高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教案

土建與水利學(xué)院1 (2) (2) (7) (9) (12) (12) (13) (14) (15) (15) (16) (17) (18) (20) (20) (22) (23) (24) (29) (30) (30) (30) (31) (32) (33) (36) (36) (36) (36) (37) (39) (42) (47) (49) (49) (53)2和相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)水平的提高，不僅使得高層、超高層建筑的建造成為可能，而且發(fā)展速度也越來越快。自從1885年建成10層高的家庭生命保險(xiǎn)大廈（鋼結(jié)被拆除，通常被認(rèn)為是世界第一棟高層建筑）以后，高層建筑在世界各國都得到了迅速的發(fā)展，許多高層建筑已成為了城市的標(biāo)志性建筑。目前世界上高度超于馬來西亞首都吉隆坡的石油大廈，高度達(dá)到上已建成并投入使用的高層建筑、超高層建筑在我國的發(fā)展速度完全可以用“突飛猛進(jìn)”來形容，僅上海市目前的高層、超高層建筑已達(dá)為420.5m，是我國目前最高的建筑，世界排名第三位。目前世312鋼34鋼5鋼678T&C大廈鋼9鋼10鋼高度(m)12345678910世界各國有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，或者說不同的國家有不同的規(guī)定。1972年召開的4>40層10層以上的住宅建筑以及高度超過24m的公共內(nèi)力（N，M）、位移(△)與高度的關(guān)系，其中51、鋼結(jié)構(gòu)加工。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在工廠加工，縮短了現(xiàn)場施工工期，施工方便。高層鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)斷面造價(jià)高，而且鋼材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐處理，增加了工程工期和右圖為美國芝加哥的西爾斯大廈，是目前世界上最高的鋼結(jié)2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)料來源豐富，可以澆注成各種復(fù)雜的斷面形式，節(jié)省鋼材，承載能力也不低。經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的火和耐久性能方面，更是有著鋼3、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)高層建筑的發(fā)展大致可以分成古代高層建筑61929－1933年美國經(jīng)濟(jì)發(fā)生嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)危機(jī)，1939經(jīng)濟(jì)條件的限制，高層建筑規(guī)模小，發(fā)展速度也慢。1968年建成的廣州賓館，7框筒等，由此組成的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種。紐約其缺點(diǎn)是：受樓板跨度的限制（一般為3～8m剪力墻間距不能太大，建89/5542554366546654平面形狀復(fù)雜、不規(guī)則、不對稱的結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，而且在地震結(jié)構(gòu)豎向布置的原則是剛度均勻連續(xù)，避免剛度突變。在結(jié)構(gòu)豎向剛度有變構(gòu)特性有關(guān)。垂直于建筑物表面的單位面積上的WK=βZμZμSW0βZ——風(fēng)振系數(shù)。