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高层建筑结构概念设计上课讲义.ppt

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  • 卖家[上传人]:yuzo****123
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    • 单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1高层建筑结构 概念设计 第1章 概述1.1 引言n设计体制的问题:在建筑设计的方案阶段,结构工程师一般不投入工作n某些结构工程师知识结构的问题:注重细节而忽视总体方案n当前结构设计模式的问题:规范一体化计算机结构设计程序 结构工程师对结构概念和结构体系不感兴趣 ,工作缺乏创造性 限制和约束了业主所想要的空间形式和功能1.2 帮助建筑师开拓空间形式与功能n有一定复杂性的工程设计,在建筑方案设计阶段,结构工程师的参与是项目设计所必要的知识投入n在此阶段,需要结构工程师对结构体系的总体认识,对结构受力和变形特性的整体概念,也需要关于结构设计的经验和判断力例1-2】西尔斯大厦n110层、442m高,束筒结构(每个钢框筒为22.86m22.86m523)n结构平面图见书中图2-24优越性使风荷载的分布趋于合理;满足了想租用整层楼房,而面积又不太大的客户要求;提供了523 范围内无柱子的大空间;平均用钢量159.5kg/ 建筑结构的设计阶段与反馈(书中图1-4)n分阶段设计;n视方案设计阶段的建筑空间形式为总结构体系;n重点突出总体系与主要分体系之间的最佳受力特征;n在初步设计中重视运用近似计算来确认主要分体系和关键构件的截面尺寸(本书第4章、第5章讲);n在设计的主要环节和各阶段之间注重反馈及优化。

      方案设计阶段创造 初步设计阶段优化改进 施工图设计阶段出成果【例1-3】法兰克福商业银行大楼(61层)n招标书中要求:在三角形的建筑平面内,必须有一边是空中花园,而办公区只能在另外两侧,并且在每层办公区的任何位置上,办公人员抬头就能看见空中花园n建筑师的最初想法:将三角形建筑的正面从下到上全部设计成空中花园,而将两侧面设计成办公区,并在大楼的中央设置核心筒n共同合作(有结构工程师参加)的中标方案:在三角形大楼每一侧都由6层办公楼区后加插一个3层楼净高的空中花园,大楼3个边的空中花园按顺时针方向往上盘旋错层相接;取消核心筒,在建筑平面的3个角区设置角筒作为竖向交通通道角筒错层空腹桁架结构体系n初步设计阶段的优化:8层办公楼区加插一个4层楼净高的空中花园,以改进整体刚度和净使用面积与总建筑面积的比率n书中图1-9 结构工程师对设计的态度及其效果1.3 承载力、刚度、延性为主导的结构概念设计 因而,高层建筑结构的抗侧力问题突出水平作用效应结构底部倾覆力矩与其高度的平方成正比结构顶部侧移与其高度的4次方成正比n 过大的侧移 对结构造成危害, 影响正常使用n过明显的摆动居住者感觉不舒服抗风要求结构具有一定大的刚度n抗震结构的刚度不宜过大(刚度大,自振周期小,地震作用大)。

      n理想的抗震、抗风结构: 1、应具有一定大的刚度和必要的承载力,以抵御风荷载和多遇地震; 2、具有多道抗震防线,在结构局部屈服后刚度降低,自振周期增大,地震作用减小; 3、具有足够的延性耗能能力和良好的变形能力以抵御罕遇地震例1-4】尼加拉瓜美洲银行 由美籍学者林同炎教授于1963年设计,18层、61m高,首开多道防线、刚柔结合的概念设计思想于工程实例之先河 柔性筒H/b7 4个边长为4.6m的L形柔性筒(其H/b=13.3)通过每层的连梁组成一个11.6m11.6的正方形核心筒(其H/b5),连梁中部开较大的孔洞 n在风荷载和多遇地震下,核心筒具有足够的刚度和承载力;n在罕遇地震下,作为第一道防线的连梁屈服出现塑性铰,4个L形柔性筒作为独立的抗震单元,结构刚度降低,自振周期增大,阻尼增加,地震作用减小,结构仍具有预期的受力性能n震后情况:连梁剪切破坏,墙体未见裂缝 动力分析见书中表1-1 与尼加拉瓜美洲银行相距不远的尼加拉瓜中央银行(平面布置见书中图2-7)在此次地震中破坏惨重马那瓜中央银行大厦试问:那一幢破坏严重呢?马那瓜美洲银行大厦尚需重视的一些基本原则 1、变复杂为简单,即使结构的受力与传力途径越简单、越直接明确越好。

