结构选型与结构布置课件.ppt
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- 结构 选型 布置 课件
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1、第第2 2章章高层结构的选型与布置高层结构的选型与布置 高层建筑结构设计应注重高层建筑结构设计应注重概念设计概念设计,重视结构,重视结构选型与平、立面布置的选型与平、立面布置的规则性规则性,择优选用抗震和抗,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:要的承载力、刚度和延性。结构应满足下列规定: 1.1.应具有必要的承载力、刚度和变形能力。应具有必要的承载力、刚度和变形能力。2.2.应避免因局部破坏而导致
2、整个结构破坏。应避免因局部破坏而导致整个结构破坏。3.3.对可能的薄弱部位要采取加强措施。对可能的薄弱部位要采取加强措施。4.4.结构选型与布置合理,避免局部突变和扭转。结构选型与布置合理,避免局部突变和扭转。5.5.宜具有多道抗震防线。宜具有多道抗震防线。2.1 2.1 高层建筑结构设计的基本要求高层建筑结构设计的基本要求 概念设计概念设计相对于数值设计计算而定义的,对建相对于数值设计计算而定义的,对建筑物的有利或者有害情况无法用数值筑物的有利或者有害情况无法用数值精确计算,只好通过调整结构布局、精确计算,只好通过调整结构布局、调整建筑物高度来实现,即是一种非调整建筑物高度来实现,即是一种非
3、量化的表现形式,是设计原则和设计量化的表现形式,是设计原则和设计思想,不是具体的数值计算。思想,不是具体的数值计算。 如简单、如简单、规则、均匀、对称;又如强柱、弱梁、规则、均匀、对称;又如强柱、弱梁、节点更强等。节点更强等。 规则结构:规则结构: 指体型规则、平面布置均匀、对称并具有指体型规则、平面布置均匀、对称并具有很好的抗扭刚度;竖向质量很好的抗扭刚度;竖向质量和刚度无突变和刚度无突变的结构。的结构。 承载力承载力: 结构构件所能承受的最大内力或达到不适结构构件所能承受的最大内力或达到不适于继续承载变形时的内力。于继续承载变形时的内力。 刚度刚度: 构件抵抗变形的能力。在弹性范围内,刚构
4、件抵抗变形的能力。在弹性范围内,刚度是构件载荷与位移的比值,即引起单位度是构件载荷与位移的比值,即引起单位位移所需的力。刚度的倒数为柔度,即单位移所需的力。刚度的倒数为柔度,即单位力引起的位移。位力引起的位移。 动力时程分析法动力时程分析法: 时程分析法是对结构物的运动微分方程直时程分析法是对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应,并进而可位移、速度和加速度动力反应,并进而可计算出构件内力的时程变化关系。由于此计算出构件内力的时程变化关系。由
5、于此法是对运动方程直接求解,又称直接动力法是对运动方程直接求解,又称直接动力分析法。分析法。 由初始状态开始一步一步积分直到地震终由初始状态开始一步一步积分直到地震终了,求出结构在地震作用下从静止到振动了,求出结构在地震作用下从静止到振动以至达到最终状态的全过程。以至达到最终状态的全过程。 减少非荷载作用产生的不利影响:减少非荷载作用产生的不利影响: 比如:比如:150m150m以上的高层建筑,外墙宜采用建以上的高层建筑,外墙宜采用建筑幕墙,以减小主体结构的温度应力。筑幕墙,以减小主体结构的温度应力。建筑幕墙建筑幕墙-是建筑物不承重的外墙护围,通常是建筑物不承重的外墙护围,通常由面板(玻璃、铝
