多層與高層課件

工程結(jié)構(gòu)第八章多層與高層普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材本章介紹鋼筋混凝土多層及高層房屋的結(jié)構(gòu)體系，以及框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、計(jì)算方法及構(gòu)造要求。通過學(xué)習(xí)，了解鋼筋混凝土多層及高層房屋的常用結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)及適用高度。

本章提要10層及10層以上或高度大于28m的房屋稱為高層建筑，否則為多層建筑。高層建筑是隨著社會(huì)生產(chǎn)力、人們生活的需要發(fā)展起來的，是商品化、工業(yè)化、城市化的結(jié)果。但是當(dāng)建筑物高度增加時(shí)，水平力（風(fēng)荷載及地震作用）對(duì)結(jié)構(gòu)起的作用將愈來愈大。除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力將明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增加更快。高層建筑中，結(jié)構(gòu)要使用更多的材料來抵抗水平力，抗側(cè)力成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題。特別是在地震區(qū)，地震作用對(duì)高層建筑的威脅也比低層建筑要大，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)受到加倍重視。本章內(nèi)容第一節(jié)多層與高層房屋的結(jié)構(gòu)體系第二節(jié)

多層框架結(jié)構(gòu)的布置及形式

第三節(jié)

框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移與內(nèi)力計(jì)算

第四節(jié)

框架的內(nèi)力組合

第五節(jié)

框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求多層及高層鋼筋混凝土房屋的常用結(jié)構(gòu)體系可分為四種類型：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)，各有不同的適用高度和優(yōu)缺點(diǎn)。高層與多層的界限：

1.《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）

10層及10層以上或大于28m的房屋為高層建筑；

（High-risebuilding）

2.2-9層且高度不大于28米的建筑則為多層建筑。（Multistorybuilding）第一節(jié)多層與高層房屋結(jié)構(gòu)體系世界十大高層：第一（臺(tái)北101大樓）被稱為“臺(tái)北新地標(biāo)”的101大樓于1998年1月動(dòng)工，主體工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“風(fēng)阻尼器”，還有兩臺(tái)世界最高速的電梯，從一樓到89樓，只要39秒的時(shí)間。

在世界高樓協(xié)會(huì)頒發(fā)的證書里，臺(tái)北101大樓拿下了“世界高樓”四項(xiàng)指標(biāo)中的三項(xiàng)世界之最，即“最高建筑物”（508m）“最高使用樓層”(438m)和“最高屋頂高度”(448m)。世界十大高層：第三（西爾斯大廈）西爾斯大廈是位于美國(guó)伊利諾州芝加哥的一幢摩天大樓，樓高442m，共地上108層，由建筑師密斯·凡德勒所設(shè)計(jì)。

美國(guó)伊利諾伊州的芝加哥市堪稱摩天大樓的發(fā)源地。它是為西爾斯--婁巴克公司建造的，于1973年竣工。

西爾斯大廈由9座塔樓組成。它們的鋼結(jié)構(gòu)框架焊接在一起，這樣也助于減少因其高度所造成的在風(fēng)中搖動(dòng)。所有的塔樓寬度相同，但高度不一。大廈外面的黑色環(huán)帶巧妙地遮蓋了服務(wù)性設(shè)施區(qū)。西爾斯大廈有110層，一度是世界上最高的辦公樓。每天約的1.65萬人到這里上班。在第103層有一個(gè)供觀光者俯瞰全市用的觀望臺(tái)。它距地面412m，天氣晴朗時(shí)可以看到美國(guó)的4個(gè)州。世界十大高層：第四（上海金茂大廈）金茂大廈具有中國(guó)傳統(tǒng)風(fēng)格的超高層建筑，是上海邁向21世紀(jì)的標(biāo)志性建筑之一，由美國(guó)SOM設(shè)計(jì)事務(wù)所主設(shè)計(jì)。1998年8月建成。占地236萬平方米，建筑面積28.95萬平方米。高420.5m，88層。

