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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
2、的 空间形空间形 式和功式和功 能能 1.2 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
3、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 n110110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
4、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
5、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（】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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、（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
11、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
12、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。 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
13、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
14、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 是否设芯柱。是否设芯柱。 bhf n n c = 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，
15、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%; 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
16、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
17、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。 nsatw
19、工程师再用手算 进行最不利荷载组合的内力计算和构件截面配进行最不利荷载组合的内力计算和构件截面配 筋计算，然后项目工程师终审，再用筋计算，然后项目工程师终审，再用cadcad出图。出图。 n我国目前结构设计存在的主要问题：我国目前结构设计存在的主要问题：1 1、盲目、盲目 信赖和依靠一体化计算机结构设计程序；信赖和依靠一体化计算机结构设计程序；2 2、 一次性图形输入而无复校；一次性图形输入而无复校；3 3、设计软件自身、设计软件自身 存在缺陷；存在缺陷；4 4、尤其是在赶任务时，设计管理、尤其是在赶任务时，设计管理 与校审制度不严。与校审制度不严。 第第2 2章章 高层建筑结构体系及工程实例
20、高层建筑结构体系及工程实例 梁梁 板板 水平构件（楼、屋盖体系，水平分体系）水平构件（楼、屋盖体系，水平分体系） 墙墙 柱柱 斜撑斜撑 竖向构件竖向构件 水平构件水平构件 竖向构件竖向构件 竖向分体系竖向分体系 抗侧力体系抗侧力体系 竖向荷载竖向荷载 水平构件水平构件 竖向构件竖向构件 基础基础 地基地基 水平荷载水平荷载 抗侧力体系抗侧力体系 基础基础 地基地基 抗侧力体系抗侧力体系 框架框架 剪力墙剪力墙 框架框架剪力墙或框架剪力墙或框架筒体筒体 框架框架核心筒核心筒 框架框架核心筒核心筒伸臂伸臂 筒中筒筒中筒 束筒束筒 巨型框架巨型框架 脊骨结构脊骨结构 2.1 2.1 框架结构框架结构
