高层建筑结构设计(第四章)
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高层建筑结构设计广西大学土木建筑工程学院贺盛第四章结构设计基本规定4.6 舒适度验算4.7 抗震设防类别4.8 抗震等级4.9 变形缝设置4.1 适用最大高度及高宽比4.2 结构布置的规则性4.3 承载力验算4.4 荷载效应组合4.5 变形验算本章重点➢掌握各类房屋的适用最大高度及高宽比➢掌握各类结构布置原则及规则性判别方法➢掌握荷载效应组合及承载力验算方法➢掌握变形验算方法➢了解舒适度验算方法➢掌握各类建筑抗震等级确定方法➢熟悉各种变形缝的类型及设置原则4.1 适用最大高度及高宽比结构设计首先需根据房屋高度、抗震设防、设防烈度等因素,确定一个与之匹配的、经济且合理的结构体系,以使结构效能得到充分发挥,材料强度得到充分利用。
《建筑结构抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称《抗规》)、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010(以下简称《高混规》)及《高层民用建筑钢结构设计规程》JGJ-2015(以下简称《高钢规》)规定了钢筋混凝土结构、钢结构及混合结构房屋建筑的最大适用高度。
将钢筋混凝土结构房屋划分为A与B级。
当房屋高度满足下表时,为A级。
当钢筋混凝土结构房屋高度不满足上表,但满足下表时,为B级。
当房屋高度不满足下表时,为超限高层建筑。
民用钢结构房屋的最大适用高度如下表所示。
表中筒体不包括钢筋混凝土筒。
混合结构房屋的最大适用高度如下表所示。
4.1.2 房屋建筑适用的高宽比房屋建筑适用的高跨比,是对结构刚度、整体稳定承载能力及经济合理性的宏观控制指标。
当结构设计满足承载力、稳定、抗倾覆、变形及舒适度等基本条件之后,仅从结构安全角度考虑,高宽比限值不是必须满足的。
高宽比主要影响结构设计的经济性。
钢筋混凝土结构房屋建筑的适用高宽比如下表。
4.1.2 房屋建筑适用的高宽比钢结构房屋建筑的适用高宽比如下表。
混合结构房屋建筑的适用高宽比如下表。
4.2 结构布置的规则性建筑平面可分为板式和塔式两大类。
第二章2.1钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系?钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系?每种结构体系举1~2例。
答:钢筋混凝土房屋建筑的抗侧力结构体系有:框架结构(如主体18层、局部22层的北京长城饭店);框架剪力墙结构(如26层的上海宾馆);剪力墙结构(包括全部落地剪力墙和部分框支剪力墙);筒体结构[如芝加哥Dewitt-Chestnut公寓大厦(框筒),芝加哥John Hancock大厦(桁架筒),北京中国国际贸易大厦(筒中筒)];框架核心筒结构(如广州中信大厦);板柱-剪力墙结构。
钢结构房屋建筑的抗侧力体系有:框架结构(如北京的长富宫);框架-支撑(抗震墙板)结构(如京广中心主楼);筒体结构[芝加哥西尔斯大厦(束筒)];巨型结构(如香港中银大厦)。
2.2框架结构、剪力墙结构和框架----剪力墙结构在侧向力作用下的水平位移曲线各有什么特点?答:(1)框架结构在侧向力作用下,其侧移由两部分组成:梁和柱的弯曲变形产生的侧移,侧移曲线呈剪切型,自下而上层间位移减小;柱的轴向变形产生的侧移,侧移曲线为弯曲型,自下而上层间位移增大。
第一部分是主要的,所以框架在侧向力作用下的水平位移曲线以剪切型为主。
(2)剪力墙结构在侧向力作用下,其水平位移曲线呈弯曲型,即层间位移由下至上逐渐增大。
(3)框架-剪力墙在侧向力作用下,其水平位移曲线呈弯剪型, 层间位移上下趋于均匀。
2.3框架结构和框筒结构的结构构件平面布置有什么区别?答:(1)框架结构是平面结构,主要由与水平力方向平行的框架抵抗层剪力及倾覆力矩,必须在两个正交的主轴方向设置框架,以抵抗各个方向的侧向力。
抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。