金茂大廈主樓1～52層為辦公用房，53～87層為五星級(jí)賓館，88層為觀光層。大廈充分體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)的文化與現(xiàn)代高新科技相融合的特點(diǎn)，既是中國(guó)古老塔式建筑的延伸和發(fā)展，又是海派建筑風(fēng)格在浦東的再現(xiàn)。世界十大高層：第五（香港國(guó)際金融中心大廈）第六（中信廣場(chǎng)大廈）第七（信興廣場(chǎng)大廈）第八（帝國(guó)大廈）第九（中環(huán)廣場(chǎng)大廈）第十（中銀大廈）

位于香港中環(huán)的國(guó)際金融中心一期1998年竣工，高39層，180米，自建成后便吸引了不少國(guó)際金融機(jī)構(gòu)進(jìn)駐。國(guó)金二期2003年落成，高420米，共88層，為香港最高建筑物。被稱為“驚世之作”的香港國(guó)際金融中心二期外形設(shè)計(jì)概念是以一個(gè)向外地的朋友“招手”的手勢(shì)，向海外朋友表示“歡迎您”的意思。天河中信廣場(chǎng)是廣州繼63層廣東國(guó)際大廈（查看地圖）為當(dāng)年全國(guó)最高建筑之后，又一次奪得90年代的全國(guó)之冠，樓高達(dá)391米，80層，迄今為止仍是廣東省之最。

作為中國(guó)最高的建筑之一，中信廣場(chǎng)有68部電梯上上下下，保利物業(yè)負(fù)責(zé)人稱，整個(gè)中信是“立起來的街道”。信興廣場(chǎng)地王大廈由68層的商業(yè)大樓、32層的商務(wù)公寓、5層的購(gòu)物中心及2層地下停車場(chǎng)組成，樓高384米，占地18734平方米，總建筑面積27萬平方米，總投資40億港幣。

1993年香港中環(huán)廣場(chǎng)大廈建成，高374米，78層，是香港目前最高的摩天大樓。也同樣躋身于世界最高建筑物前10名之列。

大廈看起來是三角形造型，其實(shí)并不是真三角形因?yàn)樗募饨蔷磺腥?。原因有二：首先是為了能有更多便于使用的室?nèi)面積；而更重要的是避免以其稅利尖角沖向鄰居而得罪他們。這樣做不僅是不禮貌的更重要的是有礙風(fēng)水。

大廈頂部以金字塔形狀的坡頂以及立于其上的桅桿作收束，晚間日光照耀下閃閃發(fā)光。立面以三種不同顏色的隔熱玻璃圍護(hù)。金色、銀色涂層的玻璃構(gòu)成垂直和水平圖案而形別涂飾的花玻璃穿插其間，形成典雅而又閃爍發(fā)光的形象。

1981年4月30日，矗立在美國(guó)紐約市中心高1250英尺、共102層的帝國(guó)大廈度過了50個(gè)春秋。30年代，美國(guó)經(jīng)濟(jì)處于大蕭條時(shí)期，人民生活更加困苦，而華爾街的老板們卻熱衷于修建摩天大樓的競(jìng)賽。百萬富翁拉斯科布為了顯示自己的富有，決意修建一座世界最高的樓房。他找來著名的建筑師威廉·拉姆，問樓房能蓋多高？拉姆沉思片刻后回答說：“1050英尺?！崩箍撇紝?duì)這個(gè)高度很不滿意，因?yàn)檫@僅僅比當(dāng)時(shí)紐約新建成的克萊斯勒大廈高4英尺。于是，建筑師設(shè)法增加了一節(jié)200英尺高的圓塔，使帝國(guó)大廈的高度為1250英尺。這座摩天大樓只用了410天就建成，也可算是建筑史上的奇跡。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，帝國(guó)大廈一直是世界最高的樓房。香港中國(guó)銀行大廈，由貝聿銘建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)，1990年完工?？偨ㄖ娣e12.9萬平方米，地上70層，總高369m。結(jié)構(gòu)采用4角12層高的巨形鋼柱支撐，室內(nèi)無一根柱子。仔細(xì)觀察中銀大廈，會(huì)發(fā)現(xiàn)許多貝氏作品慣用的設(shè)計(jì)，以平面為例，中銀大廈是一個(gè)正方平面，對(duì)角劃成4組三角形，每組三角形的高度不同，節(jié)節(jié)高升，使得各個(gè)立面在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膸缀我?guī)范內(nèi)變化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的馬德里大廈，馬德里大廈亦是以方正的正面做多邊的分割，分析其組合，乃系兩個(gè)平等四邊形的變化。8.1.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