21、 n地震区的框架应设计成延性框架；地震区的框架应设计成延性框架； n体型复杂的框架应采用加强措施，并应注意在体型复杂的框架应采用加强措施，并应注意在 复杂中寻求规则（书中图复杂中寻求规则（书中图2-12-1）；）； n我国最高的钢砼框架结构为北京的长城饭店，我国最高的钢砼框架结构为北京的长城饭店， 1818层，层，82.85m82.85m； n由于框架结构的抗侧刚度较小，结构高度增加由于框架结构的抗侧刚度较小，结构高度增加 将导致柱子截面过大，按我国将导致柱子截面过大，按我国高规高规、高高 钢规钢规给出的最大适用高度较经济合理。给出的最大适用高度较经济合理。 2.2 2.2 剪力墙结构剪力墙结
22、构 n现浇剪力墙结构的整体性较好，抗侧刚度和承现浇剪力墙结构的整体性较好，抗侧刚度和承 载力大，延性剪力墙抗震性能好（剪力墙的延载力大，延性剪力墙抗震性能好（剪力墙的延 性不及框架）。性不及框架）。 n剪力墙结构体系中，楼、屋盖一般不设梁，因剪力墙结构体系中，楼、屋盖一般不设梁，因 而剪力墙的间距不能很大（而剪力墙的间距不能很大（3 38m8m），建筑空），建筑空 间受到限制，适用于住宅、旅馆建筑。间受到限制，适用于住宅、旅馆建筑。 n剪力墙结构墙密集，结构刚度大，基本自振周剪力墙结构墙密集，结构刚度大，基本自振周 期小，地震作用大，高度很大的剪力墙结构并期小，地震作用大，高度很大的剪力墙结构
23、并 不经济。不经济。 2.3 2.3 框架框架剪力墙（筒体）和框架剪力墙（筒体）和框架支撑结构支撑结构 n框架框架剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性剪力墙结构兼有框架结构布置灵活、延性 好和剪力墙结构刚度大、承载力高的优点；好和剪力墙结构刚度大、承载力高的优点； n框架的变形为剪切型，剪力墙的变形为弯曲型，框架的变形为剪切型，剪力墙的变形为弯曲型， 两者协同工作，总变形为弯剪型，使层间变形沿两者协同工作，总变形为弯剪型，使层间变形沿 高度表现均匀；高度表现均匀； n框架框架剪力墙结构为双重抗侧力体系，剪力墙为剪力墙结构为双重抗侧力体系，剪力墙为 第一道抗震防线，框架为第二道抗震防线，结构第一
24、道抗震防线，框架为第二道抗震防线，结构 具有多道抗震防线。具有多道抗震防线。 框架 框架剪力墙结构剪力墙结构 注意区别框筒与框注意区别框筒与框筒筒 框架框架剪力墙结构剪力墙结构 框架框架筒体结构筒体结构 n当高度增至当高度增至4050层时，多采用框架层时，多采用框架筒体筒体 结构，此时建筑多为塔式。结构，此时建筑多为塔式。 n在框架在框架剪力墙结构中，要注意剪力墙的合理剪力墙结构中，要注意剪力墙的合理 数量。数量。在本结构中，要特别注意剪力墙布置，在本结构中，要特别注意剪力墙布置， 以免造成较大的以免造成较大的偏心偏心。 n框架框架支撑结构主要用于钢结构，支撑为桁架，支撑结构主要用于钢结构，支
25、撑为桁架， 杆件轴向受力，可充分发挥材料的性能。支撑杆件轴向受力，可充分发挥材料的性能。支撑 有中心支撑和偏心支撑，抗震结构多采用偏心有中心支撑和偏心支撑，抗震结构多采用偏心 支撑，并将水平杆件端部处理成耗能梁段。支撑，并将水平杆件端部处理成耗能梁段。 2.4 2.4 框架框架核心筒结构、框架核心筒结构、框架核心筒核心筒伸伸 臂结构臂结构 n框架框架核心筒结构：框架布置在周边，筒体布置在中核心筒结构：框架布置在周边，筒体布置在中 间。其受力与变形特点与框架间。其受力与变形特点与框架剪力墙（筒体）结构剪力墙（筒体）结构 相同，但相同，但高规高规将其归入筒体体系。将其归入筒体体系。 框架柱的间距可
26、达框架柱的间距可达9m9m，外框架与核心筒之间的距离，外框架与核心筒之间的距离 可达可达10m10m以上，故可获得较大的使用空间。以上，故可获得较大的使用空间。 n当建筑高度较大时，可在沿高度的适当位置设置伸臂，当建筑高度较大时，可在沿高度的适当位置设置伸臂， 用于加强核心筒与框架的连接，则成为框架用于加强核心筒与框架的连接，则成为框架核心核心 筒筒伸臂结构。伸臂结构。 采用框架采用框架核心筒核心筒伸臂结构的有名建筑颇多，如伸臂结构的有名建筑颇多，如 上海金茂大厦、深圳地王大厦及马来西亚双塔等。上海金茂大厦、深圳地王大厦及马来西亚双塔等。 2.5 筒中筒结构 n外筒的高宽比小，为剪切型变形；内
