高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)課件

1、1第四章 高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計2上海環(huán)球金融中心 由日本森大廈株式會社的全額子公司森海外株式會社及日本具有代表性的銀行、保險公司、商社等36家企業(yè)，偕同政府系統(tǒng)機構(gòu)日本海外經(jīng)濟協(xié)力基金(OECF)聯(lián)合投資的上海環(huán)球金融中心，總投資逾750億日元。位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，建筑總面積335,420平方米，地下3層，地上94層。建成后的高度達460米 ?？傆娩摿?6000t，鋼筋混凝土核心筒，外框鋼骨混凝土及鋼柱3迪拜的Burj Al-Arab酒店(burj音譯泊瓷，又稱阿拉伯塔) 45上海塔 【建設(shè)地點】：陸家嘴金融中心區(qū)Z3-2地塊【開工時間】：2008年【竣工時間】：2013年【占地面積】；2.03萬

2、平方米【建筑面積】：未知【建筑高度】：632米【建筑層數(shù)】：127層【結(jié)構(gòu)形式】：框架（鋼）-核心筒【建筑造價】：70億元【設(shè)計單位】：美國GENSLER建筑設(shè)計事務(wù)所【投資單位】：陸家嘴集團，公司擬與上海市城市建設(shè)投資開發(fā)總公司(上海城投)、上海建工集團(上海建工)6第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置7第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置10第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置世界最高十大建筑 排名建筑名稱城市建成年份層數(shù)高度（m）結(jié)構(gòu)材料石油大廈吉隆坡199688451.9組合西爾斯大廈芝加哥1974110443鋼金茂大廈上海199888420.5組合世界貿(mào)易中心紐約1972110417鋼帝國大廈紐約19311

3、02381鋼中環(huán)大廈香港199278374混凝土中銀大廈香港198970369組合&大廈高雄199785348鋼艾莫科大廈芝加哥197380346鋼漢考克大廈芝加哥1969100344鋼11第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置高層建筑的界定1972年召開的國際高層建筑會議制訂了如下的劃分標準 多層建筑 8層 第一類 916層 高度50m高層建筑 第二類1725層 高度75m 第三類2540層 高度100m 超高層建筑 40層高度100m 12第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置高層建筑的界定我國民用建筑設(shè)計通則則規(guī)定，10層及10層以上的住宅建筑以及高度超過24的公共建筑和綜合性建筑為高層建筑，而高度超過10

4、0m時，不論是住宅建筑還是公共建筑，一律稱為超高層建筑。日本則將5層到15層的建筑稱為高層建筑，超過15層的建筑均為超高層建筑。高層建筑，應(yīng)該視建筑的結(jié)構(gòu)體系受力特點而定在側(cè)向力的作用下，表現(xiàn)出了高層建筑的受力特點，則不論其高度如何，應(yīng)該按照高層建筑來對待16第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置一、高層結(jié)構(gòu)的特點2、結(jié)構(gòu)荷載特點（2）風(fēng)載及地震作用的性質(zhì)不同：高層鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性建筑，自振周期長，易與風(fēng)載產(chǎn)生共振，風(fēng)載對高層建筑有一定的動力作用，但引入風(fēng)振系數(shù)后，可以按靜載計算。地震作用對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)影響很大，必須考慮動力效應(yīng)17第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置一、高層結(jié)構(gòu)的特點2、結(jié)構(gòu)荷載特點（2）風(fēng)載

5、及地震作用的性質(zhì)不同：風(fēng)載作用時間長、頻率高，在風(fēng)載作用下，要求結(jié)構(gòu)處于彈性階段，不允許出現(xiàn)較大變形。地震作用發(fā)生的幾率小，持續(xù)時間短，對抗震設(shè)計允許有較大的變形，允許某些結(jié)構(gòu)部位進入塑性狀態(tài)，從而使周期加長，阻尼加大，吸收能量18第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置一、高層結(jié)構(gòu)的特點3、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點A）變形的控制：側(cè)向剛度是主要的設(shè)計控制指標頂點位移、層間位移、局部變形的限值是保證高層建筑安全可靠、使用舒適的主要因素B）設(shè)計方法的準確和完善：設(shè)計時應(yīng)明確其承載力和變形能力較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)進行風(fēng)洞試驗抗震設(shè)防要求高的建筑，應(yīng)進行直接動力分析考察強度、剛度、延性三個方面19第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布

