【正文】 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震分析教學(xué)輔導(dǎo)材料《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震分析》課程建設(shè)小組71高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震分析教學(xué)輔導(dǎo)材料目錄第1章 高層建筑結(jié)構(gòu)體系及布置……………..……………1第2章 荷載與作用………………………………………7第3章 場地與地基……………………………………..18第4章 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法……………………….…………..23第5章 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算…………………………26第6章 剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算……………………….31第7章 框架—剪力墻協(xié)同工作的特點(diǎn)………….………….38第8章 扭轉(zhuǎn)近似計(jì)算………………………..………….51第9章 荷載效應(yīng)組合及設(shè)計(jì)要求…………………………52第10章 框架設(shè)計(jì)與構(gòu)造…………………………………56第11章 剪力墻截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造……………...……………65第1章 高層建筑結(jié)構(gòu)體系及布置1．高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如何？答：高層建筑結(jié)構(gòu)要抵抗豎向和水平荷載，在地震區(qū)，還要抵抗地震作用。在較低的建筑結(jié)構(gòu)中，往往豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；隨著建筑高度的增大，水平荷載效應(yīng)逐漸增大；在高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載和地震作用卻起著決定性作用。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且還要求有足夠的剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生的位移限制在一定的范圍內(nèi)，以保證建筑結(jié)構(gòu)的正常使用和安全。另外，相對(duì)于低層建筑而言，高層建筑相對(duì)較柔，因此在地震區(qū)，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的延性。也就是說，在地震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，仍具有抵抗地震作用的足夠的變形能力，不致倒塌。這樣可以在滿足使用條件下能達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)要求。綜上所述，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，抵抗水平力的設(shè)計(jì)是個(gè)關(guān)鍵，應(yīng)該很好地理解上述特點(diǎn)，使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的抗震性能，還要盡可能地提高材料利用率，降低材料消2．高層建筑采用的結(jié)構(gòu)可分為哪些類型？各有何特點(diǎn)？答：高層建筑采用的結(jié)構(gòu)可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)等類型。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有造價(jià)較低、取材豐富、并可澆筑各種復(fù)雜斷面形狀，而且強(qiáng)度高、剛度大、耐火性和延性良好，結(jié)構(gòu)布置靈活方便，可組成多種結(jié)構(gòu)體系等優(yōu)點(diǎn)，因此，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，我國的高層建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、構(gòu)件斷面小、自重輕、延性及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)；鋼構(gòu)件易于工廠加工，施工方便，能縮短現(xiàn)場施工工期。近年來，隨著高層建筑建造高度的增加，以及我國鋼產(chǎn)量的大幅度增加，采用鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑也不斷增多。更為合理的高層建筑結(jié)構(gòu)為鋼和鋼筋混凝土相結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以使兩種材料互相取長補(bǔ)短，取得經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能優(yōu)良的效果。組合結(jié)構(gòu)是用鋼材來加強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度，鋼材放在構(gòu)件內(nèi)部，外部由鋼筋混凝土做成，成為鋼骨（或型鋼）混凝土構(gòu)件，也可在鋼管內(nèi)部填充混凝土，做成外包鋼構(gòu)件，成為鋼管混凝土。前者可充分利用外包混凝土的剛度和耐火性能，又可利用鋼骨減小構(gòu)件斷面和改善抗震性能，現(xiàn)在應(yīng)用較為普遍。例如：北京的香格里拉飯店就采用了鋼骨混凝土柱?；旌辖Y(jié)構(gòu)是部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)用鋼結(jié)構(gòu)，另一部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（或部分采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)）。