第五章 高层建筑结构体系与结构布置

1. 第五章 高层建筑结构体系与结构布置 广东工业大学建设学院 韦爱凤

2. 1.1高层建筑和高层建筑结构 1.2高层建筑结构的功能 1.3高层建筑的结构型式 1.4高层建筑结构的发展与展望

3. 1.1高层建筑和高层建筑结构 • 高层建筑的定义 • 各国的规定： 2.世界高层建筑委员会建议： 第一类高层建筑：9~16层（高度≤50m) 第二类高层建筑：17～25层（高度≤75m) 第三类高层建筑：26～40层（高度≤100m) 第四类高层建筑：41层以上（高度±超过100m，即超高层建筑) 3.我国规定 JGJ-2002高层建筑混凝土结构技术规程规定：层数≥10层或高度≥28m JGJ99-1998高层民用结构钢结构技术规程规定：层数≥10层的居住建筑， 和高度≥24m的其他建筑

4. 高层建筑结构—用于高层建筑的结构形式或体系，如框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等等。高层建筑结构—用于高层建筑的结构形式或体系，如框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等等。 1.2高层建筑结构的功能 在规定的设计基准期（一般50年，特别重要建筑100年）内，在承受其上的各种荷载和作用下，完成预期的承载力、正常使用、耐久性以及突发事件中的整体稳定功能。

5. 高层建筑结构内力和位移与结构高度的关系： 如均布荷载作用下的悬臂结构，

6. 1.3高层建筑的结构型式 1.3.1按功能材料分： 1.钢筋混凝土结构 材料来源丰富、造价底，易成形，防火性好，刚度大。自重大 2.钢结构 强度高，自重轻，抗震性能好，易于加工，施工方便；造价高，耐火性能不好 3.混合结构 如钢骨（型钢）混凝土结构，钢管混凝土，部分用钢结构，部分用钢筋混凝土结构的结构体系

7. 1.3.2按结构体系分 1.框架结构体系 2.剪力墙结构体系 3.框架—剪力墙结构体系 4.筒体结构体系 框筒结构、筒中筒结构、多筒结构、成束筒结构 5.悬挂结构体系 6.巨型框架结构体系

8. 框架结构体系

9. 剪力墙结构体系

10. 框架－剪力墙结构体系

11. 框架－筒体结构体系

12. 筒中筒结构体系

13. 成束筒结构体系

14. 悬挂结构体系

15. 巨型框架结构体系

16. 1.4高层建筑结构的发展与展望 • （1）建筑高度不断增加； • （2）建筑功能和用途越来越多； • （3）各种新型的建筑结构类型和结构体系日趋多样化；

17. 第2章 高层建筑结构受力特点和结构概念设计 2.1高层建筑结构上的荷载与作用 2.2高层建筑结构的受力特点和工作特点 2.3高层建筑结构的结构体系和结构布置 2.4高层建筑结构的概念设计

18. 2.1高层建筑结构上的荷载与作用 2.1.1竖向荷载 1.恒荷载（自重） 重力密度 按GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》查取 2.楼面 、屋面活荷载 使用荷载按《建筑结构荷载规范》查取 3.活荷载的不利布置 • 除当楼面活荷载大于4.0KN/m2时（如储藏室、书库）， 高层建筑结构一般不考虑，因为： （1）活荷载占竖向荷载的比例很小（10%20%） （2）复杂，计算工作量大 • 简化做法：按满布方式布置活荷载计算内力后，将框架梁的跨中弯距乘以1.1——1.3的放大系数。

19. 2.1.2风荷载 1.风荷载的标准值 KN/m2 风荷载的标准值 —z高度上的风振系数 —z高度处的风压高度变化系数 —风荷载体形系数 —基本风压（ KN/m2 ） （1）基本风压 50年一遇的基本风压按《建筑结构荷载规范》查取 100年一遇的基本风压可近似取50年一遇的基本风压*1.1