1、高層建筑基本風(fēng)壓值W02、風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ風(fēng)壓高度變化系數(shù)μZ反應(yīng)了不同高度處和不同地面情況下的風(fēng)速情況，具體見5度ABC3、風(fēng)載體型系數(shù)μS4、風(fēng)振系數(shù)βZ空氣在流動(dòng)時(shí)，風(fēng)速、風(fēng)向都在不停地改變。建筑物所受到的風(fēng)荷載是不斷總風(fēng)荷載是指建筑物各個(gè)表面所受風(fēng)荷載的合力，是沿建筑物高度變化的線局部風(fēng)荷載是指在建筑物表面某些風(fēng)壓較大的部位，考慮風(fēng)壓對局部某些構(gòu)S=YGCGGK+YQ1CQ1Q1K+YQ2CQ2Q2K+ΨWYWCWWKSE=YGCGGE+YEhCEhEhK+YEvCEvEvK+ΨWYWCWWK CQ2Q2K——其他可變荷載的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；）；CEhEhK——水平地震作用的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；CEvEvK——豎向地震作用的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；考慮地震作用的組合內(nèi)力SE≤RE/YRE式中，S、SE——由荷載組合得到的構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值；YRE——承載力抗震調(diào)整系數(shù)，可按下表采用梁柱YRE②過大的位移會(huì)使填充墻或建筑裝修出現(xiàn)裂縫或損壞，也會(huì)使電梯軌道變②7—9度設(shè)防的、高度較大且沿高度結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布很不均勻的高其中，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)ξy按下式計(jì)算ξy=式中，Vya——按樓層實(shí)際配筋及材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的樓層承載力，以樓層剪h2式中，α——柱子抗推剛度的修正系數(shù)，α≤1.0。考慮梁、柱的線剛度的相對在改進(jìn)反彎點(diǎn)法中，柱子反彎點(diǎn)位置往往用反彎點(diǎn)高度比y來表示： y=yn+y1+y2+y3式中，yn——柱標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度比。標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高度比是在各層等高、各跨相高度比yn加以修正。修正值y1見教材49頁表3-4。不考慮y2，在框架最底層，不考慮y3。具體見教材49頁表3-5。四、柱子的“串、并聯(lián)”1、彎曲變形產(chǎn)生的頂點(diǎn)側(cè)移δm如圖所示，柱Z高度處，由水平荷載產(chǎn)生的彎矩MZ為：δmz=（H-Z）φzdx積分可得柱彎曲變形產(chǎn)生的頂點(diǎn)側(cè)移δm：2、剪切變形產(chǎn)生的頂點(diǎn)側(cè)移δVVZ=q(H-Z)相應(yīng)的截面平均剪應(yīng)力框架柱抗推剛度的物理意義就是柱頂相對柱底產(chǎn)生單位水平側(cè)移時(shí)所需要式中，Vpj——第j層層剪力；δjM——第j層層間側(cè)移；Dij——第j層第i根柱子的剪力。第j層側(cè)移在任意水平荷載q（z）作用下，用單位荷載法可求出由柱軸向變形引起的式中，——為單位水平集中力作用在j層時(shí)邊柱軸力；=±(Hj-Z)/B，B為兩邊柱之間的距離。N=±M(z)/BA——邊柱截面面積。