多數(shù)情況下是用鋼筋混凝土做筒（剪力墻），用鋼材做框架梁、柱。3．何謂結(jié)構(gòu)體系？高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系有哪些？各有何特點(diǎn)和適用？答：結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗外部作用的構(gòu)件總體組成的方式。在高層建筑中，抵抗水平力成為確定和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系的的關(guān)鍵問題。高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架剪力墻、筒體以及它們的組合。（1）框架結(jié)構(gòu)體系是由梁、柱構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，既承受豎向荷載，也承受水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。這種體系適用于多層建筑及高度不大的高層建筑。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可以做成有較大空間的會(huì)議室、餐廳、車間、營業(yè)室、教室等。需要時(shí)，可用隔斷分隔成小房間，或拆除隔斷改成大房間，因而使用靈活。外墻用非承重構(gòu)件，可使立面設(shè)計(jì)靈活多變。框架結(jié)構(gòu)可通過合理的設(shè)計(jì)，使之具有良好的抗震性能。但由于高層框架側(cè)向剛度較小，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間相對(duì)位移較大，使得非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如填充墻、建筑裝飾、管道設(shè)備等）在地震時(shí)破壞較嚴(yán)重，這是它的主要缺點(diǎn)，也是限制框架高度的原因，一般控制在10～15層。框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少，易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化；可以采用預(yù)制構(gòu)件，也易于采用定型模板而做成現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，有時(shí)還可以采用現(xiàn)澆柱及預(yù)制梁板的半現(xiàn)澆半預(yù)制結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的整體性好，抗震性能好，在地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先采用。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)體系剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體承受豎向與水平荷載，并作為建筑物的圍護(hù)及房間分隔構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系。剪力墻在抗震結(jié)構(gòu)中也稱抗震墻。它在自身平面內(nèi)的剛度大、強(qiáng)度高、整體性好，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，抗震性能較強(qiáng)。在國內(nèi)外歷次大地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出良好的抗震性能，且震害較輕。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)在非地震區(qū)或地震區(qū)的高層建筑中都得到了廣泛的應(yīng)用。在地震區(qū)15層以上的高層建筑中采用剪力墻是經(jīng)濟(jì)的，在非地震區(qū)采用剪力墻建造建筑物的高度可達(dá)140m。目前我國10～30層的高層住宅大多采用這種結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)采用大模板或滑升模板等先進(jìn)方法施工時(shí)，施工速度很快，可節(jié)省大量的砌筑填充墻等工作量。剪力墻結(jié)構(gòu)的墻間距不能太大，平面布置不靈活，難以滿足公共建筑的使用要求；此外，剪力墻結(jié)構(gòu)的自重也比較大。為滿足旅館布置門廳、餐廳、會(huì)議室等大面積公共房間，以及在住宅底層布置商店和公共設(shè)施的要求，可將剪力墻結(jié)構(gòu)底部一層或幾層的部分剪力墻取消，用框架來代替，形成底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)和大底盤、大空間剪力墻結(jié)構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)層則可采用小開間或大開間結(jié)構(gòu)。當(dāng)把底層做成框架柱時(shí)，成為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系，由于底層柱的剛度小，上部剪力墻的剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)力及塑性變形，致使結(jié)構(gòu)破壞較重。因此，在地震區(qū)不允許完全使用這種框支剪力墻結(jié)構(gòu)，而需設(shè)有部分落地剪力墻。（3）框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻所組成的結(jié)構(gòu)體系。由于框架結(jié)構(gòu)具有側(cè)向剛度差，水平荷載作用下的變形大，抵抗水平荷載能力較低的缺點(diǎn)，但又具有平面布置較靈活、可獲得較大的空間、立面處理易于變化的優(yōu)點(diǎn)；剪力墻結(jié)構(gòu)則具有強(qiáng)度和剛度大，水平位移小的優(yōu)點(diǎn)與使用空間受到限制的缺點(diǎn)。