21. （2）风压高度变化系数 • 位于平坦或稍有起伏地形的高层建筑，按照地面粗糙程度和建筑物高度确定（表2.1) 地面粗糙程度： A类—近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类—田野、乡村、丛林、丘陵及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区C类—有密集建筑群的城市市区； D类—有密集建筑群且房屋较高的城市市区； • 位于山区的或远海海面和海岛的高层建筑，按表2.1确定后再乘以地形条件修正系数

22. 离地面或海平面高度（m） 地面粗糙度类别 表2.1 风压高度变化系数μz A B C D 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 250 300 350 400 ≥450 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 2.64 2.83 2.99 3.12 3.12 3.12 3.12 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77 1.86 7.95 2.02 2.09 2.38 2.61 2.80 2.97 3.12 3.12 3.12 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35 1.45 1.54 1.62 1.70 2.03 2.30 2.54 2.75 2.94 3.12 3.12 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.84 0.73 0.93 1.02 1.11 1.19 1.27 1.61 1.92 2.19 2.45 2.68 2.91 3.12

23. （3）风荷载体型系数 μs ： 指建筑物表面实际风压与基本风压的比值，它表示不同体型建筑物表面风力的大小。与建筑物的体型、平面尺寸、表面状况和房屋高宽比有关。

24. 风荷载体型系数 μs ： ①一般设计时，可采用： • （a）圆形平面建筑 0.8 • （b）正多边形及截角三角形平面建筑 • n—多边形的边数 • （c）高宽比H/B ≤4的矩形、方形、十字形平面建筑 1.3 • （d）下列建筑 1.4 V形、Y形、弧形、双十字形、井字形平面建筑： L形、槽形和高宽比H/B ＞4的十字形平面建筑； 高宽比H/B＞4,长宽比L/B≤1.5的矩形、鼓形平面建筑；

25. （3）风荷载体型系数 μs ： ②计算重要且体型复杂的高层建筑及需要更细致进行风荷载计算的场合，可以参照《高层规程》附录A采用，或由风洞试验确定。 H＞200m宜采用风洞试验确定风荷载； H＞150m,有下列情况之一时，宜采用风洞试验确定风荷载： • a.平面形状不规则，立面形状复杂； • b.立面开洞或连体建筑； • c. 周围地形和环境较复杂

26. （3）风荷载体型系数 μs ： ③当群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应，乘以相互干扰增大系数。 ④檐口、雨棚、遮阳板、阳台等水平构件，计算局部上浮风荷载时，μs不宜小于2.0. ⑤验算表面围护结构及其连接的强度时，按《荷载规范》采用局部风压体型系数计算。

27. （4）风振系数 平均风压（稳定风压）+波动风压 （2.3) Ψz—振型系数，可仅考虑受力方向基本振型的影响，对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的弯剪型结构，近似 取振型计算点距室外地面高度z与房屋高度H的比值(z/H)。 ξ—脉动增大系数，查表2.2; v—脉动影响系数，外形、质量沿高度比较均匀的结构按表2.3采用； μz —风压高度变化系数，按表2.1采用；

28. 2.总风荷载（力的大小、方向、作用点） z高度处总风荷载值的大小为： KN/m μsi—第i个表面的平均风荷载体型系数（带正负号） Bi—第i个表面的宽度 αi —第i个表面的法线与风荷载作用方向的夹角 n—建筑物的外围表面总数

29. 风荷载计算例题 • 计算如图平面的框架－剪力墙结构的风荷载及合力作用位置。18层房屋总高58米，地区标准风压为0.64KN/m2，风向为图中箭头所示方向。

31. 2.1.3地震作用 • 1.基本概念 • 地震波 地面运动 建筑物振动 • 地震作用的大小与以下因素有关： • 地震波的特性、场地土的性质、建筑物的动力特性