27、筒的高宽比外筒的高宽比小，为剪切型变形；内筒的高宽比 大，为弯曲型变形。故筒中筒结构也为双重抗侧大，为弯曲型变形。故筒中筒结构也为双重抗侧 力体系。力体系。 n值得注意的问题：外筒的剪力滞后现象（书中图值得注意的问题：外筒的剪力滞后现象（书中图 2-192-19）；楼板的厚度（太薄，不能保证足够的平）；楼板的厚度（太薄，不能保证足够的平 面内刚度；太厚，结构自重过大）。面内刚度；太厚，结构自重过大）。 n筒中筒适用于筒中筒适用于5050层以上的建筑，为层以上的建筑，为2020世纪世纪60608080 年代高层建筑的主要体系，并影响了当时高层建年代高层建筑的主要体系，并影响了当时高层建 筑的审美
28、观念筑的审美观念当时提出当时提出“朴素即为美。朴素即为美。” 筒中筒筒中筒 外筒：框筒或桁架筒 外筒：框筒或桁架筒 内筒：实腹筒内筒：实腹筒 2.6 2.6 束筒结构束筒结构 n束筒结构：两个或两个以上的框筒紧靠在一起束筒结构：两个或两个以上的框筒紧靠在一起 成成“束束”状排列。束筒中，增加了框筒的角柱状排列。束筒中，增加了框筒的角柱 数量，可明显的减少剪力滞后。还可以通过束数量，可明显的减少剪力滞后。还可以通过束 筒组成较为复杂的建筑平面（书中图筒组成较为复杂的建筑平面（书中图2-252-25）和）和 建筑造型。建筑造型。 n著名的采用束筒体系的建筑有芝加哥的西尔斯著名的采用束筒体系的建筑有
29、芝加哥的西尔斯 大厦以及被毁于大厦以及被毁于“9.11”9.11”事件的纽约世界贸易事件的纽约世界贸易 中心。中心。 n我国目前尚未见束筒结构的高层建筑，相关规我国目前尚未见束筒结构的高层建筑，相关规 范对此也无明确规定。范对此也无明确规定。 2.7 2.7 巨型框架结构巨型框架结构 n巨型框架和束筒均可归为多筒结构。巨型框架和束筒均可归为多筒结构。 n竖向荷载竖向荷载次结构次结构巨型梁巨型梁巨型柱巨型柱基基 础体系础体系地基地基 n水平作用水平作用 巨型框架巨型框架基础体系基础体系地基地基 n台北台北101101大楼（大楼（101101层，屋顶高层，屋顶高448m448m，塔桅顶高，塔桅顶高
30、 508m508m）采用巨型框架）采用巨型框架核心筒结构体系。核心筒结构体系。 n在在2626层及以下周边设置层及以下周边设置8 8根大箱形钢柱和根大箱形钢柱和1212根根 小箱形钢柱，从小箱形钢柱，从2727层开始只剩层开始只剩8 8根大箱形钢柱；根大箱形钢柱； n内筒由内筒由1616根箱形柱与斜撑形成桁架筒；根箱形柱与斜撑形成桁架筒； n大致每大致每8 8层设置层设置1 1层楼高的巨型梁。为满主舒适层楼高的巨型梁。为满主舒适 度要求，在度要求，在87879292层之间设置悬挂式重力摆锤；层之间设置悬挂式重力摆锤； n为减小屋顶尖塔的鞭梢效应，在为减小屋顶尖塔的鞭梢效应，在498498505
31、m505m之之 间设置两组阻尼块。间设置两组阻尼块。 2.8 2.8 结构体系的适用范围结构体系的适用范围 n书中表书中表2.22.2列出了各钢筋砼结构体系的适宜高列出了各钢筋砼结构体系的适宜高 度范围。而度范围。而“抗震规范抗震规范”和和“混凝土高规混凝土高规”中中 适用最大高度是指：规范或规程中各项规定所适用最大高度是指：规范或规程中各项规定所 适用的房屋高度。当所用的结构体系的高度超适用的房屋高度。当所用的结构体系的高度超 出规范或规程中适用最大高度时，应进行超限出规范或规程中适用最大高度时，应进行超限 审查并采用相应的措施。审查并采用相应的措施。 n规范或规程中有关高宽比限制的条文是一
32、个经规范或规程中有关高宽比限制的条文是一个经 验性的参考规定，符合高宽比限制要求的建筑验性的参考规定，符合高宽比限制要求的建筑 比较容易满足位移限制条件，如能满足层间位比较容易满足位移限制条件，如能满足层间位 移限值及其他条件，对高宽比可适当放宽。移限值及其他条件，对高宽比可适当放宽。 2.9 2.9 高层建筑抗侧力结构体系的发展和应用高层建筑抗侧力结构体系的发展和应用 结构体系结构体系 框架框架 剪力墙剪力墙 框架框架剪力墙（筒体）剪力墙（筒体）框架框架核心筒核心筒 框架框架核心筒核心筒伸臂伸臂 框筒框筒 实腹筒实腹筒 桁架筒桁架筒 筒中筒筒中筒束筒束筒多筒多筒 巨型结构巨型结构脊骨结构脊骨