框筒结是由密柱深梁组成的空间结构,沿四周布置的框架都参与抵抗水平力,框筒结构的四榀框架位于建筑物的周边,形成抗侧、抗扭刚度及承载力都很大的外筒。
2.5中心支撑钢框架和偏心支撑钢框架的支撑斜杆是如何布置的?偏心支撑钢框架有哪些类型?为什么偏心支撑钢框架的抗震性能比中心支撑框架好?答:中心支撑框架的支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。
第四章4.1 承载力验算和水平位移限制为什么是不同的极限状态?这两种验算在荷载效应组合时有什么不同?答:(1)高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下,各个构件及其连接均有足够的承载力。
我国《建筑结构设计统一标准》规定构件按极限状态设计,承载力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。
水平位移限制是正常使用极限状态,主要原因有:要防止主体结构开裂、损坏;防止填充墙及装修开裂、损坏;过大的侧向变形会使人有不舒适感,影响正常使用;过大的侧移会使结构产生附加内力(P-Δ效应)。
(2)承载力验算是极限状态验算,在内力组合时,根据荷载性质的不同,荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。
对于水平位移限制验算,要选择不同方向的水平荷载(荷载大小也可能不同)分别进行内力分析,然后按不同工况分别组合。
4.2 为什么高而柔的结构要进行舒适度验算?答:因为高而柔的结构抗侧刚度较小,在风荷载作用下会产生较大的侧向加速度,使人感觉不舒适,因此要进行舒适度验算,按重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速度,或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度,使其满足规范要求。
4.3 P-△效应计算与结构总体稳定的含义有何不同?答:P-△效应是指在水平荷载作用下,出现侧移后,重力荷载会产生附加弯矩,附加弯矩又增大侧移,这是一种二阶效应。
在高层建筑结构设计中,一般所说的考虑P-△效应即是进行结构的整体稳定验算,但结构的整体稳定验算还包括结构仅在重力作用下,出现的丧失稳定问题,不过这种情况出现的很少。
4.4 延性和延性比是什么?为什么抗震结构要具有延性?答:(1)延性是指构件和结构屈服后,具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能,一般用延性比表示延性,即塑性变形能力的大小。
(2)当结构设计成延性结构时,由于塑性变形可以耗散地震能量,结构变形虽然会加大,但结构承受的地震作用(惯性力)不会很快上升,内力也不会再加大,因此具有延性的结构可降低对结构承载力的要求,也可以说,延性结构是用它的变形能力(而不是承载力)抵抗罕遇地震作用;反之,如果结构的延性不好,则必须有足够大的承载力抵抗地震,则必须有足够大的承载力抵抗地震。
第四章4.1 承载力验算和水平位移限制为什么是不同的极限状态?这两种验算在荷载效应组合时有什么不同?答:(1)高层建筑结构设计应保证结构在可能同时出现的各种外荷载作用下,各个构件及其连接均有足够的承载力。
我国《建筑结构设计统一标准》规定构件按极限状态设计,承载力极限状态要求采用由荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。
水平位移限制是正常使用极限状态,主要原因有:要防止主体结构开裂、损坏;防止填充墙及装修开裂、损坏;过大的侧向变形会使人有不舒适感,影响正常使用;过大的侧移会使结构产生附加内力(P-Δ效应)。
(2)承载力验算是极限状态验算,在内力组合时,根据荷载性质的不同,荷载效应要乘以各自的分项系数和组合系数。
对于水平位移限制验算,要选择不同方向的水平荷载(荷载大小也可能不同)分别进行内力分析,然后按不同工况分别组合。