      2、重视上部结构与其支承结构(构件)整体共同作用如框支剪力墙的转换梁及钢砼高层建筑的箱基与伐基 3、能够有效增大高层建筑抗侧力能力、而毋需增加更多成本的若干理念 4、注意竖向构件在建筑物自重作用下的压缩变形问题1.4 结构设计没有唯一解 全面、完整的理解规范n在英国规范前言的最后一行告示:“遵守英国规范本身,并不意味给予豁免责任n美国桥梁设计规范中也明确指出:“本规范无法取代设计人员所应具有的专业教育和工程判断的训练,所以仅在规范中规定了为保证公共安全的最低要求n需要全面、完整的理解规范的两个例子例1-5】关于柱的轴压比n轴压比的定义: 轴压比限值的实质是柱子截面在大小偏心受压界限破坏状态下的轴压比n抗震规范中所涉及到的影响轴压比限值的因素: 结构类型、抗震等级、剪跨比、箍筋形式、柱中是否设芯柱n影响轴压比限值的因素还有: 柱周边纵向钢筋的配筋率(成正比); 纵向钢筋的强度(成反比); 柱截面形式(我国现行规范针对矩形截面柱,圆形截面柱的延性好于矩形截面柱); 砼强度等级(成反比)n可考虑适当上调轴压比限值的情况: 1、考虑 的余值适当提高轴压比限值; 2、圆形截面可提高510%; 可以进行上调的理由: 1、实际情况; 2、轴压比限值的规定为抗震规范中的非强制性条文【例1-6】关于部分框支抗震墙结构(带转换层的高层建筑结构、底部大空间剪力墙结构)规定条文的对象n由于功能要求,一些高层的转换层设在610层,而“高规”的相应条文针对的是8度不超过3层、7度不超过5层为部分框支剪力墙的情况,当有高位转换层而照套规范条文时,将导致转换层下部结构偏于不安全。

      n本书3.7.4也有此方面的论述1.5 运用正确的判断力把握设计 对待结构设计软件的态度【例1-7】在某31层带转换层的高层建筑结构(转换层位于第6层)的分析计算中,各软件的表现nTBSA程序:将上部框支剪力墙假设为一根薄壁杆件和转换梁构成点变形协调,与实际受力情况差别太大,故取跨度为8.7m的转换梁的截面高度为1.6m竟使梁严重超筋nSATWE程序:配筋量偏大且转换梁内无轴向拉力若按此配筋,将导致配筋量大且转换梁跨中附近有可能开裂n平面有限元程序:较符合实际受力情况,配筋量总体上少于SATWE的计算结构n在T.Y.Lin设计顾问有限公司,只能用计算机进行分项荷载的内力分析,其结果经上机工程师自校后交项目工程师校审,工程师再用手算进行最不利荷载组合的内力计算和构件截面配筋计算,然后项目工程师终审,再用CAD出图n我国目前结构设计存在的主要问题:1、盲目信赖和依靠一体化计算机结构设计程序;2、一次性图形输入而无复校;3、设计软件自身存在缺陷;4、尤其是在赶任务时,设计管理与校审制度不严第2章 高层建筑结构体系及工程实例梁板水平构件(楼、屋盖体系,水平分体系) 墙 柱斜撑竖向构件水平构件竖向构件竖向分体系抗侧力体系竖向荷载 水平构件 竖向构件 基础 地基水平荷载 抗侧力体系 基础 地基抗侧力体系框架剪力墙框架剪力墙或框架筒体框架核心筒框架核心筒伸臂筒中筒束筒巨型框架脊骨结构2.1 框架结构n地震区的框架应设计成延性框架;n体型复杂的框架应采用加强措施,并应注意在复杂中寻求规则(书中图2-1);n我国最高的钢砼框架结构为北京的长城饭店,18层,82.85m;n由于框架结构的抗侧刚度较小,结构高度增加将导致柱子截面过大,按我国高规、高钢规给出的最大适用高度较经济合理。

      2.2 剪力墙结构n现浇剪力墙结构的整体性较好,抗侧刚度和承载力大,延性剪力墙抗震性能好(剪力墙的延性不及框架)n剪力墙结构体系中,楼、屋盖一般不设梁,因而剪力墙的间距不能很大(38m),建筑空间受到限制,适用于住宅、旅馆建筑n剪力墙结构墙密集,结构刚度大,基本自振周期小,地震作用大,高度很大的剪力墙结构并不经济2.3 框架剪力墙(筒体)和框架支撑结构n框架剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性好和剪力墙结构刚度大、承载力高的优点;n框架的变形为剪切型,剪力墙的变形为弯曲型,两者协同工作,总变形为弯剪型,使层间变形沿高度表现均匀;n框架剪力墙结构为双重抗侧力体系,剪力墙为第一道抗震防线,框架为第二道抗震防线,结构具有多道抗震防线框架剪力墙结构注意区别框筒与框筒框架剪力墙结构框架筒体结构n当高度增至4050层时,多采用框架筒体结构,此时建筑多为塔式n在框架剪力墙结构中,要注意剪力墙的合理数量在本结构中,要特别注意剪力墙布置,以免造成较大的偏心n框架支撑结构主要用于钢结构,支撑为桁架,杆件轴向受力,可充分发挥材料的性能支撑有中心支撑和偏心支撑,抗震结构多采用偏心支撑,并将水平杆件端部处理成耗能梁段。