33、结构 材料材料 钢钢 钢筋砼钢筋砼 组合构件组合构件混合结构混合结构 1 1、单种抗侧力体系发展到双（多）重抗侧力体系、单种抗侧力体系发展到双（多）重抗侧力体系 2 2、由平面结构向空间结构发展、由平面结构向空间结构发展 3 3、平面桁架与空间桁架的应用、平面桁架与空间桁架的应用 4 4、抗侧力结构趋向周边布置、抗侧力结构趋向周边布置 5 5、创造巨型结构和脊骨结构、创造巨型结构和脊骨结构 6 6、组合构件和混合结构的应用、组合构件和混合结构的应用 7 7、高强、轻质材料的应用、高强、轻质材料的应用 8 8、消能减震结构的发展、消能减震结构的发展 9 9、主动控制结构、主动控制结构 第3章 抗
34、侧力结构受力、变形特性概念 3.1 3.1 双重抗侧力体系的受力和变形性能双重抗侧力体系的受力和变形性能 单种抗侧力体系单种抗侧力体系 （静定或延性差）（静定或延性差） 一道抗震防线一道抗震防线 单种抗侧力体系单种抗侧力体系 （超静定且延性较好）（超静定且延性较好） 多道抗震防线多道抗震防线 双（多）重抗侧力体系双（多）重抗侧力体系 双重抗侧力体系的特点双重抗侧力体系的特点 n由两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力由两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力 结构组成，每种抗侧力结构都是具有足够的结构组成，每种抗侧力结构都是具有足够的 刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷刚度和承载力，可以承受一定
35、比例的水平荷 载，并通过楼板连接而协调工作。载，并通过楼板连接而协调工作。 n在地震作用下，当其中一种抗侧力结构有所在地震作用下，当其中一种抗侧力结构有所 损伤时，另一种抗侧力体系能够承受较大的损伤时，另一种抗侧力体系能够承受较大的 地震作用，它能够与损伤的抗侧力结构共同地震作用，它能够与损伤的抗侧力结构共同 或单独抵抗后期地震或单独抵抗后期地震。 3.1.1 框架剪力墙（筒体）结构框架剪力墙（筒体）结构 n在水平作用下，框架呈剪切型变形，剪力墙呈弯曲型在水平作用下，框架呈剪切型变形，剪力墙呈弯曲型 变形，二者协调工作，整体结构呈弯剪型变形。在上变形，二者协调工作，整体结构呈弯剪型变形。在上
36、部，框架帮剪力墙；在下部，剪力墙帮框架。需注意，部，框架帮剪力墙；在下部，剪力墙帮框架。需注意， 即使是在分布水平荷载作用下，结构顶部框架受正剪即使是在分布水平荷载作用下，结构顶部框架受正剪 力，剪力墙受负剪力。力，剪力墙受负剪力。 n影响框架剪力墙结构变形曲线形状和框架与剪力墙影响框架剪力墙结构变形曲线形状和框架与剪力墙 间内力分配比例的重要参数是刚度特征值间内力分配比例的重要参数是刚度特征值 ， 反映二反映二 者的相对刚度。者的相对刚度。 当当 1 12.42.4时，二者的相对刚度较为适度。当然，时，二者的相对刚度较为适度。当然， 同样刚度和数量的剪力墙的布置也需要符合要求。同样刚度和数量
37、的剪力墙的布置也需要符合要求。 wei c h f 4 4种情况种情况 （1 1）当框架承担的剪力不小于基底剪力的）当框架承担的剪力不小于基底剪力的2020或框架最大或框架最大 层剪力的层剪力的1.51.5倍（取二者中的较小值）时，可按框架倍（取二者中的较小值）时，可按框架 剪力墙结构设计。剪力墙结构设计。 （2 2）当剪力墙承担的基本振型倾覆力矩小于总倾覆力矩的）当剪力墙承担的基本振型倾覆力矩小于总倾覆力矩的 5050时，仍属框架剪力墙结构，但框架部分的抗震等时，仍属框架剪力墙结构，但框架部分的抗震等 级按纯框架结构确定，最大适用高度可比框架结构适当级按纯框架结构确定，最大适用高度可比框架结