4.2 为什么高而柔的结构要进行舒适度验算?答:因为高而柔的结构抗侧刚度较小,在风荷载作用下会产生较大的侧向加速度,使人感觉不舒适,因此要进行舒适度验算,按重现期为10年的风荷载计算结构顶点加速度,或由风洞试验确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度,使其满足规范要求。
4.3 P-△效应计算与结构总体稳定的含义有何不同?答:P-△效应是指在水平荷载作用下,出现侧移后,重力荷载会产生附加弯矩,附加弯矩又增大侧移,这是一种二阶效应。
在高层建筑结构设计中,一般所说的考虑P-△效应即是进行结构的整体稳定验算,但结构的整体稳定验算还包括结构仅在重力作用下,出现的丧失稳定问题,不过这种情况出现的很少。
4.4 延性和延性比是什么?为什么抗震结构要具有延性?答:(1)延性是指构件和结构屈服后,具有承载能力不降低或基本不降低、且有足够塑性变形能力的一种性能,一般用延性比表示延性,即塑性变形能力的大小。
(2)当结构设计成延性结构时,由于塑性变形可以耗散地震能量,结构变形虽然会加大,但结构承受的地震作用(惯性力)不会很快上升,内力也不会再加大,因此具有延性的结构可降低对结构承载力的要求,也可以说,延性结构是用它的变形能力(而不是承载力)抵抗罕遇地震作用;反之,如果结构的延性不好,则必须有足够大的承载力抵抗地震,则必须有足够大的承载力抵抗地震。
高层建筑结构复习题及答案1 名词解释1. 高层建筑:10层及10层以上或房屋高度大于28m 的建筑物。
2. 房屋高度:自室外地面至房屋主要屋面的高度。
3. 框架结构:由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构。
4. 剪力墙结构:由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。
6. 框架—剪力墙结构:由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构。
9. 转换结构构件:完成上部楼层到下部楼层的结构型式转变或上部楼层到下部楼层结构布置改变而设置的结构构件,包括转换梁、转换桁架、转换板等。
17. 结构转换层:不同功能的楼层需要不同的空间划分,因而上下层之间就需要结构形式和结构布置轴线的改变,这就需要在上下层之间设置一种结构楼层,以完成结构布置密集、墙柱较多的上层向结构布置较稀疏、墙术较少的下层转换,这种结构层就称为结构转换层。
(或说转换结构构件所在的楼层)21. 剪重比:楼层地震剪力系数,即某层地震剪力与该层以上各层重力荷载代表值之和的比值。
22. 刚重比:结构的刚度和重力荷载之比。
是影响重力∆-P 效应的主要参数。
23. 抗推刚度(D ):是使柱子产生单位水平位移所施加的水平力。
24. 结构刚度中心:各抗侧力结构刚度的中心。
28. 主轴:抗侧力结构在平面内为斜向布置时,设层间剪力通过刚度中心作用于某个方向,若结构产生的层间位移与层间剪力作用的方向一致,则这个方向称为主轴方向。
33. 剪切变形:下部层间变形(侧移)大,上部层间变形小,是由梁柱弯曲变形产生的。
框架结构的变形特征是呈剪切型的。
42. 剪力滞后:在水平力作用下,框筒结构中除腹板框架抵抗倾复力矩外,翼缘框架主要是通过承受轴力抵抗倾复力矩,同时梁柱都有在翼缘框架平面内的弯矩和剪力。
由于翼缘框架中横梁的弯曲和剪切变形,使翼缘框架中各柱轴力向中心逐渐递减,这种现象称为剪力滞后。
55. 延性结构:在中等地震作用下,允许结构某些部位进入屈服状态,形成塑性铰,这时结构进入弹塑性状态。
第四章水平地震作用计算及位移内力分析对于高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,以及近似于单质点体系的结构,可以采用底部剪力法的简化方法计算水平地震作用。
底部剪力法适用于本工程。
此法是将结构简化为作用于各楼层位置的多质点葫芦串,结构底部总剪力与地震影响系数及各质点的重力荷载代表值有关。
为计算各质点的重力荷载代表值,先分别计算各楼面层梁板柱的重量,各楼层墙体的重量,然后按以楼层为中心上下各半个楼层的重量集中于该楼层的原则计算各质点的重力荷载代表值。