32. 地震震级—地震产生的能量大小 • 地震烈度—某一地区受到一次地震影响的强烈程度 • 基本烈度—某一地区今后一定时期内，在一般场地条件下，可能遭受的最大烈度 • 设防烈度—一般取基本烈度，重要的建筑经报批可适当提高。

33. 地震烈度的概率分布

34. 2.三水准抗震设计目标及一般设计原则 • 三水准抗震设防目标 • 小震不坏 不损坏或不需修理可使用 • 中震可修 局部进入塑性，结构不破坏，一般修复可继续用 • 大震不倒 不倒塌或发生危及生命的严重破坏

35. 两阶段抗震设计方法 • 第一阶段设计 • 对绝大多数结构 小震作用 承载力验算 结构弹性变形验算，保证结构延性的抗震构造措施 • 第二阶段设计 • 对甲类建筑和特别不规则的建筑 大震作用 薄弱部位 塑性变形验算

36. 高层建筑按其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别：高层建筑按其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别： • 甲类建筑：属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑； • 乙类建筑：属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑； • 丙类建筑：属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑； • 丁类建筑：属于抗震次要建筑。

37. 高层建筑结构应按下列原则考虑地震作用： • 一般情况下，应允许在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用； • 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响； • 8度、9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用； • 9度抗震设计时应计算竖向地震作用。

38. 3.地震作用的计算方法 • 1高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100m的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法； • 2 高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法；

39. 3. 7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算： • 1）甲类高层建筑结构； • 2）表2.4 所列的乙、丙类高层建筑结构； • 3）结构竖向布置特别不规则的高层建筑结构； • 4）带转换层、带加强层、错层、连体、多塔楼等复杂高层建筑结构； • 5）质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构

40. 表2.4 采用时程分析法的高层建筑结构

41. 4.反应谱理论 • 建立在地震作用下单质点结构体系的最大动力反应与结构体系自振周期的反应谱函数关系，计算结构的惯性力，将其作为等效地震荷载，按静力方法进行结构计算和分析的方法。 • 规范给出地震影响系数与结构自振周期的设计反应谱曲线（图2.2) • 建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。

42. 图2.2 地震影响系数曲线 • —地震影响系数；max—地震影响系数最大值； • 1—直线下降段的下降斜率调整系数； • —衰减指数；Tg—特征周期；2—阻尼调整系数； • T—结构自振周期。

43. 89规范的地震影响系数

44. 1 除有专门规定外，钢筋混凝土高层建筑结构的阻尼比应取0.05 • 阻尼调整系数η2应取1.0 • 衰减指数γ应取0.9 • ，下降斜率调整系数η1应取0.02

45. 2 当建筑结构的阻尼比不等于0.05时，其形状参数和阻尼调整系数η2应符合下列规定： • 1）曲线水平段地震影响系数应取η2αmax； • 2）曲线下降段的衰减指数γ ： • γ=0.9+（0.05-ξ）/（0.05+5ξ） （2.5） • ζ——阻尼比。

46. 3）直线下降段的下降斜率调整系数η1： • η1=0.02＋（0.05-ζ）/8 （2.6） • η1小于0时应取0。 • 4）阻尼调整系数η2： • η2=1＋（0.05-ζ）/（0.06+1.7ζ） （2.7) • 当η2小于0.55时，应取0.55。

47. 表2.5 水平地震影响系数最大值αｍａｘ

48. 表2.6 特征周期值Tｇ（s）

49. 等效剪切波速(m/s) 场 地 类 别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ vs>500 0 500≥ vs ＞ 250 ＜5 ≥5 250≥ vs＞140 ＜3 3~50 ＞50 vs ≤ 140 ＜3 3~15 ＞15~80 ＞80 表2.7 场地类别的选用

50. 5.水平地震作用的计算 • （１）底部剪力法 • （２）振型分解反应谱法 • ①不考虑扭转耦联振动影响 • ②考虑扭转耦联振动影响 • （３）弹性时程分析法