將這兩種體系結(jié)合起來，相互取長補(bǔ)短，可形成一種受力特性較好的結(jié)構(gòu)體系框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻可以單片分散布置，也可以集中布置?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)體系在水平荷載作用下的主要特征：1）受力狀態(tài)方面，框架承受的水平剪力減少及沿高度方向比較均勻，框架各層的梁、柱彎矩值降低，沿高度方向各層梁、柱彎矩的差距減少，在數(shù)值上趨于接近。2）變形狀態(tài)方面，單獨(dú)的剪力墻在水平荷載作用下以彎曲變形為主，位移曲線呈彎曲型；而單獨(dú)的框架以剪切變形為主，位移曲線呈剪切型；當(dāng)兩者處于同一體系，通過樓板協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的變形曲線一般呈彎剪型。由于上述變形和受力特點(diǎn)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和承載力較框架結(jié)構(gòu)都有明顯的提高，在水平荷載作用下的層間變形減小，因而減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。在我國，無論在地震區(qū)還是非地震區(qū)的高層建筑中，框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系得到了廣泛的應(yīng)用。（4）筒體結(jié)構(gòu)體系筒體結(jié)構(gòu)為空間受力體系。筒體的基本形式有三種：實(shí)腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墻圍成的筒體稱為實(shí)腹筒。在實(shí)腹筒的墻體上開出許多規(guī)則的窗洞所形成的開孔筒體稱為框筒，它實(shí)際上是由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體。如果筒體的四壁是由豎桿和斜桿形成的桁架組成，則成為桁架筒；如果體系是由上述筒體單元所組成，稱為筒中筒或組合筒。通常由實(shí)腹筒做內(nèi)部核心筒，框筒或桁架筒做外筒。筒體最主要的受力特點(diǎn)是它的空間受力性能。無論哪一種筒體，在水平力作用下都可以看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸臂構(gòu)件，它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具有很好的抗扭剛度。因此，該種體系廣泛應(yīng)用于多功能、多用途，層數(shù)較多的高層建筑中。4．《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》將高層建筑分為了哪兩級(jí)？答：《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系的高層建筑最大適用高度做出了規(guī)定。規(guī)程中將高層建筑分為了兩級(jí)，即常規(guī)高度的高層建筑（A級(jí)）和超限高層建筑（B級(jí)）。5．《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)建筑使用功能的重要性，將建筑抗震設(shè)防類別分為哪四個(gè)抗震設(shè)防類別？答：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)建筑使用功能的重要性，將建筑抗震設(shè)防類別分為甲類、乙類、丙類、丁類四個(gè)抗震設(shè)防類別。甲類建筑為屬于重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑；乙類建筑為屬于地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑；丙類建筑屬于甲、乙、丁類建筑以外的一般建筑；丁類建筑屬于抗震次要建筑。6．何謂“概念設(shè)計(jì)”？什么情況下還要正確運(yùn)用“概念設(shè)計(jì)”？哪些方面須用概念設(shè)計(jì)的方法加以正確處理？答：“概念設(shè)計(jì)”是指對(duì)一些難以做出精確計(jì)算分析，或在某些規(guī)程中難以具體規(guī)定的問題，應(yīng)該由設(shè)計(jì)人員運(yùn)用概念進(jìn)行判斷和分析，以便采取相應(yīng)的措施，做到比較合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。理論與實(shí)踐均表明，一個(gè)先進(jìn)而合理的設(shè)計(jì)，不能僅依靠力學(xué)分析來解決。因?yàn)閷?duì)于較復(fù)雜的高層建筑，某些部位無法用解析方法精確計(jì)算；特別是在地震區(qū)，地震作用的影響因素很多，要求精確計(jì)算是不可能的。因此，不能僅僅依賴于“計(jì)算設(shè)計(jì)”，還要正確運(yùn)用“概念設(shè)計(jì)”。須用概念設(shè)計(jì)的方法加以正確處理的方面：結(jié)構(gòu)平面布置、結(jié)構(gòu)豎向布置、變形縫的設(shè)置、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。7．結(jié)構(gòu)平面布置與結(jié)構(gòu)豎向布置有哪些要求？答：（1）結(jié)構(gòu)平面布置高層建筑的開間、進(jìn)深尺寸和選用的構(gòu)件類型應(yīng)符合建筑模數(shù)，以利于建筑工業(yè)化。在一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。需要抗震設(shè)防的高層建筑，其平面布置應(yīng)符合下列要求：1）平面宜簡單、規(guī)則、對(duì)稱、減少偏心；2）平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長，、值宜滿足教材表1－3的要求；3）不宜采用角部重疊的平面圖形或細(xì)腰形平面圖形。（2）結(jié)構(gòu)豎向布置高層建筑中控制側(cè)向位移常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。而且隨著高度增加，傾覆力矩也相應(yīng)迅速增大。因此，高層建筑的高寬比不宜過大。一般將高寬比控制在5～6以下，是指建筑物地面到檐口高度，是指建筑物平面的短方向總寬。