      2.4 框架核心筒结构、框架核心筒伸 臂结构n框架核心筒结构:框架布置在周边,筒体布置在中间其受力与变形特点与框架剪力墙(筒体)结构相同,但高规将其归入筒体体系 框架柱的间距可达9m,外框架与核心筒之间的距离可达10m以上,故可获得较大的使用空间n当建筑高度较大时,可在沿高度的适当位置设置伸臂,用于加强核心筒与框架的连接,则成为框架核心筒伸臂结构 采用框架核心筒伸臂结构的有名建筑颇多,如上海金茂大厦、深圳地王大厦及马来西亚双塔等2.5 筒中筒结构n外筒的高宽比小,为剪切型变形;内筒的高宽比大,为弯曲型变形故筒中筒结构也为双重抗侧力体系n值得注意的问题:外筒的剪力滞后现象(书中图2-19);楼板的厚度(太薄,不能保证足够的平面内刚度;太厚,结构自重过大)n筒中筒适用于50层以上的建筑,为20世纪6080年代高层建筑的主要体系,并影响了当时高层建筑的审美观念当时提出“朴素即为美筒中筒外筒:框筒或桁架筒内筒:实腹筒2.6 束筒结构n束筒结构:两个或两个以上的框筒紧靠在一起成“束”状排列束筒中,增加了框筒的角柱数量,可明显的减少剪力滞后还可以通过束筒组成较为复杂的建筑平面(书中图2-25)和建筑造型。

      n著名的采用束筒体系的建筑有芝加哥的西尔斯大厦以及被毁于“9.11”事件的纽约世界贸易中心n我国目前尚未见束筒结构的高层建筑,相关规范对此也无明确规定2.7 巨型框架结构n巨型框架和束筒均可归为多筒结构n竖向荷载次结构巨型梁巨型柱基础体系地基n水平作用 巨型框架基础体系地基n台北101大楼(101层,屋顶高448m,塔桅顶高508m)采用巨型框架核心筒结构体系n在26层及以下周边设置8根大箱形钢柱和12根小箱形钢柱,从27层开始只剩8根大箱形钢柱;n内筒由16根箱形柱与斜撑形成桁架筒;n大致每8层设置1层楼高的巨型梁为满主舒适度要求,在8792层之间设置悬挂式重力摆锤;n为减小屋顶尖塔的鞭梢效应,在498505m之间设置两组阻尼块2.8 结构体系的适用范围n书中表2.2列出了各钢筋砼结构体系的适宜高度范围而“抗震规范”和“混凝土高规”中适用最大高度是指:规范或规程中各项规定所适用的房屋高度当所用的结构体系的高度超出规范或规程中适用最大高度时,应进行超限审查并采用相应的措施n规范或规程中有关高宽比限制的条文是一个经验性的参考规定,符合高宽比限制要求的建筑比较容易满足位移限制条件,如能满足层间位移限值及其他条件,对高宽比可适当放宽。

      2.9 高层建筑抗侧力结构体系的发展和应用结构体系框架剪力墙框架剪力墙(筒体)框架核心筒框架核心筒伸臂框筒实腹筒桁架筒筒中筒束筒多筒巨型结构脊骨结构材料钢钢筋砼组合构件混合结构1、单种抗侧力体系发展到双(多)重抗侧力体系2、由平面结构向空间结构发展3、平面桁架与空间桁架的应用4、抗侧力结构趋向周边布置5、创造巨型结构和脊骨结构6、组合构件和混合结构的应用7、高强、轻质材料的应用8、消能减震结构的发展9、主动控制结构第3章 抗侧力结构受力、变形特性概念 3.1 双重抗侧力体系的受力和变形性能 单种抗侧力体系(静定或延性差) 一道抗震防线 单种抗侧力体系(超静定且延性较好) 多道抗震防线 双(多)重抗侧力体系双重抗侧力体系的特点n由两种受力和变形性能不同的超静定。

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