將房屋的內(nèi)、外墻都做成實(shí)體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種體系為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的間距受到樓板跨度的限制，一般為3～8m，因而剪力墻結(jié)構(gòu)適用于具有小房間的住宅、旅館等建筑，此時(shí)可省去大量砌筑填充墻的工序及材料，如果采用滑升模板及大模板等先進(jìn)的施工方法，施工速度很快。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度大，在水平力作用下側(cè)向變形很小。墻體截面積大，承載力要求也比較容易滿足。剪力墻的抗震性能也較好。剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)和局限性也是很明顯的，主要是剪力墻間距太小，平面布置不靈活，結(jié)構(gòu)自重較大。為了減輕自重和充分利用剪力墻的承載力和剛度，剪力墻的間距要盡可能做大些，一般6m左右為宜。

在這種體系中，剪力墻常常擔(dān)負(fù)大部分水平荷載，結(jié)構(gòu)總體剛度加大，側(cè)移減小。同時(shí)，通過框架和剪力墻協(xié)同工作，通過變形協(xié)調(diào)，使各種變形趨于均勻，改善了純框架或純剪力墻結(jié)構(gòu)中上部和下部層間變形相差較大的缺點(diǎn)，因而在地震作用下可減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。從框架本身看，上下各層柱的受力也比純框架柱的受力均勻，因此柱子斷面尺寸和配筋都可比較均勻框-剪體系的適用高度為15～25層，一般不宜超過30層。8.1.4筒體體系

由筒體為主組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)體系。筒體是由若干片剪力墻圍合而成的封閉井筒式結(jié)構(gòu)，其受力與一個(gè)固定于基礎(chǔ)上的筒形懸臂構(gòu)件相似。根據(jù)開孔的多少，筒體有空腹筒和實(shí)腹筒之分。空腹筒一般由電梯井、樓梯間、管道井等形成，開孔少，因其常位于房屋中部，故又稱核心筒?？崭雇灿址Q框筒，由布置在房屋四周的密排立柱和截面、高度很大的橫梁組成。這些橫梁稱為窗裙梁，梁高一般為0.6～1.22m。深圳發(fā)展中心大廈成束筒巨形框架結(jié)構(gòu)這種布置方案的優(yōu)點(diǎn)是：(1)框架外柱寬度可收小，能滿足建筑立面要求；(2)外墻不承重，其自重由連系梁傳給橫向承重框架柱，故對(duì)縱向墻沿開窗限制建筑上的室內(nèi)采光的要求；(3)由于一般進(jìn)深大于開間，采取橫向承重框架時(shí)，樓板沿縱向（即開間方向）布置，跨度可以相對(duì)小些，樓板結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)合理。如采用裝配式預(yù)制樓板時(shí)，則運(yùn)輸和吊裝也較為方便。目前，一般工業(yè)與民用建筑多采用這種橫向承重框架的布置方案。（二）主要承重框架沿房屋縱向布置（二）主要承重框架沿房屋縱橫向布置

承重框架沿房屋縱向與橫向同時(shí)布置，可以有利于滿足來自兩個(gè)不同方向的抗風(fēng)和抗震要求。雖然有時(shí)樓板僅沿一個(gè)方向布置或者采用雙向樓板，但是縱橫兩個(gè)方向的框架均具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