38、构适当 增加。增加。 （3 3）当框架承担的剪力达不到）当框架承担的剪力达不到(1)(1)中的要求时，不考虑框架中的要求时，不考虑框架 的作用，按剪力墙结构设计。的作用，按剪力墙结构设计。 （4 4）当结构中的剪力墙数量很少时，应按框架结构设计，）当结构中的剪力墙数量很少时，应按框架结构设计， 但需要注意剪力墙对框架上部的不利影响。但需要注意剪力墙对框架上部的不利影响。 （1 1）、（）、（2 2）为双重抗侧力体系；）为双重抗侧力体系； （3 3）、（）、（4 4）为非双重抗侧力体系。）为非双重抗侧力体系。 3.1.23.1.2筒中筒与框架核心筒筒中筒与框架核心筒 n书中表书中表3 31 1为
39、筒中筒结构与框架核心筒结构（无楼板为筒中筒结构与框架核心筒结构（无楼板 大梁）抗侧刚度比较，可见，筒中筒结构的抗侧刚度大梁）抗侧刚度比较，可见，筒中筒结构的抗侧刚度 是框架核心筒抗侧刚度的是框架核心筒抗侧刚度的3 3倍以上。倍以上。 n书表中书表中3 32 2为筒中筒结构与框架核心筒结构（无楼板为筒中筒结构与框架核心筒结构（无楼板 大梁）内力分配比较：在筒中筒结构中，实腹筒分配大梁）内力分配比较：在筒中筒结构中，实腹筒分配 72.6%72.6%的基底剪力，周边框架分配的基底剪力，周边框架分配66.066.0的倾覆力矩；的倾覆力矩； 而在框架核心筒中，周边框架分配的基底剪力和倾而在框架核心筒中，
40、周边框架分配的基底剪力和倾 覆力矩均较小。覆力矩均较小。 n筒中筒结构无疑属双重抗侧力体系；而对于框架核筒中筒结构无疑属双重抗侧力体系；而对于框架核 心筒结构，需将外框架抵抗的剪力调整增大到心筒结构，需将外框架抵抗的剪力调整增大到0.2 0.2 与与1.5 1.5 的较小值。增加框架核心筒结构抗侧的较小值。增加框架核心筒结构抗侧 刚度的有效方法是设连接外柱与内筒的大梁，但将降刚度的有效方法是设连接外柱与内筒的大梁，但将降 低房间的净高。低房间的净高。 0 v maxf, v 3.1.3 3.1.3 混合的框架核心筒结构混合的框架核心筒结构 n我国我国“高规高规”的混合结构：钢框架钢筋砼筒的混合
41、结构：钢框架钢筋砼筒 体、钢骨砼柱钢筋砼筒体，此外还有钢管砼体、钢骨砼柱钢筋砼筒体，此外还有钢管砼 柱钢筋砼筒体。柱钢筋砼筒体。“高规高规”对其提出了外框架对其提出了外框架 承担的剪力不能小于承担的剪力不能小于0.25 0.25 与与1.8 1.8 较小值较小值 的规定，以保证其为双重抗侧力体系。的规定，以保证其为双重抗侧力体系。 n书中图书中图3-103-10为钢框架钢筋砼核心筒典型结构为钢框架钢筋砼核心筒典型结构 剪力分配及调整分析。如各层剪力均按剪力分配及调整分析。如各层剪力均按0.25 0.25 取值，上部各层增加太多而没有必要；如层剪取值，上部各层增加太多而没有必要；如层剪 力均取力
42、均取1.8 1.8 ，设计剪力有可能不到总剪力，设计剪力有可能不到总剪力 的的1010。因此，书中建议：。因此，书中建议： 0v 0 v maxf, maxf, 0 v （1 1）8 8度区，各层框架的层剪力取度区，各层框架的层剪力取0.25 0.25 ， 为该层的为该层的 层剪力。层剪力。 （2 2）6 6度区和非地震区，可以按非双重抗侧力体系设计，度区和非地震区，可以按非双重抗侧力体系设计， 内筒按承担内筒按承担100100的层剪力设计，外框架可取的层剪力设计，外框架可取0.10.1 0.15 0.15 。 （3 3）对于钢框架钢筋砼核心筒结构，由于：）对于钢框架钢筋砼核心筒结构，由于：周
43、边周边 钢框架的抗侧、抗扭刚度小；钢框架的抗侧、抗扭刚度小；钢框架与钢筋砼内筒钢框架与钢筋砼内筒 之间徐变性能的差别，当高度很大时，产生明显的竖之间徐变性能的差别，当高度很大时，产生明显的竖 向变形差，故应注意建筑高度不能太大。向变形差，故应注意建筑高度不能太大。 （4 4）当剪力调整的幅度较大，需增大钢柱截面而导致）当剪力调整的幅度较大，需增大钢柱截面而导致 不经济时，可采用钢骨砼土或钢管砼柱框架。不经济时，可采用钢骨砼土或钢管砼柱框架。 （5 5）当建筑较高或抗震设防烈度较高时，可采用钢骨）当建筑较高或抗震设防烈度较高时，可采用钢骨 砼核心筒，以改善内筒的延性。砼核心筒，以改善内筒的延性。
