高层建筑结构概念设计精品教程.ppt

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1、高层建筑结构 概念设计 第1章 概述1.1 1.1 引言引言n设计体制的问题：在建筑设计体制的问题：在建筑设计的方案阶段，结构工设计的方案阶段，结构工程师一般不投入工作。程师一般不投入工作。n某些结构工程师知识结构某些结构工程师知识结构的问题：注重细节而忽视的问题：注重细节而忽视总体方案。总体方案。n当前结构设计模式的问题：当前结构设计模式的问题：规范一体化计算机结构规范一体化计算机结构设计程序设计程序 结构工程师结构工程师对结构概念对结构概念和结构体系和结构体系不感兴趣不感兴趣 ，工作缺乏创工作缺乏创造性造性 限制和限制和约束了约束了业主所业主所想要的想要的空间形空间形式和功式和功能能1.2

2、 1.2 帮助建筑师开拓空间形式与功能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【例1-1】芝加哥第一国家银行大楼芝加哥第一国家银行大楼n业主向往在大楼整个底部有业主向往在大楼整个底部有45层楼高的无柱大层楼高的无柱大空间。空间。结构工程师结构工程师和建筑师首和建筑师首次慷慨和充次慷慨和充分的满主了分的满主了银行家梦寐银行家梦寐以求的底部以求的底部大空间。大空间。【例【例1-2】西尔斯大厦】西尔斯大厦n

3、110110层、层、442m442m高，束筒结构（每个钢框筒为高，束筒结构（每个钢框筒为22.86m22.86m22.86m22.86m523523）n结构平面图见书中图结构平面图见书中图2-242-24优越性优越性使风荷载的分布趋于合理；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满足了想租用整层楼房，而面积又不太大的客户要求；要求；提供了提供了523 523 范围内无柱子的大空间；范围内无柱子的大空间；平均用钢量平均用钢量159.5kg/159.5kg/建筑结构的设计阶段与反馈（书中图建筑结构的设计阶段与反馈（书中图1-41-4）n分阶段设计；分阶段设计；n视方案设计

4、阶段的建筑空间形式为总结构体系；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重点突出总体系与主要分体系之间的最佳受力特征；征；n在初步设计中重视运用近似计算来确认主要分体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（本书第系和关键构件的截面尺寸（本书第4 4章、第章、第5 5章章讲）；讲）；n在设计的主要环节和各阶段之间注重反馈及优化。在设计的主要环节和各阶段之间注重反馈及优化。方案设计阶段方案设计阶段创造创造 初步设计阶段初步设计阶段优化改进优化改进 施工图设计阶段施工图设计阶段出成果出成果【例【例1-3】法兰克福商业银行大楼（】

5、法兰克福商业银行大楼（61层）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。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。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

6、大共同合作（有结构工程师参加）的中标方案：在三角形大楼每一侧都由楼每一侧都由6 6层办公楼区后加插一个层办公楼区后加插一个3 3层楼净高的空中花层楼净高的空中花园，大楼园，大楼3 3个边的空中花园按顺时针方向往上盘旋错层相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，在建筑平面的接；取消核心筒，在建筑平面的3 3个角区设置角筒作为竖个角区设置角筒作为竖向交通通道。向交通通道。角筒角筒错层空腹桁架结构体系。错层空腹桁架结构体系。n初步设计阶段的优化：初步设计阶段的优化：8 8层办公楼区加插一个层办公楼区加插一个4 4层楼净高的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

7、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。比率。n书中图书中图1-9 1-9 结构工程师对设计的态度及其效果结构工程师对设计的态度及其效果1.3 1.3 承载力、刚度、延性为主导的结构概承载力、刚度、延性为主导的结构概念设计念设计 因而，高层建筑结构的抗侧力问题突出因而，高层建筑结构的抗侧力问题突出水平作用效应水平作用效应结构底部倾覆力矩与其高度的平方成结构底部倾覆力矩与其高度的平方成正比正比结构顶部侧移与其高度的结构顶部侧移与其高度的4次方成正比次方成正比n 过大的侧移过大的侧移 对结构造成危害，对结构造成危害，影响正常使用影响正常使用n过明显的摆动过明显的摆动居住者感觉不舒服

8、居住者感觉不舒服抗风抗风要求结构要求结构具有一定具有一定大的刚度大的刚度n抗震结构的刚度不宜过大（抗震结构的刚度不宜过大（刚度大，自振周刚度大，自振周期小，地震作用大期小，地震作用大）。）。n理想的抗震理想的抗震、抗风结构：抗风结构：1 1、应具有一定大的刚度和必要的承载力，、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；以抵御风荷载和多遇地震；2 2、具有多道抗震防线，在结构局部屈服后、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；刚度降低，自振周期增大，地震作用减小；3 3、具有足够的延性耗能能力和良好的变形、具有足够的延性耗能能力和良好的变形能力以抵