框架的形式此外，在框架中還有部分剛接節(jié)點(diǎn)，部分為鉸接節(jié)點(diǎn)的混合方案。其頂層梁與柱鉸接，其他為剛接?？蚣艿男问姐q接點(diǎn)第三節(jié)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與側(cè)移計(jì)算框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算內(nèi)力計(jì)算方法主要有：彎矩分配法、無剪力分配法和迭代法(精確計(jì)算)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)際常用的方法有：分層法(豎向荷載作用)、反彎點(diǎn)法和D值法(水平荷載作用)。豎向荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算(分層法)

力矩分配法回顧:轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、分配系數(shù)、傳遞系數(shù)的概念與計(jì)算?；炯俣ǎ?/p>

①框架的側(cè)移忽略不計(jì)②每層梁上的豎向荷載對(duì)本層梁及與本層梁相連的柱產(chǎn)生彎矩與剪力

剛度修正：除底層柱外其他各層柱的線剛度均乘以0.9的折減系數(shù)；除底層傳遞系數(shù)為1/2外，其他各層柱的彎矩傳遞系數(shù)取1/3。

將多層框架簡(jiǎn)化為單層框架來計(jì)算，即分層進(jìn)行力矩分配計(jì)算。分層計(jì)算得出的梁的彎矩即為最終彎矩，但由于每個(gè)柱均屬于上下兩層，所以柱的最終彎矩為上下兩層計(jì)算結(jié)果相加。水平荷載作用下內(nèi)力計(jì)算(反彎點(diǎn)法與D值法)基本假定:①各柱上下端沒有角位移;②除底層外,各柱上下端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角相等;③忽略框架梁的軸向變形。適用范圍:梁的線剛度與柱的線剛度之比大于3該方法的兩個(gè)關(guān)鍵問題為：a)水平荷載在樓層各柱的分配

b)反彎點(diǎn)高度的確定反彎點(diǎn)高度反彎點(diǎn)高度為反彎點(diǎn)至柱下端的距離。對(duì)上層柱，假定各柱上下轉(zhuǎn)角相等，則柱上下端彎矩相等，反彎點(diǎn)在柱中央，即對(duì)于底層柱，柱腳轉(zhuǎn)角為零，而上端轉(zhuǎn)角不為零，故反彎點(diǎn)向上端移動(dòng)，假定：鉸接：無約束作用，彎矩為零，自由轉(zhuǎn)動(dòng)；固接：約束作用強(qiáng)，彎矩很大，轉(zhuǎn)角為零。側(cè)移剛度系數(shù)d：側(cè)移剛度系數(shù)d表示柱上下兩端相對(duì)有單位側(cè)移時(shí)柱中產(chǎn)生的剪力，它與兩端約束情況有關(guān)。由于梁的線剛度比柱的大，各柱端轉(zhuǎn)角很小，可假定結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角為零，可得：柱端彎矩計(jì)算柱下端彎矩：柱上端彎矩：梁端彎矩計(jì)算改進(jìn)后的反彎點(diǎn)法——D值法反彎點(diǎn)法的缺陷：1)梁柱線剛度之比無窮大(實(shí)際情況中梁的線剛度可能小于柱的線剛度,柱的側(cè)向剛度不僅與柱的線剛度、層高有關(guān)，還與梁的線剛度有關(guān))2)柱反彎點(diǎn)高度固定(柱的反彎點(diǎn)高度也與梁柱線剛度比、上下層橫梁的線剛度比、上下層層高的變化等因素有關(guān))D值法：對(duì)反彎點(diǎn)高度和柱的抗側(cè)移剛度進(jìn)行修正。側(cè)移剛度修正（修正后的側(cè)移剛度用D表示）根據(jù)轉(zhuǎn)角位移方程：柱端彎矩:梁端彎矩：由節(jié)點(diǎn)A、B力矩平衡，可得柱AB受到的剪力：求得框架柱側(cè)向剛度D后，可計(jì)算層間剪力分配給各柱：反彎點(diǎn)高度修正影響柱兩端轉(zhuǎn)角的因素：梁柱線剛度比、柱所在樓層、橫梁線剛度比、上下層層高變化。標(biāo)準(zhǔn)反彎點(diǎn)高比y0：可根據(jù)荷載方式，由n、j、K查表得出。上下層梁線剛度變化時(shí)修正系數(shù)y1：當(dāng)取此時(shí)反彎點(diǎn)上移，y1取正值。若取此時(shí)反彎點(diǎn)下移，y1取負(fù)值。對(duì)于底層，不考慮y1修正值。上下層層高變化時(shí)修正系數(shù)y2、y3