6、板、石板、陶瓷板等)和由面板(玻璃、铝板、石板、陶瓷板等)和后面的支撑结构(铝横梁立柱、钢结构、玻后面的支撑结构(铝横梁立柱、钢结构、玻璃肋等)组成。璃肋等)组成。 高层建筑设计中对场地的选择有地段要求高层建筑设计中对场地的选择有地段要求 P14 P14 表表2 2. .1 12.22.2 高层建筑结构的选型高层建筑结构的选型 2.2.12.2.1 高层结构的选型原则高层结构的选型原则房屋结构可分成竖向结构、水平结构和底部结构。房屋结构可分成竖向结构、水平结构和底部结构。 根据房屋高度、高宽比、抗震设防类别、抗震根据房屋高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料设防烈度、场地
7、类别、结构材料和施工技术等和施工技术等因素考虑其适宜的结构体系。这个结构体系应因素考虑其适宜的结构体系。这个结构体系应符合以下要求:符合以下要求: 满足使用要求;满足使用要求; 尽可能地与建筑形式相一致尽可能地与建筑形式相一致(方形体育馆不用筒体结构);(方形体育馆不用筒体结构); 平面和立面型式规则,受力好,平面和立面型式规则,受力好,有足够的承载力、刚度和延性;有足够的承载力、刚度和延性; 施工简便;施工简便; 经济合理。经济合理。 2.2.22.2.2 竖向承重结构的形式及选用竖向承重结构的形式及选用u1、框架结构、框架结构u定义:由梁和柱为主要构件组成的承受竖定义:由梁和柱为主要构件组
8、成的承受竖向和水平作用的结构,节点一般为刚性节向和水平作用的结构,节点一般为刚性节点。点。u刚性节点:结构在受力变形过程中梁柱夹刚性节点:结构在受力变形过程中梁柱夹角保持不变或者变化很小角保持不变或者变化很小结构特点:结构特点:布置灵活;布置灵活;可形成大的使用空间;可形成大的使用空间;施工简便;施工简便;较经济;较经济;抗侧刚度小,侧移大;抗侧刚度小,侧移大;对支座不均匀沉降较敏感。对支座不均匀沉降较敏感。 适用范围:适用范围:70m及以下建筑。及以下建筑。 框架结构不包括框架结构不包括无剪力墙或井筒的板柱结构。无剪力墙或井筒的板柱结构。板柱结构的侧向刚度和抗震性能较差,不适宜板柱结构的侧向
9、刚度和抗震性能较差,不适宜做高层建筑做高层建筑 。井筒:主要应用于楼梯间或者电梯间,把楼梯井筒:主要应用于楼梯间或者电梯间,把楼梯间或者电梯间做成井筒形式,作为主要抗侧力间或者电梯间做成井筒形式,作为主要抗侧力构件,承担全部或大部分水平力,从而使框架构件,承担全部或大部分水平力,从而使框架主要承担竖向荷载。主要承担竖向荷载。框架结构也不包括框架结构也不包括异形柱异形柱框架。框架。异形柱的概念以及特点是什么?异形柱的概念以及特点是什么?非抗震设计和非抗震设计和6 6度抗震设防时度抗震设防时, ,框架结构体系框架结构体系房屋的高度不应超过房屋的高度不应超过24m,724m,7度和度和8 8度抗震设
10、防度抗震设防时,允许高度更小。时,允许高度更小。a:异形柱:截面几何形状为:异形柱:截面几何形状为L形、形、T形和十字形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱的柱(JGJ149-2006)b:异形柱结构应用于:异形柱结构应用于: 框架结构和框架框架结构和框架-剪力墙结构剪力墙结构c:异形柱的柱截面(各肢截面)肢高肢厚比:异形柱的柱截面(各肢截面)肢高肢厚比:截面高度与厚度之比,不大于:截面高度与厚度之比,不大于4d: 异形柱结构适用的最大高宽比:柱的高度异形柱结构适用的最大高宽比:柱的高度与截面宽度之比与截面宽度之比u注:井筒图片u井筒群施工现场,用作电站