6、置一、高層結(jié)構(gòu)的特點4、結(jié)構(gòu)體系的特點A）兩個抗力系統(tǒng)：抗重力系統(tǒng)抗水平側(cè)力系統(tǒng)（風(fēng)載、地震作用）框架框架抗剪結(jié)構(gòu)（支撐、抗剪墻、筒體）B）結(jié)構(gòu)構(gòu)造：各層設(shè)置水平剛性樓板（壓型鋼板混凝土）下段柱嵌固于地下室或箱基中地下或地上若干層做成型鋼混凝土（SRC）Steel Reinforced Concrete23第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.1、框架結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點：建筑平面布置靈活，分隔方便；整體性、抗震性能好，設(shè)計合理時結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力；外墻采用輕質(zhì)填充材料時，結(jié)構(gòu)自重小缺點：側(cè)向剛度小，抵抗側(cè)向變形能力差。正是這一點，限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度適用：30層左右的樓房24第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的

7、體系和布置2.2、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系利用剪力墻承受框架的水平剪力框架剪力墻框架-剪力墻25第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.2、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系剪力墻未必是實體墻，也可以是桁架26第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.2、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系具備了純框架結(jié)構(gòu)和純剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點同時克服了純框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度小和純剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置不夠靈活的缺點 這種體系結(jié)構(gòu)適用于40層左右的高樓27第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.2、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系剪力墻的布置應(yīng)注意以下幾點：剪力墻以對稱布置為好，可減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。這一點在地震區(qū)尤為重要；剪力墻應(yīng)上下貫通，使結(jié)構(gòu)剛度連續(xù)而且變化均勻；剪力墻宜布置成筒體，建筑層數(shù)較

8、少時，也應(yīng)將剪力墻布置成T型、L型、I型等。便于剪力墻更好地發(fā)揮作用；剪力墻應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)的外圍，可以加強結(jié)構(gòu)的抗扭作用。但是考慮溫度應(yīng)力的影響和樓板平面內(nèi)的變形，剪力墻的間距不應(yīng)過大。28第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.3、外筒式結(jié)構(gòu)體系當(dāng)樓房高度超過60層時，應(yīng)采用這種結(jié)構(gòu)承受豎向荷載承受水平荷載29第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.4、筒中筒結(jié)構(gòu)體系在外筒結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，在內(nèi)部設(shè)置剪力墻式的內(nèi)筒（核心筒）共同承受水平荷載也可以做成三重筒建筑高度可達100層左右30第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.5、筒束結(jié)構(gòu)體系當(dāng)采用多個筒體共同抵抗側(cè)向力時，就成為多筒體系，也可以稱為筒束結(jié)構(gòu)筒束的抗側(cè)移剛

9、度比筒中筒結(jié)構(gòu)還要高，適宜的建造高度也更高受力性能好于外筒式結(jié)構(gòu)適宜建筑高度可達140層以上31第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.6、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系（1）鋼外框架鋼筋混凝土核心筒體系承受豎向荷載承受水平荷載34第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置2.6、鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系（2）鋼筋混凝土外框筒鋼內(nèi)框架體系優(yōu)點：更有效發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)延性鋼框架梁柱節(jié)點構(gòu)造簡單內(nèi)部垂直交通布置靈活，有較多空間和使用面積平面形狀變化多，可以不完全對稱內(nèi)框架不受水平荷載，布置靈活35第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置三、高層鋼結(jié)構(gòu)的布置1、結(jié)構(gòu)平面布置2、結(jié)構(gòu)豎向布置3、結(jié)構(gòu)布置的其他要求36第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置三、高層鋼