：令，從表中可查出y2，當(dāng)>1時(shí)，y2取正值,反彎點(diǎn)上移；當(dāng)<1時(shí)，y2取負(fù)值，反彎點(diǎn)下移。對(duì)于最上層，不考慮y2修正值。同理，令，查表可得出y3。當(dāng)>1時(shí)，y3取負(fù)值,反彎點(diǎn)下移；當(dāng)<1時(shí)，y3取正值，反彎點(diǎn)上移。對(duì)于最下層，不考慮y3修正值。反彎點(diǎn)法和D值法的主要參數(shù)比較水平荷載作用下側(cè)移的計(jì)算側(cè)移計(jì)算：框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移曲線表現(xiàn)為剪切型。梁柱彎曲引起的側(cè)移為剪切型(主要變形)；柱軸向變形引起的側(cè)移為彎曲型(次要變形)。梁柱彎曲變形引起的側(cè)移柱軸向變形引起的側(cè)移第四節(jié)框架的內(nèi)力組合1）控制截面梁的控制截面：兩端支座和跨中。柱的控制截面：上下端截面。注意：內(nèi)力計(jì)算得到的彎矩與剪力是軸線處的內(nèi)力，需換算成構(gòu)件端截面的內(nèi)力。2）豎向荷載的最不利內(nèi)力組合梁端截面：梁跨中截面：柱端截面：3）活荷載的最不利位置（1）分跨計(jì)算組合法；（2）最不利荷載位置法；（3）分層組合法；（4）滿布荷載法。分跨計(jì)算法計(jì)算跨中最大正彎矩的活荷載布置圖計(jì)算桿端最不利負(fù)彎矩的活荷載布置圖計(jì)算柱頂最不利內(nèi)力的活荷載布置圖滿布活荷載法內(nèi)力組合《荷載規(guī)范》：對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu)，基本組合可采用簡(jiǎn)化規(guī)則，并應(yīng)按下列組合值中取最不利值確定。1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合γG：永久荷載分項(xiàng)系數(shù)；γQi

：第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，γQ1是可變荷載Q1

的分項(xiàng)系數(shù)；SGk：按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk

計(jì)算的荷載效應(yīng)值；SQik：按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik

計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中SQ1k為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者；ψci：可變荷載Qi的組合值系數(shù)；彎矩調(diào)幅現(xiàn)澆框架：0.8～0.9；裝配式框架：0.7～0.8。1)調(diào)幅只對(duì)豎向荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行，水平荷載作用下的彎矩不參與調(diào)幅。應(yīng)先對(duì)豎向荷載作用下框架梁的彎矩進(jìn)行調(diào)幅，再與水平荷載作用產(chǎn)生的框架梁彎矩進(jìn)行組合。2）截面設(shè)計(jì)時(shí)，框架梁跨中截面正彎矩設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于豎向荷載作用下按簡(jiǎn)支梁計(jì)算的跨中彎矩設(shè)計(jì)值的一半。第五節(jié)現(xiàn)澆框架的構(gòu)造要求節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

構(gòu)件連接是框架設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。只有通過構(gòu)件之間的