第二章第三节多层与高层建筑结构体系（二）

gaocen · 发表于 2013-1-31 11:28:42

本帖最后由 gaocen 于 2013-1-31 11:38 编辑

二、框架结构体系

(一)框架结构的特点与优点

1．基本概念

(1)框架是由梁和柱刚性连接的骨架结构。

(2)框架结构采用的材料：

1)型钢；

2)钢筋混凝土。

2．框架结构的特点

(1)框架的连接点是刚节点，是一个几何不变体。

(2)在竖向荷载作用下，框架的变形及弯矩图见图2-11。由于梁、柱互相约束，横梁的跨中弯矩比简支梁小。

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(3)在水平力作用下，框架的变形及弯矩见图2-12，与排架结构相比，由于梁柱的刚接可提高柱子的抗推刚度，从而框架的水平变形比排架小。

3．框架结构的优点

(1)框架结构所用的钢筋混凝土或型钢有很好的抗压和抗弯能力，因此，可以加大建筑物的空间和高度。

(2)可以减轻建筑物的重量。

(3)有较好的抗震能力。

(4)有较好的延性。

(5)有较好的整体性。

4．框架结构的缺点

因构件截面尺寸不可能太大故承载力和刚度受到一定限制，因此房屋的高度受到限制。

(二)框架结构的类型

1．按构件组成划分为两种类型

(1)梁板式结构。由梁、板、柱三种基本构件组成骨架形成的框架结构。

(2)无梁式结构。由板和柱子组成的结构。

2．按框架的施工方法划分为四种类型

(1)现浇整体式框架

框架全部构件均在现场现浇成整体。

1)整体性和抗震性能好；

2)构件尺寸不受标准构件限制。

(2)装配式框架

框架全部构件采用预制装配：

1)可加速施工进度，提高建筑工业化程度。

2)节点构造刚性差，抗震性能差。

(3)半现浇框架

梁、柱现浇，楼板预制或现浇柱，预制梁板。

1)梁、柱整体性较好，适用于抗震建筑。

2)楼板预制可节约模板，约20％。

(4)装配整体式框架

预制梁、柱，装配时通过局部现浇混凝土使构件连接成整体。

1)保证了节点的刚接，结构整体性好；

2)可省去连接件；

3)增加了后浇混凝土工序；

4)比全现浇可节省模板及加快进度。

(三)框架结构的平面布置方式

1．横向为主要承重框架，纵向为连系梁，只适用于非地震区。

2．纵向为主要承重框架，横向为连系梁。

(1)有利于提高楼层净高的有效利用

(2)房间的使用和划分比较灵活。

(3)不适用于地震区。

3．主要承重框架纵横两个方向布置：

(1)当两个方向的水平力相差不大时，则必须采用这种布置。

(2)适用于地震区及平面为正方形的房屋。

各种框架布置方式见图2-13

(四)框架结构的受力特性

1．框架结构在竖向力作用下的变形和弯矩见图2-14

2．框架结构在水平力作用下的变形和弯矩见图2-15。

三、剪力墙结构

(一)剪力墙的概念和结构效能

（1）剪力墙是一种抵抗竖向荷载引起的轴向作用以及风、地震等水平荷载引起的剪力、弯曲作用的结构单元。

（2）剪力墙既可以做建筑物的承载结构，又可以作为建筑物的分隔墙和围护墙，因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。

（3）剪力墙结构体系承载能力强，整体性和空间作用好，比框架结构有更好的抗侧力能力，因此，可建造较高的建筑物。

（4）受剪力墙的间距的限制，建筑物的开间布置不够灵活，对需要大空间时就不太适用。一般适用住宅、公寓和旅馆。

（5）由于开间不大，剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板，可以不设梁，所以空间利用比较好，可节约层高。

(二)剪力墙结构体系的类型及适用范围

1．普通剪力墙结构。全部由剪力墙组成的结构体系。

2．框架-剪力墙结构。是由框架与剪力墙组合而成的结构体系，适用于需要有局部大空间的建筑，这时在局部大空间部分采用框架结构，同时又可用剪力墙来提高建筑物的抗侧能力，从而满足高层建筑的要求。