當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí)，限制應(yīng)更嚴(yán)格一些。高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，這些應(yīng)遵循《高層規(guī)程》中的具體規(guī)定。8．基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一般原則有哪些？答：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一般原則：（1）上部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是選擇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的重要因素?；A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要把地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)當(dāng)成一個(gè)整體來考慮：當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度和整體性較差，地基軟弱，且不均勻時(shí)，基礎(chǔ)剛度應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)；當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度和整體性較好，荷載分布較均勻，地基也比較堅(jiān)硬時(shí)，則基礎(chǔ)剛度可適當(dāng)放寬。（2）一般情況下，地基的土質(zhì)均勻，承載力高、沉降量小時(shí)，可以采取天然地基和豎向剛度較小的基礎(chǔ)；反之，則應(yīng)采用人工地基或豎向剛度較大的整體式基礎(chǔ)。（3）單獨(dú)基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)整體性差，豎向剛度小，不容易調(diào)整各部分地基的差異沉降，除非將基礎(chǔ)擱置在未風(fēng)化或微風(fēng)化巖層上，否則不宜在高層建筑中應(yīng)用。在層數(shù)較少的裙房中應(yīng)用時(shí)，也需在單獨(dú)柱基之間沿縱、橫兩個(gè)方向增設(shè)拉梁，以抵抗可能產(chǎn)生的地基差異沉降。（4）當(dāng)采用樁基時(shí)，應(yīng)盡可能采用單根、單排大直徑樁或擴(kuò)底墩，使上部結(jié)構(gòu)的荷載直接由柱或墻傳至樁頂；基礎(chǔ)底板因受力很小而可以做得較薄，如果采用多根或多排小直徑樁，基礎(chǔ)底板就會(huì)受到較大彎矩和剪力，從而使板厚增大。（5）箱形基礎(chǔ)及筏式基礎(chǔ)是高層建筑結(jié)構(gòu)常用的形式。（6）在地震區(qū)，為保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小由基礎(chǔ)變形引起的上部結(jié)構(gòu)傾斜，基礎(chǔ)埋深不能太小。在天然地基或復(fù)合地基上，基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑物高度的1/15。如果采用樁基，則從樁頂算起，基礎(chǔ)埋深不宜小于建筑物高度的1/18。在非地震區(qū)，基礎(chǔ)的埋深可適當(dāng)減小。此外，無論何種形式的基礎(chǔ)，均不宜直接置于可液化土層上。9．高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置的一般原則是什么？答：一獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)滿足以下要求：(1) 簡單、規(guī)則、均勻、對(duì)稱。(2) 承重結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，偏心小，構(gòu)建類型少。(3) 平面長度和突出部分應(yīng)滿足規(guī)范要求，凹角處宜采用加強(qiáng)措施。(4) 施工簡便，造價(jià)省。10．建筑抗震設(shè)防分哪幾類？答：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5001—2001）根據(jù)建筑使用功能的重要性，將建筑抗震設(shè)防類別分為以下四類：甲類建筑——屬于重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑。乙類建筑——屬于地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑。丙類建筑——屬于甲、乙、丙類建筑以外的一般建筑。丁類建筑——屬于抗震次要建筑第2章 荷載與作用1．作用于高層房屋的荷載有哪兩種？在地震區(qū)與非地震區(qū)分別是由哪些荷載起控制作用？答：作用于高層房屋的荷載有兩種：豎向荷載與水平荷載，豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重和樓（屋）蓋上的均布荷載，水平荷載包括風(fēng)荷載和地震作用。在多層房屋中，往往以豎向荷載為主，但也要考慮水平荷載的影響，特別是地震作用的影響。隨著房屋高度的增加，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力越來越大，會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性，成為控制荷載。因此在非地震區(qū)，風(fēng)荷載和豎向荷載的組合將起控制作用，而在地震區(qū)，則往往是地震作用與豎向荷載組合起控制作用。2．什么是風(fēng)荷載？答：風(fēng)受到地面上各種建筑物的阻礙和影響，風(fēng)速會(huì)改變，并在建筑物表面上形成壓力或吸力，這種風(fēng)力的作用稱為風(fēng)荷載。3．什么是基本風(fēng)壓值、風(fēng)載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)答：（1）基本風(fēng)壓值基本風(fēng)壓值系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高統(tǒng)計(jì)所得的重現(xiàn)期為50年一遇1