10、結(jié)構(gòu)的布置一個建筑結(jié)構(gòu)方案的確定，要涉及到安全可靠、使用要求、經(jīng)濟投入、施工技術(shù)和建筑美觀等諸多方方面面的問題綜合運用力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)破壞機理的概念、地震對建筑物造成破壞的經(jīng)驗教訓(xùn)、結(jié)構(gòu)試驗結(jié)論和計算結(jié)果的分析判斷等進行設(shè)計，這在工程設(shè)計中被稱為“概念設(shè)計”。37第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.1、結(jié)構(gòu)平面布置 平面及體型宜簡單結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力中心應(yīng)與水平合力中心重合開間、進身應(yīng)盡量統(tǒng)一鋼柱截面不宜過大，鋼板厚度不宜大于100mm38第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.1、結(jié)構(gòu)平面布置 不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)情況：B、平面形狀有凹角，缺少部分在兩個方向的長度，都超過各自方向的建筑物尺寸的25C、樓面不連續(xù)或剛度

11、突變D、抗側(cè)力構(gòu)件不平行也不對稱于抗側(cè)力體系的兩個垂直的主軸39第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.1、結(jié)構(gòu)平面布置 宜選用風(fēng)壓較小的平面形狀； 宜選用方形、圓形、矩形及其它對稱平面40第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.1、結(jié)構(gòu)平面布置 不宜設(shè)防震縫，可不設(shè)伸縮縫，沉降縫； 宜將樓梯、電梯等放置在中部形成結(jié)構(gòu)核心41第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.2、結(jié)構(gòu)豎向布置 不規(guī)則情況A、樓層剛度小于其相鄰上層剛度的70，且連續(xù)三層的剛度降低超過50B、相鄰樓層的有效質(zhì)量之比超過1.5C、立面收進尺寸：L1：L0.75在0.15H高處，L1：L0.50D、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)E、任一樓層的抗側(cè)力構(gòu)件的總抗剪承

12、載力小于其相鄰上層的8042第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.2、結(jié)構(gòu)豎向布置 框架支撐結(jié)構(gòu)，支撐宜豎向連續(xù)布置，且形式一致當(dāng)?shù)讓哟罂臻g時，應(yīng)使核心筒聯(lián)系，并保持必要數(shù)量的支撐、剪力墻和柱，避免剛度突變43第一節(jié)、高層結(jié)構(gòu)的體系和布置3.3、結(jié)構(gòu)布置的其它要求 樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性要保證樓板與鋼梁以及樓板間的可靠連接 轉(zhuǎn)換層或設(shè)備、管道洞口較多的樓層，應(yīng)采用現(xiàn)澆多筋混凝土樓板，必要時設(shè)置水平支撐 在7度或以上設(shè)防區(qū)，幕墻與主體連接要考慮主體層間位移時，幕墻的隨動性。 暴露在外的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)采取隔熱和防火措施，以減小溫度應(yīng)力。44第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基

13、本假定二、內(nèi)力與位移的計算三、整體穩(wěn)定的驗算四、位移限制和舒適感驗算45第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移一般采用彈性方法計算，并考慮各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作。當(dāng)罕遇地震作用下時，結(jié)構(gòu)按彈塑性方法計算。 通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋，計算時，一般可以假定樓面在自身平面內(nèi)為絕對剛性。相應(yīng)要采取構(gòu)造措施以保證樓面的整體剛度；當(dāng)樓面整體性較差（樓面有大開口、樓面外有較長的外伸結(jié)構(gòu)和相鄰層剛度有突變），則應(yīng)采用樓板在自身平面內(nèi)的實際剛度?；虬磩偠葻o限假定后，進行調(diào)整。46第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 樓板與鋼梁當(dāng)按彈性計算時，需考慮樓板與