3．框支剪力墙结构。当剪力墙结构的底部需要有大空间，剪力墙无法全部落地时，就需要采用底部框支剪力墙的框支剪力墙结构。

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gaocen · 发表于 2013-1-31 11:46:10

本帖最后由 gaocen 于 2013-1-31 14:53 编辑

(三)普通剪力墙结构的结构布置（常识）（重要）

1．平面布置

(1)钢筋混凝土墙承受全部竖向荷载和水平力，所以剪力墙应双向或多向布置，且宜拉通对直。

   对于矩形、L形、T形平面时，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；
   对于三角形及Y形平面可沿三个方向布置；
   对于正多边形、圆形和弧形平面，则可沿径向及环向布置。

(2)单片剪力墙的长度不宜过大：

1) 剪力墙发生弯曲破坏时，具有比较强的变形能力，抗震延性好，而且发生剪切破坏时，变形能力弱，延性差。过长的剪力墙容易发生剪切破坏，因此出于抗震性的要求，不宜采用过长的剪力墙。每个墙段的高宽比应不小于2，当同一轴线上的剪力墙过长时，应用楼板或小连梁分成若干个墙段，每个墙段可以是单片墙，小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于8．0m。

2)剪力墙长度过大，将导致结构刚度过大、周期过短，会加大地震力作用，不经济；

(3)剪力墙的平面布置尽量对称，均匀，且数量适当。

1)剪力墙的开间以6．0～7．0m的大开间，比3．0-3．9m的小开间，较经济合理，降低了材料用量，而且增大建筑使用面积。

2)剪力墙结构的基本周期控制在

Ns——为层数。

底部剪力控制在：

G——建筑物的总重力荷载。

若周期过短，地震力过大时，宜减少墙的数量。

(4)调整剪力墙结构刚度的方法有：

1)适当减小剪力墙的厚度；

2)降低连梁的高度；

3)增大门窗洞口宽度；

4)对较长的墙肢设置施工洞，分为两个墙肢。超过8．0m长时都应用施工洞划分为小墙肢。

2．竖向布置

(1)沿结构高度的刚度突变对抗震非常不利，为避免这一问题，剪力墙应在整个建筑的竖向贯通，上到顶，下到底。

(2)顶层取消部分剪力墙时，其余剪力墙应在构造上予以加强。底层取消部分剪力墙时，应设置转换层。

(3)为避免刚度突变，剪力墙的厚度应按阶段变化，每次厚度减小宜为50-l00mm，不宜过大，厚度变化时宜两侧同时内收。外墙及电梯间墙可只单面内收。厚度改变和混凝土强度等级的改变宜错开楼层。

(4)剪力墙上的洞口宜上下对齐，并列布置。相邻洞口之间及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。当墙肢的宽度与厚度之比小于3的小墙肢，在反复荷载作用下，早开裂，早破坏，故墙肢宽度不宜小于3bw(bw为墙厚)，且不应小于500mm。

(四)剪力墙的构造要求

1．剪力墙的数量

对目前设计的16—28层住宅来看，底层部分剪力墙截面总面积与楼面面积之比大约为：

Aw—剪力墙截面总面积；

Af—楼面面积。

2．剪力墙厚度见表2-7

表2-7

(五)框支剪力墙结构的设计要点

1．有的为满足高层建筑多功能、综合用途的需要，顶部楼层作为住宅、旅馆；中部楼层作为办公用房；下部楼层作为商店、餐馆、文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间，从而采用不同的结构形式。上部楼层采用剪力墙结构以满足住宅和旅馆的要求；中部办公楼用房侧需要中、小室内空间同时存在，则宜采用框架-剪力墙结构来满足其要求；底部作为商店等用房则需要有尽量大的空间，则宜加大柱网，尽量减少墙体。

上述要求与结构的合理布置正好相反，以高层建筑的受力规律，下部楼层受力很大，上部楼层的受力相对要小得多，正常的结构布置应当是下部刚度要大，墙体应多，柱网应密，到上部逐渐减少墙、柱、扩大轴线间距，二者正好矛盾。为了解决上述矛盾，就出现了底层大空间的框支剪力墙结构。

