时,其直
23、升机平 台的活荷载应采用下列两款中能使平屋面产生最大内力的荷载。 一、直升机总重量引起的局部荷载,按实际最大起飞重量决定的局 部荷载标准值乘以动力系数 1.4 确定; 当没有机型技术资料时, 局部荷 载标准值及其作用面积可根据直升机类型按表 3.1.13 采用。 局部荷载标准值及其作用面积 表 3.1.13 直升机类型 局部荷载标准值 (kN) 作用面积 (m 2) 轻 型 20.0 0.200.20 中 型 40.0 0.250.25 重 型 60.0 0.300.30 二、等效均布活载 5kN/m 2 第 3.1.14 条 平屋面,雨蓬,屋顶游泳池等应考虑泄水孔有堵塞可能 产生的积水重量,
24、积水深 可按边缘构件具体情况考虑。 第 3.1.15 条 屋面、楼面活荷载,设备荷载及施工、检修荷载等应在 施工设计图上注明。 第 3.1.16 条 对屋面、楼面活荷载不同于设计规范规定值时,可按实 际情况,进行调研或可靠依据后确定。 第 3.1.17 条 对于活荷载占总荷载之比例少于 25%,以及活荷载不大 于 0.5kN/m 2的构件,宜在设计中适当留有余地。 1.3.2.2 施工和检修荷载及栏杆水平荷载 第 3.1.18 条 计算叠合梁的框架第一阶段的内力时,施工荷载一般按 1.0kN/m 2采用;当为悬挑结构时,按 1.5kN/m2采用。 第 3.1.19 条 采用滑升模板工艺施工时的
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