14、鋼梁的協(xié)同工作，此時要保證其間的抗剪連接件的可靠性；壓型鋼板組合樓蓋組合梁的慣性矩為：主要支撐梁I2Is，其他為I1.5Is當(dāng)按彈塑性計算時，樓板有可能開裂，此時不宜考慮樓板與鋼梁的協(xié)同工作。47第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 計算模型的確定（按具體結(jié)構(gòu)形式和計算內(nèi)容）A、一般可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)空間協(xié)同模型；B、結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、可忽略扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，允許采用平面結(jié)構(gòu)的計算模型；C、與B相反時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型；48第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 構(gòu)件長度較小，計算時，要考慮：梁、柱的彎曲變形；柱的軸向變形（梁的

15、軸力較小，可忽略軸向變形）梁、柱的剪切變形梁柱節(jié)點域剪切變形對側(cè)移的影響。49第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 梁柱節(jié)點域變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小，一般在10以內(nèi)，因而不需要對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行修正；需注意：節(jié)點域的剪切變形對對結(jié)構(gòu)側(cè)移影響較大。其影響程度取決于梁的彎曲剛度、節(jié)點域的剪切剛度、梁腹板高度以及梁與柱的剛度比；設(shè)計中，一般將節(jié)點域當(dāng)作一個單獨的剪切單元進行高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，并用以下方法近似考慮：50第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析一、一般原則及基本假定 一般，柱間支撐構(gòu)件按兩端鉸接考慮，偏心支撐中的耗能梁段應(yīng)取為單獨單元。 對于框架剪力墻體系，現(xiàn)澆豎向連續(xù)鋼

16、筋混凝土剪力墻的計算，要考慮：彎曲變形、剪切變形、軸向變形 除應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)計算中不考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)承載力和剛度的有利作用。51次梁用鋼量較多不是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，不需要考慮其延性有利于結(jié)構(gòu)的整體性和柱的穩(wěn)定性使柱子承擔(dān)的豎向荷載均勻次梁與主梁鉸接當(dāng)壓型鋼板肋較高，可以增大次梁間距如何辨別主梁和次梁？幾點注意：52框架柱可以采用四塊鋼板焊接而成的箱形截面也可以采用H型鋼宜使強軸的慣性矩對應(yīng)于柱彎矩較大的方向，或?qū)?yīng)于柱計算長度較大的方向還應(yīng)考慮強軸方向部分對應(yīng)于X方向，部分對應(yīng)于Y方向，使兩個方向的側(cè)向剛度的大小有所調(diào)整。幾點注意：53框架結(jié)構(gòu)的水平位移組成樓層剪力，使柱產(chǎn)生彎曲變形和

17、剪切變形（1）由于假定梁柱剛接，柱端彎矩使梁產(chǎn)生反對稱的梁端彎矩和剪力，導(dǎo)致梁產(chǎn)生反對稱的彎曲變形和剪切變形，使梁柱節(jié)點產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角相對于層高形成層間位移（2）水平荷載下的傾覆力矩，使結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生彎曲變形（3）幾點注意：54框架結(jié)構(gòu)的水平位移水平位移形式剪切變形對于多層框架結(jié)構(gòu)，傾覆力矩產(chǎn)生的變形可以忽略此時（1）、（2）是主導(dǎo)，他們產(chǎn)生的主要是剪切變形幾點注意：55第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析二、內(nèi)力與位移的計算方法1、一般規(guī)定2、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的近似分析法3、地震作用下內(nèi)力及位移的計算（重點）56第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析2.3 地震作用下內(nèi)力及位移的計算 要符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求 兩階段設(shè)計：第一階段：多遇地震，彈性分析第二階段：罕遇地震，彈塑性分析承載力穩(wěn)定層間位移彈塑性位移層間位移延性比57第三節(jié)、高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移分析2.3 地震作用下內(nèi)力及位移的計算 第一階段抗震設(shè)計方法：高度不超過60m且平面和豎向布置較規(guī)則的結(jié)構(gòu)采用反應(yīng)譜底部剪力法；高度超過60m的建筑，應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜豎向不規(guī)則的建筑，宜采用時程分析法