水平地震作用计算还涉及结构的自振周期,本工程采用假想顶点位移法确定。
水平作用下内力及位移分析均采用D值法计算。
一.重力荷载代表值计算1.各层梁、板、柱自重标准值见下表:梁重力荷载代表值2.墙自重标准值:3.各层(各质点)自重标准值计算一层(墙+梁+板+柱):(1813.69+2160.86)/2+996.01+2350.823+(824.26+829.44)/2 =6160.958 kN二层(墙+梁+板+柱):2160.86+996.01+2350.823+829.44=6337.13kN三层(墙+梁+板+柱):2160.86+996.01+2350.823+829.44=6337.13kN四层(墙+梁+板+柱):2160.86+996.01+2350.823+829.44=6337.13kN五层(墙+梁+板+柱):2160.86/2+258.32+996.01+2434.97+829.44/2=5184.45kN4.重力荷载代表值重力荷载代表值G取结构和构件自重标准值和可变荷载组合值之和,各可变荷载组合值取为①雪荷载:0.5;②屋面活载:0.0;③按等效均布荷载计算的楼面活载:0.5;即,G=恒载+0.5×(楼板面积+楼梯面积)×活载标准值。
一层:G1=6160.958 +0.5×(549.495*2.0+44.4*2.5)=6765.953KN二层:G2=6337.13+0.5×(549.495*2.0+44.4*2.5)=6942.125KN三层:G3=6337.13+0.5×(549.495*2.0+44.4*2.5)=6942.125KN四层:G4=6337.13+0.5×(549.495*2.0+44.4*2.5)=6942.125KN五层:G5=5184.45+0.5×593.895*0.2=5303.229KN=5303.23KN6942.13KN6942.13KN6942.13KN=6765.95KN重力荷载代表值二.侧移刚度的计算地震作用是根据各受力构件的抗侧移刚度来分配的,同时,若用顶点位移法求结构的自振周期时也要用到结构的抗侧刚度,为此先计算各楼层柱的侧移刚度。
⾼层建筑结构设计作业答案《⾼层建筑结构设计》作业答案第1章概述思考题:1、什么是⾼层建筑和⾼层建筑结构?JGJ3-2002《⾼层建筑混凝⼟结构技术规程》和JGJ99-1998《⾼层民⽤建筑钢结构技术规程》是如何规定的?答:⾼层建筑尚⽆统⼀的严格定义,不同国家、不同时期,对⾼层建筑定义也不同,但原则上是以层数和建筑⾼度来标定的。
如:德国规定22m以上的建筑物为⾼层建筑英国规定24.3m以上的建筑物为⾼层建筑美国规定24.6m以上或7层以上的建筑物为⾼层建筑法国规定居住建筑物⾼度在50m以上,其他建筑物⾼度在28m以上的建筑为⾼层建筑⽇本规定8层以上或者⾼度超过31m的建筑为⾼层建筑,⽽30层以上的旅馆、办公楼和20层以上的住宅为超⾼层;前苏联则把9层和9层以上视为⾼层建筑;联合国教科⽂组织所属的世界⾼层建筑委员会在1972年年会上建议将⾼层建筑为四类第⼀类⾼层建筑9~16层(⾼度不超过50m);第⼆类⾼层建筑17~25层(⾼度不超过75m);第三类⾼层建筑26~40层(⾼度不超过100m);第四类⾼层建筑40层以上(⾼度超过100m以上,即超⾼层建筑);JGJ3-2002《⾼层建筑混凝⼟结构技术规程》规定:将10层及10层以上或⾼度超过28m的混凝⼟结构为⾼层民⽤建筑;JGJ99-1998《⾼层民⽤建筑钢结构技术规程》规定:10层及10层以上的住宅和约24m以上的其他民⽤建筑为⾼层建筑。
⾼层建筑结构是⾼层建筑中的主要承重⾻架。
2、⾼层建筑结构中结构轴⼒、弯矩和位移与结构⾼度的关系⼤体如何?答:⾼层建筑结构中轴⼒和结构⾼度成线性关系;弯矩和结构⾼度成⼆次⽅关系;位移和结构⾼度成四次⽅关系。
3、按功能材料分,⾼层建筑结构类型主要有哪⼏种?答:按功能材料分:①混凝⼟结构②钢结构③钢和混凝⼟的混合结构型式.4、⾼层建筑的抗侧⼒体系主要有哪⼏类?各有哪些组成和承受作⽤特点?答:⾼层建筑的抗侧⼒类型主要有:框架结构、剪⼒墙结构、框架-剪⼒墙结构、筒体结构、悬臂结构及巨型框架结构。