2．由于结构底部与上部结构的刚度产生突变，故在所发生的地震中，其破坏都较严重，抗震性能较差，故在设计中要特别加以注意，设计中要考虑两个关键问题：

(1)保证大空间有充分的刚度，防止竖向的刚度过于悬殊；

(2)加强转换层的刚度与承载力，保证转换层可以将上层剪力可靠地传递到落地墙上去。

3．落地剪力墙的布置和数量

(1)底部大空间层应有落地剪力墙(或)落地简体，落地纵横剪力墙最好成组布置，结合为落地筒。

(2)平面为长矩形，横向剪力墙的片数较多时，落地的横向剪力墙的数目与横向剪力墙数目之比，非抗震设计时不宜少于30％；抗震设计时不宜少于50％，对于一般平面，在非震区γ应尽量接近于1，不应大于3；

在抗震设计时，γ应尽量接近于1，不应大于2。

为满足上述要求，可采取以下措施：

1)与建筑协调，争取尽可能多的剪力墙落地必要时也可在别的部位设置补偿剪力墙；

2)加大落地剪力墙的厚度、尽量增大落地墙的截面面积；

3)提高大空间层的混凝土强度等级。

(3)．落地剪力墙，尽量不要开洞，或开小洞，以免刚度削弱太大。洞口宜布置在剪力墙的中部。

4．转换层的设置，由剪力墙结构转换成框支剪力墙结构的大空间层时，其交接层即为转换层。

(1)转换层的结构形式

1)框架结构。不落地剪力墙用柱和梁形成框支梁来支承上面的剪力墙。

2)板柱结构。用厚板及柱来支承上部剪力墙。

3)空腹桁架结构。用空腹桁架及柱来支承上部剪力墙。

4)箱形刚性结构。

(2)框支梁、框支柱的基本要求

1)框支梁的宽度不小于上部剪力墙厚度的2倍。

2)框支梁上部相邻层的墙体非常重要，应力分布复杂，所以这层墙不宜设边门洞，不得在中柱上方开设门洞。

3)框支柱要严格要求，轴压比要比普通柱小些，见表2-8：

框支柱与框支梁要加强连接。

柱宽宜与梁同宽或比梁宽每边大50mm，且不小于450；断面高度hc，不小于柱宽，不小于梁跨的1／12，柱净高与柱截面高度之比大于或等于4。

(3)转换层楼板的要求

1)板厚不得小于180。

2)楼板应双层双向配筋，并加强与剪力墙的锚固。

四、框架——剪力墙结构

(一)框架-剪力墙结构的受力特点及适用范围

1．框架-剪力（或框剪结构）是由框架和剪力墙组成的结构体系，这种结构由框架构成自由灵活的使用空间，来满足不同建筑功能的要求；同时又有足够的剪力墙，具有相当大的刚度，从而使结构具有较强的抗震能力，大大减少了建筑物的侧移，在大地震时还可以避免填充墙、门窗、吊顶等非结构构件的严重破坏和倒塌。所以在有抗震设计要求时，宜优先采用框剪结构代替框架结构。这种结构形式广泛应用于高层办公和公共建筑，也大量应用于高层旅馆建筑。

2．框剪结构的受力特点

(1)水平力通过楼板传递分配到剪力墙及框架。

(2)在水平力作用下，剪力墙是竖向悬臂结构，其变形曲线呈弯曲型，楼层越高水平位移增长越快（或层间变形越大）；而框架结构在水平力的作用下，楼层越高水平位移增长越慢（或层间变形越小），其变形曲线呈剪切型；两种结构协同工作的结果是：在底部，水平力产生的剪力主要由剪力墙承担；但到顶部时，剪力主要由框架承担。框架结构在水平力作用下的变形曲线呈反S形的剪切型位移曲线。

(二)框剪结构中剪力墙的数量

1．剪力墙的多少直接影响抗震能力，震害调查发现墙数量增加震害减少。但是剪力墙过多，也会造成不经济，因剪力墙增多，结构的刚度增大，周期缩短，地震作用加大，内力增大材料用量增加，基础造价也相应提高。