11、竖井储料仓井筒群施工现场,用作电站竖井储料仓 2 2剪力墙结构剪力墙结构剪力墙:剪力墙:能有效抵抗水平荷载的墙体,又称能有效抵抗水平荷载的墙体,又称 结构墙或抗震墙。结构墙或抗震墙。 结构特点:结构特点:抗侧刚度大,侧移小;抗侧刚度大,侧移小; 室内墙面平整;室内墙面平整; 平面布置不灵活;平面布置不灵活; 结构自重大,吸收地震能量大;结构自重大,吸收地震能量大; 施工较麻烦,造价较高。施工较麻烦,造价较高。适用范围:适用范围:150m以内的高层住宅和高层旅馆。以内的高层住宅和高层旅馆。剪力墙的分类:剪力墙的分类:按截肢墙面长度与宽度之比定按截肢墙面长度与宽度之比定义。义。 短肢剪力墙与筒体或
12、普通剪力墙结构短肢剪力墙与筒体或普通剪力墙结构一同作用时应满足的一同作用时应满足的8 8点规定:点规定:其最大适用高度应比剪力墙结构的规定值适当降低其最大适用高度应比剪力墙结构的规定值适当降低,且,且7 7度、度、8 8度抗震设计时分别不应大于度抗震设计时分别不应大于100m100m和和60m60m注:因为不完全是剪力墙,所以高度不能像剪力墙那注:因为不完全是剪力墙,所以高度不能像剪力墙那样高。样高。抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的部倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的5050,以限制短肢剪力
13、墙的数量。,以限制短肢剪力墙的数量。注:第一振型:第一次振动时振动的形态,第一振型注:第一振型:第一次振动时振动的形态,第一振型来的时候,在相同的时间里,房子晃的次数少,但幅来的时候,在相同的时间里,房子晃的次数少,但幅度大。度大。 也就是说,当地震来临的时候,筒体和一般剪力也就是说,当地震来临的时候,筒体和一般剪力墙起到的作用要达到一半以上。墙起到的作用要达到一半以上。 抗震设计时,短肢剪力墙的抗震等级应比剪抗震设计时,短肢剪力墙的抗震等级应比剪力墙的抗震等级提高一级,从构造上改善短力墙的抗震等级提高一级,从构造上改善短肢剪力墙的延性。肢剪力墙的延性。 延性,物理术语,是指材料的结构、构件或
14、延性,物理术语,是指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。举例来说,金、铜、铝等皆间的变形能力。举例来说,金、铜、铝等皆属于有较高延性的材料。属于有较高延性的材料。 抗震设计时,各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作抗震设计时,各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值和轴压比,抗震等级为一、二用下产生的轴力设计值和轴压比,抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于、三级时分别不宜大于0.50.5、0.60.6、0.70.7;对无翼缘或;对无翼缘或端柱
15、的一字形短肢剪力墙,其轴压比限制相应降低端柱的一字形短肢剪力墙,其轴压比限制相应降低0.10.1,以改善剪力墙的延性。,以改善剪力墙的延性。注:轴压比:柱子所受的轴力除以柱子的混凝土所能承注:轴压比:柱子所受的轴力除以柱子的混凝土所能承受的压力。限制柱轴压比主要是为了控制柱的延性,受的压力。限制柱轴压比主要是为了控制柱的延性,因为轴压比越大,柱的延性就越差,在地震作用下柱因为轴压比越大,柱的延性就越差,在地震作用下柱的破坏呈脆性。的破坏呈脆性。 翼缘:一个构件的截面(无论它是砼的、钢的、翼缘:一个构件的截面(无论它是砼的、钢的、或别的材料)只要是工形、或别的材料)只要是工形、T T形、丄形、土