9、御罕遇地震。能力以抵御罕遇地震。【例1-4】尼加拉瓜美洲银行尼加拉瓜美洲银行 由美籍学者林同炎教授于由美籍学者林同炎教授于19631963年设计，年设计，1818层、层、61m61m高，首开多道防线、刚柔结合的概念高，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。设计思想于工程实例之先河。柔性筒柔性筒H/b7H/b7 4 4个边长为个边长为4.6m4.6m的的L L形柔性筒（其形柔性筒（其H/b=13.3H/b=13.3）通过每层的连梁组成一个通过每层的连梁组成一个11.6m11.6m11.611.6的正方的正方形核心筒（其形核心筒（其H/bH/b5 5），连梁中部开较大的孔），连梁中

10、部开较大的孔洞。洞。n在风荷载和多遇地震下，核心筒具有足够的刚度和承在风荷载和多遇地震下，核心筒具有足够的刚度和承载力；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在罕遇地震下，作为第一道防线的连梁屈服出现塑性铰，铰，4 4个个L L形柔性筒作为独立的抗震单元，结构刚度降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。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。震后情况：连梁剪切破坏，墙体未见裂缝。动力分析见书中表动力分析见书中表1-11-1。与尼加拉瓜美洲银行相

11、距不远的尼加拉瓜中央银行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（平面布置见书中图2-72-7）在此次地震中破坏惨重。）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尚需重视的一些基本原则 1 1、变复杂为简单，即使结构的受力与传力、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。途径越简单、越直接明确越好。2 2、重视上部结构与其支承结构（构件）整、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。高层建筑的箱基与伐基

12、。3 3、能够有效增大高层建筑抗侧力能力、而、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。毋需增加更多成本的若干理念。4 4、注意竖向构件在建筑物自重作用下的压、注意竖向构件在建筑物自重作用下的压缩变形问题。缩变形问题。1.4 结构设计没有唯一解结构设计没有唯一解 全面、完整的理解规范全面、完整的理解规范n在英国规范前言的最后一行告示：在英国规范前言的最后一行告示：“遵守英国遵守英国规范本身，并不意味给予豁免责任。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：美国桥梁设计规范中也明确指出：“本规范无本规范无法取代设计人员所应具有的专业教育和工程判法取代设计

13、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。安全的最低要求。”n需要全面、完整的理解规范的两个例子。需要全面、完整的理解规范的两个例子。【例【例1-51-5】关于柱的轴压比】关于柱的轴压比n轴压比的定义：轴压比的定义：轴压比限值的实质轴压比限值的实质是柱子截面在大小偏心受压界是柱子截面在大小偏心受压界限破坏状态下的轴压比。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：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、柱中结构类型、抗震等级、剪跨比、箍筋形式、柱中是

14、否设芯柱。是否设芯柱。bhfNnc=n影响轴压比限值的因素还有：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）；柱周边纵向钢筋的配筋率（成正比）；纵向钢筋的强度（成反比）；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）；截面柱的延性好于矩形截面柱）；砼强度等级（成反比）。砼强度等级（成反比）。n可考虑适当上调轴压比限值的情况：可考虑适当上调轴压比限值的情况：1 1、考虑、考虑 的余值适当提高轴压比限值；的余值适当提高轴压比限值；2 2、圆形截面可提高、圆形截面可提高5 510%;10%;

15、可以进行上调的理由：可以进行上调的理由：1 1、实际情况；、实际情况；2 2、轴压比限值的规定为抗震规范中的非强制性条文、轴压比限值的规定为抗震规范中的非强制性条文mins【例【例1-61-6】关于部分框支抗震墙结构（带转换层】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）规定的高层建筑结构、底部大空间剪力墙结构）规定条文的对象条文的对象n由于功能要求，由于功能要求，一些高层的转换层设在一些高层的转换层设在6 61010层，层，而而“高规高规”的相应条文针对的是的相应条文针对的是8 8度不超度不超过过3 3层、层、7 7度不超过度不超过5 5层为部分框支剪力墙的情层为部

16、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。致转换层下部结构偏于不安全。n本书本书3.7.43.7.4也有此方面的论述。也有此方面的论述。1.5 1.5 运用正确的判断力把握设计运用正确的判断力把握设计 对待结构设计软件的态度对待结构设计软件的态度【例【例1-71-7】在某】在某3131层带转换层的高层建筑结构（转换层带转换层的高层建筑结构（转换层位于第层位于第6 6层）的分析计算中，各软件的表现。层）的分析计算中，各软件的表现。nTBSATBSA程序：将上部框支剪力墙假设为一根薄壁杆件程序：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，故取跨度为大，故取跨度为8.7m8.7m的转换梁的截面高度为的转换梁的截面高度为1.6m1.6m竟竟使梁严重超筋。使梁严重超筋。nSATWESATWE程序：配筋量偏大且转换梁内无轴向拉力。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若按此配筋，将导致配筋量大