2．合理的数量

(1)按许可位移值决定

按《高层规程》许可位移的限值来核算结构必要刚度。

一般装修标准的框剪结构顶点位移与全高之比；μ／H不宜大于1／700；较高装修时，μ／H不宜超过1／850，或由层间相对位移与层高之比Δμmax／H的限制值来控制。

(2)用结构自震周期和地震作用来校核

一般较合理的基本自震周期为：

gaocen · 发表于 2013-1-31 11:51:17

本帖最后由 gaocen 于 2013-1-31 15:08 编辑

n为结构层数

3．剪力墙的布置（重要）

(1) 剪力墙应按均匀、分散、对称、周边的原则布置。

(2) 剪力墙应沿各主要轴线方向布置，以保证梁、柱、剪力墙的中线重合，使内力传递和分布合理且保证节点核心区的完整性。

(3)应纵横方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。

(4)宜布置在：竖向荷载较大处、平面形状变化处、楼电梯间处。

(5) 剪力墙的长度不宜太长，总高度与长度之比宜大于2。单肢墙长度不宜大于8m，以免剪切破坏。

(6) 不宜在伸缩缝和防震缝两侧同时布置，纵向剪力墙不宜布置在端部，宜布置在中部

(7)剪力墙的最大间距见表2-9。

表2-9

注：B——建筑物的宽度。

剪力墙之间的楼面有较大开洞时剪力墙的间距还应小一些。

实际工程中，剪力墙的间距一般在2．5B及30m以内。这样的尺寸一般也已可满足建筑功能的要求了。

(8)框剪结构体系中，在设剪力墙后，框架柱应保留，柱作为剪力墙的端部翼缘，可加强剪力墙的承载能力和稳定性，且剪力墙的端部配筋可配置在柱截面内，使剪力墙可一直坚持工作到最后。

(9)位于楼层上的框架梁也应保留，虽然在内力分析时不考虑剪力墙上的框架梁的受力，但梁作为剪力墙的横向加劲肋，也可提高剪力墙的极限承载力。当实在无法加梁时，也应设置暗梁，暗梁的高度与明梁相同，纵筋与箍筋均与明梁相同。

(10)剪力墙宜设在框架柱的轴线内，保持对中，，不宜设在柱边。

五、简体结构

当高层建筑结构层数多，高度大时，由平面抗侧力结构所构成的框架，剪力墙和框剪结构已不能满足建筑和结构的要求，而开始采用具有空间受力性能的筒体结构。筒体结构的基本特征是：水平力主要是由一个或多个空间受力的竖向筒体承受。筒体可以由剪力墙组成，也可以由密柱框筒构成。

(一)简体结构的类型有

1．筒中筒结构——由中央剪力墙内筒和周边外框筒组成；框筒由密柱(柱距3m)、高梁组成；

2．简体—框架结构，亦称框架—核心筒结构，由中央剪力墙核心筒和周边外框架组成；

3．框筒结构；

4．多重筒结构；

5．成束筒结构；

6．多筒体结构。

(二)筒体结构的受力性能和工作特点

1．筒体是空间整截面工作的，如同一竖在地面上的悬臂箱形梁。框筒在水平力作用下不仅平行于水平力作用方向上的框架(称为腹板框架)起作用，而且垂直于水平方向上的框架(称为翼缘框架)也共同受力。薄壁筒在水平力作用下更接近于薄壁杆件，产生整体弯曲和扭转。

2．框筒虽然整体受力，却与理想筒体的受力有明显的差别。理想筒体在水平力作用下，截面保持平面，腹板应力直线分布，翼缘应力相等，而框筒则不保持平截面变形，腹框架柱的轴力是曲线分布的，翼缘框架柱的轴力也是而均匀分布；靠近角柱的柱子轴力大，远离角柱的柱子的轴力小。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为剪力滞后。由于存在这种剪力滞后现象，所以简体结构不能简单按平面假定进行内力计算。

3．在简体结构中，剪力墙筒的截面面积较大，它承受大部分水平剪力，所以柱子承受的剪力很小；而由水平力产生的倾覆力矩，则绝大部分由框筒柱的轴向力所形成的总体弯矩来平衡，剪力墙和柱承受的局部弯矩很小。由于这种整体受力的特点，使框筒和薄壁筒有较高的承载力和侧向刚度，而且比较经济。