假定邊柱截面沿高度直線變化，令2、各榀剪力墻在自身平面內(nèi)的剛度取決于剪力墻本身，在平面外的剛度為i截面積Aq取無洞口截面的橫截面面積A乘以修正系數(shù)Y0慣性矩Iq取有洞口墻段與無洞口墻段截面慣性矩沿豎向的加權(quán)平均式中，Ij——剪力墻沿豎向第j段的慣性矩，有洞口時(shí)按組合截面計(jì)算；內(nèi)力計(jì)算按懸臂構(gòu)件，可以計(jì)算到整體墻在水平荷載下各截面的彎矩和剪1VHl1VHl3EId式中，Id——稱為等效慣性矩。如果取G=0.4E，近似可取q只有剪應(yīng)力τ(x)和正應(yīng)力σ(x)。正應(yīng)力σ(x)與求解無關(guān)，在以下分析中不予考連桿切口處沿τ(x)方向的變形連續(xù)條件可用下式表示：δ1+δ2+δ3=0…………1、δ1——切口處由于墻肢的彎曲和剪切變形產(chǎn)生的切側(cè)移曲線為ym，則相應(yīng)的墻肢轉(zhuǎn)角為兩墻肢的轉(zhuǎn)角相等，由墻肢彎曲變形產(chǎn)生的相對位移為（以位移方向與剪應(yīng)力τ(x)方向相同為正，以下同）式中，c——兩墻肢軸線間距離的一半。此=-2c=-2c…………………2、δ2——由于墻肢的軸向變形產(chǎn)生的切口位移與連桿剪應(yīng)力τ(x)的關(guān)系為dxdx…3、δ3——連桿彎曲變形和剪切產(chǎn)生的切口相對位移慣性矩為dx，切口處剪力為τ(x)dx=τdx，連桿總長度為2a，則①連桿彎曲變形產(chǎn)生的相對位移δ3m②連桿剪切變形產(chǎn)生的相對位移δ3V引入新符號(hào)m(x)=2cτ(x),并針對不同的水平荷載,式子(5)通過兩次微分、整理〔αx2〔αx2(x)-m(x)={-V0x.H(均布荷載)…(6)HHH式中,m(x)——連桿兩端對剪力墻中心約束彎矩之和；α2=α為雙肢組合截面形心軸的面積矩，按下式IΦ=C1ch(αξ)+C2sh(αξ)l頂部集中力）l頂部集中力）⑴、墻頂部：x=0,ξ=0，剪力墻頂彎矩為零，即⑵、墻底部：x=H,ξ=1，剪力墻底部轉(zhuǎn)角為零，即θm=0①j層連梁的剪力取樓面處高度ξ，查表可得到mj(ξ)，則j層連梁的剪力②j層連梁端部彎矩MLj=VLja其中，Mj是剪力墻截面彎矩，Mj=Mpj-N1×2c，即~~Ii——考慮剪切變形后，墻肢的折算慣性矩IA——各墻肢截面對剪力墻截面形心的面D是連梁的剛度系數(shù)，α的大小直接反映了剪力墻中連梁和墻肢剛度的相對大2、當(dāng)1≤α＜10時(shí)此時(shí)，α值較大，說明連梁的剛度較強(qiáng)，連梁對墻肢3、當(dāng)α≥10時(shí)α≥10有兩種以下情況，可按IA/I值進(jìn)行劃分①α≥10且IA/I≤Z時(shí)（Z值見教材137頁表4-1、4-2）近于1.0；當(dāng)洞口較大時(shí)，IA/I值就小。當(dāng)IA/I≤Z時(shí)，剪力墻上洞口較小、②α≥10且IA/I＞Z在剪力墻中產(chǎn)生整體彎曲彎矩Mu(x)和局部彎曲彎矩Ml(x)：Mp(x)=Mu(x)+Ml(x)分析發(fā)現(xiàn)，符合小開口整體墻的判斷條件α≥10且IA/I≤Z時(shí)，局部彎曲彎矩在總彎矩Mp(x)中所占的比重較小，一般不會(huì)超過15％。因此，可以按如下簡其中，Vp——外荷載對于剪力墻截面的總剪力。Mi'(x)=Mi(x)+Vj(x)hj'/2式中，βi——考慮剪切變形影響后的附加系數(shù)'K21=ci'3、壁柱的抗推剛度D的抗推剛度D計(jì)算式為y=a+syn+y1+y2+y3頂點(diǎn)側(cè)移：Δ=Σδj力墻的側(cè)移曲線是彎曲型，曲線凸向原始位置。在框架—剪力墻（以下簡稱框-墻之間的連梁離散為無限連續(xù)的連桿，切斷連桿暴露出分布力pF(x)（剛結(jié)體系中還有m(x)利用變形協(xié)調(diào)條件求得pF(x)（m(x)即可求到有關(guān)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)移為層高h(yuǎn)，根據(jù)柱子抗推剛度的定義，總框架在該層的剪切剛度為CF=hΣDji式中，Dji——第j層第i根柱子的抗推剛度。