16、形、形、丄形、土形、 形等形等等由横、竖部件组成的形状,横的部件就叫翼缘,而等由横、竖部件组成的形状,横的部件就叫翼缘,而竖的部件叫腹板。竖的部件叫腹板。 抗震设计时,除了底部短肢剪力墙按规范设抗震设计时,除了底部短肢剪力墙按规范设计外,其余各层短肢剪力墙的剪力设计值,一计外,其余各层短肢剪力墙的剪力设计值,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.41.4和和1.21.2,以避免短肢剪力墙过早破坏。,以避免短肢剪力墙过早破坏。 抗震设计时,短肢剪力墙截面全部纵向钢筋抗震设计时,短肢剪力墙截面全部纵向钢筋的配筋率,底部加强部位不宜小于的配筋率,底部加强部位不宜小于1
17、.21.2,其,其他部位不宜小于他部位不宜小于1.01.0。 短肢剪力墙截面厚度不应小于短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm200mm。 7 7度和度和8 8度抗震设计时,短肢剪力墙宜设置翼度抗震设计时,短肢剪力墙宜设置翼缘。一字型短肢剪力墙平面外不宜布置与之单缘。一字型短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁,以避免一字形短肢剪力墙平侧相交的楼面梁,以避免一字形短肢剪力墙平面外丧失稳定性。面外丧失稳定性。fwPPfw图2-33.3.框架框架- -剪力墙结构剪力墙结构特点:特点:兼有框架结构和剪力墙结构二者的优点。兼有框架结构和剪力墙结构二者的优点。 适用:适用:1 150m50m以内的高
18、层建筑。以内的高层建筑。 图2-44 4筒体结构筒体结构特点:特点:空间结构,刚度很大,受力好。空间结构,刚度很大,受力好。 适用:适用:超高层建筑。超高层建筑。 u 筒中筒结构筒中筒结构u内筒内筒-钢筋剪力墙钢筋剪力墙+连梁连梁u外筒外筒-密柱密柱+裙梁裙梁u连梁:连接墙肢与墙肢,指的是两端与剪连梁:连接墙肢与墙肢,指的是两端与剪力墙相连且跨高比小于力墙相连且跨高比小于5的梁。的梁。u裙梁:高层建筑筒体结构中,连接外筒柱裙梁:高层建筑筒体结构中,连接外筒柱的梁。(高层建筑中,常取上下层窗之间的梁。(高层建筑中,常取上下层窗之间的高度作为裙梁高度,其刚度要比框架梁的高度作为裙梁高度,其刚度要比
19、框架梁的刚度大很多,也称窗裙梁)。的刚度大很多,也称窗裙梁)。u约旦一所水泥厂的筒中筒结构约旦一所水泥厂的筒中筒结构 框架核心筒结构框架核心筒结构钢筋混凝土核心筒(主要抗侧结构)钢筋混凝土核心筒(主要抗侧结构)+周边框架(柱距较大)周边框架(柱距较大) 框筒框架结构:框筒框架结构:外围为密柱框筒,内部为普通框架柱外围为密柱框筒,内部为普通框架柱 多重筒结构多重筒结构 两个以上的筒体互相包围其中两个以上的筒体互相包围其中 成束筒结构成束筒结构 由两个以上的框筒或其他筒体排列成束状。由两个以上的框筒或其他筒体排列成束状。称为成束筒称为成束筒u 多筒体结构多筒体结构u与成束筒相比,不单单是几个筒体平
20、面上与成束筒相比,不单单是几个筒体平面上挨在一起,每几个筒体的外侧也相连。挨在一起,每几个筒体的外侧也相连。注:注: 转换结构构件:完成上部楼层到下部楼层转换结构构件:完成上部楼层到下部楼层的结构形式的转变或上部楼层到下部楼层的结构形式的转变或上部楼层到下部楼层结构布置改变而设置的结构构件,如转换结构布置改变而设置的结构构件,如转换梁、转换板等。梁、转换板等。结构形式:木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构形式:木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构等结构、钢结构等结构布置:框架、剪力墙、框架剪力墙、筒结构布置:框架、剪力墙、框架剪力墙、筒体等体等 转换层:设置转换构件的楼层,包括水平转换层:设置
21、转换构件的楼层,包括水平结构构件及其以下的竖向结构构件。结构构件及其以下的竖向结构构件。5 5其它结构其它结构如多塔结构、连体结构、带转换层结构、带加如多塔结构、连体结构、带转换层结构、带加强层结构、错层结构等复杂结构。此外还有巨强层结构、错层结构等复杂结构。此外还有巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂结构、高层型框架结构、巨型桁架结构、悬挂结构、高层混合结构、带加强层结构、错层结构、多塔结混合结构、带加强层结构、错层结构、多塔结构、连体结构等。构、连体结构等。巨型结构特点:巨型结构特点:分两级结构,第二级为一般框分两级结构,第二级为一般框架,只承受竖向荷载,并将其传递给第一级。架,只承受竖向荷载
22、,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。巨第一级结构承受全部水平荷载和竖向荷载。巨型结构适用于超高层建筑。型结构适用于超高层建筑。 多塔结构:底部相连、上部独立、多个高多塔结构:底部相连、上部独立、多个高层建筑的底部有一个连成整体的大裙房,层建筑的底部有一个连成整体的大裙房,形成大底盘,即大底盘多塔结构。形成大底盘,即大底盘多塔结构。裙房:也称裙楼,底部面积较上部面积大的裙房:也称裙楼,底部面积较上部面积大的建筑。建筑。 连体结构:指的是除了裙房之外,两个或连体结构:指的是除了裙房之外,两个或者两个以上的塔楼之间带有连接体的结构者两个以上的塔楼之间带有连接体的结构 带转换层
23、的结构:带转换层的结构: 带加强层结构带加强层结构 错层结构错层结构 错层结构是指在建筑中同层楼板不在同一错层结构是指在建筑中同层楼板不在同一高度高度,并且高差大于梁高并且高差大于梁高(或大于或大于500mm)的结构类型。的结构类型。 美观、耳目一新、自然地理条件所限。美观、耳目一新、自然地理条件所限。 悬挂结构:将楼面悬挂结构:将楼面系统的荷载通过吊杆系统的荷载通过吊杆传递到悬挂在竖立井传递到悬挂在竖立井筒上的水平桁架上,筒上的水平桁架上,再由桁架传递到结构再由桁架传递到结构直至基础的结构。直至基础的结构。桁架:主要承受轴向力桁架:主要承受轴向力的直杆在相应的节点上的直杆在相应的节点上连接成
24、几何不变的格构连接成几何不变的格构式的承重结构式的承重结构 图香港汇丰银行大厦图香港汇丰银行大厦 (4343层,高层,高180180mm,悬挂结构),悬挂结构) 巨型结构:巨型结构: a定义:整幢结构用巨柱、巨梁、巨型支撑定义:整幢结构用巨柱、巨梁、巨型支撑等巨型杆件组成空间桁架,相邻立面的支等巨型杆件组成空间桁架,相邻立面的支撑交会在角柱,形成巨型空间桁架结构。撑交会在角柱,形成巨型空间桁架结构。 b特点:材料尽量舒展、抗侧刚度大、满特点:材料尽量舒展、抗侧刚度大、满足多种立面需求,足多种立面需求,分两级结构,第二级为分两级结构,第二级为一般框架,只承受竖向荷载,并将其传递一般框架,只承受竖
25、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给第一级。第一级结构承受全部水平荷载和竖向荷载。巨型结构适用于超高层建筑和竖向荷载。巨型结构适用于超高层建筑。图图 香港中国银行大厦香港中国银行大厦 (7171层,高层,高369369mm,巨型钢桁架结构),巨型钢桁架结构) (1 1) 适用高度适用高度 分分A级高度和级高度和B级高度,级高度,B级高度允许的级高度允许的高度比高度比A级的高一些,但是在建筑结构的级的高一些,但是在建筑结构的规则性、结构抗震等级划分、作用效应计规则性、结构抗震等级划分、作用效应计算和构造措施方面的要求比算和构造措施方面的要求比A级也严一些。级也严一些。具体规具
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