式中，δm,δn——分別表示框架彎曲變形、軸向變形產(chǎn)生的頂點(diǎn)側(cè)移。設(shè)框—剪結(jié)構(gòu)所受水平荷載為任意荷載p(x),將連桿離散化后切開，暴露出內(nèi)力為連桿軸力pF(x)，則對總剪力墻有：EWIW………微分一次，=-pF………λ是一個(gè)無量綱的量，反映了總框架和總剪力墻之間剛度的相對關(guān)系，稱為剛度y=C1+C2ξ+Ashλξ+Bchλξ+y1式中，y1是式子(4)的特解，與具體荷載有關(guān)。V=V-VFpW式中，MW——總剪力墻彎矩；利用圖表計(jì)算到總剪力墻某一高度處的彎矩MWj和剪力VWj以后，將其按剪V=V-VFjpjWj柱子剪力按抗推剛度D分配還有沿剪力墻高度分布的約束彎矩m，如圖所示。作梁端約束彎矩系數(shù)，用m表示，如圖則有式子中沒有考慮連梁剪切變形的影響。如果考慮，則應(yīng)在以上兩式中分別除以1+β,其中，βhEI來代替，一般βh不小于0.55。M12=m12θM21=m21θEWIW=MW……其中總剪力墻彎矩mdλ-合并(5)(6)兩式，并對x作兩次微分，有EWIW……………引入鉸結(jié)體系的pF(x)，整理得到引入剛度特征值λ和符號(hào)ξ該方程與鉸結(jié)體系的基本方程(4)式是完全相同的，故在計(jì)算框—剪剛結(jié)體系的①剛度特征值λ不同。在剛結(jié)體系里考慮了連梁約束彎矩的影響。剪力墻廣義剪力V=VW-m (10) (11) (12)將m按比例分給每一根梁m……'M=mhM1'2=M2'1=VLln/2框—剪結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移形狀，與剛度特征值λ有關(guān)：①當(dāng)λ很小時(shí)(λ≤1）②當(dāng)λ很大時(shí)(λ≥6）③當(dāng)1<λ＜6時(shí)③框架的最大剪力在結(jié)構(gòu)中部，且最大值的位置隨λ值的增大而向下移動(dòng)?？古び?jì)算仍然建立在平面結(jié)構(gòu)和樓板在自身平面內(nèi)剛度為無窮大這兩個(gè)基Dyi=Vyi/δyDxk=Vxk/δx式中，Vyi——與y軸平行的第i片結(jié)構(gòu)的剪力；Vxk——與x軸平行的第k片結(jié)構(gòu)的剪力；δx、δy——該結(jié)構(gòu)在x方向和y方向的層間位移。以圖示結(jié)構(gòu)為例，任選參考坐標(biāo)xoy，剛度中心為ex=e0x+0.05Lxy0y.y式中，Lx、Ly——與水平力作用方向垂直的建筑物總長。如圖所示，結(jié)構(gòu)在偏心層剪力Vy的作用下，除了產(chǎn)生側(cè)移δ外，還有扭轉(zhuǎn)，都可以用δ和θ來表示。對于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)來講，我們假定其平面外沒有抵抗力，與y軸平行的第i片結(jié)構(gòu)沿y方向的層間側(cè)移為δyi=δ+θxi與x軸平行的第k片結(jié)構(gòu)沿x方向的層間側(cè)移為δxk=-θykVyi=Dyiδyi=Dyiδ+Dyiθxi (1)Vxk=Dxkδxk=-Dxkθyk (2)利用力的平衡：ΣY=0和ΣM=0，可得=ΣVyi=δΣDyi+θΣDyixi…………ex=ΣVyixi-ΣVxkyk=δΣDyixi+θΣDyix+θΣDxky…因?yàn)镺D是剛度中心，所以有ΣDyixi=0…………(6)式中的分母ΣDyix+ΣDxky即為結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。即y方向第i片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剪力。Vxk=-…………………即x方向第k片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剪力。Vyi=-Vxey………………①從材料角度來看，延性指的是材料屈服以后的變形能力。如用εy、εu表μ=εu/εyμ=φu/φyμ=Δu/Δy當(dāng)μ=1時(shí)，表示結(jié)構(gòu)屈服即壞，沒有延性，是脆性破壞。μ>1時(shí)，越大，M①M(fèi)及相應(yīng)的N；②Nmax及相應(yīng)的M；③Nmin及相應(yīng)的M；④M比較大但N比較小或比較大。當(dāng)然，為了驗(yàn)算柱子的斜截面抗剪承載力，柱截面水平力指風(fēng)荷載和水平地震作用。在計(jì)算中假定樓板平面內(nèi)的剛度為無窮梁的延性越好。由力的平衡來看：Asfy-As'fy'=fcmbx，受壓鋼筋配筋率越高，梁的壓區(qū)高度x就越小，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力就越x≤ξbhb0同時(shí)為避免少筋，跨中截面受拉鋼筋最小配筋率為0' A As' A As一二①無震組合時(shí)Vb≤0.07fcbbhb0+1.5fyvMbu=Asfyk(hb0a')M,M——組合得到的梁左右端計(jì)算彎矩。也是一端按順時(shí)針取，另一端≤0.25fcbbhb0②箍筋的數(shù)量和間距應(yīng)滿足下表的要求，當(dāng)縱筋配筋率大于2%時(shí)，箍筋直一二三四乘積M=Vy如果近似取y=H/2，則式中，H——柱子凈高。剪跨比λ是影響鋼筋混凝土柱子破壞形態(tài)的重要因素。剪跨比較小的柱子往①當(dāng)λ>2時(shí)，柱子稱為長柱，其破壞形式多為彎曲破壞；③當(dāng)λ＜1.5時(shí),稱為極短柱,一般都會(huì)發(fā)生剪切斜拉破壞，幾乎沒有延性。按照λ值的劃分，框架柱可分為以下類型：軸壓比是指柱子軸向力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)V/fcbchc一二三Nfcbchcc≤0.25fcbchc0式中，n——取上表中值。對于四級框架，可取n=1.2～1.3。N——初步估計(jì)的柱子最大軸力。可以取VN=(1.1~1.2)NV其中，NV為豎向荷載下的柱子軸力。可以按柱子平均負(fù)荷面積來粗略計(jì)算。強(qiáng)柱弱梁要求節(jié)點(diǎn)處柱端截面所承受的彎矩之和應(yīng)不小于梁端所承受彎矩一級抗震ΣMc≥ΣMbu二級抗震ΣMc≥1.1ΣMbu意的是，有地震作用組合時(shí)，應(yīng)考慮抗震調(diào)整系數(shù)YRE。由于一二三四式中，λ——框架柱剪跨比。設(shè)計(jì)時(shí)取柱子凈高一半和柱截面高度的比值。當(dāng)λ>3取λ=3，當(dāng)λ＜1時(shí)取λ=1；N——與設(shè)計(jì)剪力相對應(yīng)的軸向壓力。當(dāng)N＞0.3fcbchc0，取N=0.3fcbchc0當(dāng)N為軸向拉力時(shí)，應(yīng)將上述公式中的+0.07N改為-0.2N，但公式右端不應(yīng)小于1.25fyvhc0；將+0.056N改為-0.16N，公式右端不應(yīng)小于fyvhc0。一二三>0.6在非加密區(qū)，箍筋不應(yīng)少于加密區(qū)箍筋數(shù)量的50箍筋間距不大于10d一二三四Vj=fykA+fykA-Vc式中，N——上部結(jié)構(gòu)作用在節(jié)點(diǎn)區(qū)的組合軸力，限定N≤0.5fcbchc；ηj——節(jié)點(diǎn)混凝土約束系數(shù)。對四邊有梁約束的中柱節(jié)點(diǎn)，當(dāng)兩個(gè)方向他情況均取ηj=1.0；bj、hj——節(jié)點(diǎn)區(qū)截面有效寬度及高度，一般情況下取bj=bc，hj=hc；1、大偏壓承載力計(jì)算(ξ≤ξb)當(dāng)ξ≤ξb時(shí)，構(gòu)件為大偏心受壓。破壞形式為拉區(qū)鋼筋