44、 vv v 3.23.2框架核心筒结构与板柱筒体结构的区别框架核心筒结构与板柱筒体结构的区别 n在受力与变形性能上：在受力与变形性能上： 框架核心筒为双重抗侧力体系；框架核心筒为双重抗侧力体系； 板柱剪力墙（筒体）中的板柱结构属弱框架，板柱剪力墙（筒体）中的板柱结构属弱框架， 板柱剪力墙（筒体）为非双重抗侧力体系。板柱剪力墙（筒体）为非双重抗侧力体系。 n在形式上：在形式上： 板柱筒体结构中无梁楼盖的面积较大，无梁柱板柱筒体结构中无梁楼盖的面积较大，无梁柱 较多；较多； 而框架核心筒结构中的无梁柱少（书中图而框架核心筒结构中的无梁柱少（书中图3 11b中只有中只有4根），也可能没有无梁柱（如书
45、中图根），也可能没有无梁柱（如书中图 35b）。）。 3.3 3.3 框架核心筒伸臂结构受力和变形性能框架核心筒伸臂结构受力和变形性能 n框架核心筒伸臂结构：在框架核心筒结框架核心筒伸臂结构：在框架核心筒结 构中的某一层或几层设置连接内筒与外柱的伸构中的某一层或几层设置连接内筒与外柱的伸 臂，以增强结构的抗侧刚度。臂，以增强结构的抗侧刚度。 n伸臂使外柱产生更大的内力而使内筒弯矩减少，伸臂使外柱产生更大的内力而使内筒弯矩减少， 增强了结构的刚度（书中图增强了结构的刚度（书中图3 31313）。伸臂相）。伸臂相 当于有梁板体系框架核心筒中的梁集中设置当于有梁板体系框架核心筒中的梁集中设置 在结构
46、的一层或几层，但设置伸臂梁在其所在在结构的一层或几层，但设置伸臂梁在其所在 层附近引起竖向构件的内力突变。而在有梁板层附近引起竖向构件的内力突变。而在有梁板 体系框架核心筒中，设置伸臂的作用并不明体系框架核心筒中，设置伸臂的作用并不明 显。显。 设伸臂的优点：设伸臂的优点： 增大框架中间柱轴力、增加刚增大框架中间柱轴力、增加刚 度减少侧移、减少内筒弯矩度减少侧移、减少内筒弯矩 设伸臂的缺点：设伸臂的缺点： 伸臂所在层的上下相邻层的柱伸臂所在层的上下相邻层的柱 子内力突变，柱易出现塑性铰子内力突变，柱易出现塑性铰 非地震区非地震区 利大于弊；利大于弊； 地震区，地震区， 须慎重考须慎重考 虑虑
47、3.4 3.4 加强层的概念加强层的概念 1 1、伸臂、伸臂 加强构件加强构件 2 2、环向构件、环向构件 3 3、腰桁架和帽桁架、腰桁架和帽桁架 加强层：以上三种加强构件的一种或一种以加强层：以上三种加强构件的一种或一种以 上所在的层位。上所在的层位。 3.4.1 3.4.1 伸臂设置的位置和数量伸臂设置的位置和数量 （1）当只设一道伸臂时，最佳位置在距底部固）当只设一道伸臂时，最佳位置在距底部固 定端以上（定端以上（0.600.67）h之间。之间。 （2）设两道伸臂的效果优于一道伸臂，如果一）设两道伸臂的效果优于一道伸臂，如果一 道设置在道设置在0.7h以上，则另一道应设置在以上，则另一道
48、应设置在0.5h 处。处。 （3） 多道伸臂可沿高度均匀设置，设置多道伸多道伸臂可沿高度均匀设置，设置多道伸 臂时，会进一步减小位移，但位移减小量并不臂时，会进一步减小位移，但位移减小量并不 与伸臂数量成正比；设置的伸臂多于与伸臂数量成正比；设置的伸臂多于4道时，道时， 减少侧移的效果基本稳定，但可降低内力突变。减少侧移的效果基本稳定，但可降低内力突变。 3.4.2 设置伸臂的效果和概念 （1 1）在筒中筒结构中，伸臂的作用与密柱深梁的空）在筒中筒结构中，伸臂的作用与密柱深梁的空 间作用重复，设置伸臂的作用较小，反而引起柱间作用重复，设置伸臂的作用较小，反而引起柱 子内力突变，因此一般不设伸臂
49、。子内力突变，因此一般不设伸臂。 （2 2）在框架核心筒结构中，当为非地震区或烈度）在框架核心筒结构中，当为非地震区或烈度 不高的地震区，用设置伸臂减小风荷载下的位移不高的地震区，用设置伸臂减小风荷载下的位移 是较好的方案选择；在中等或强烈度区，如层间是较好的方案选择；在中等或强烈度区，如层间 位移满足要求，则不设伸臂，如不满足要求，应位移满足要求，则不设伸臂，如不满足要求，应 慎重选择伸臂的刚度和数量。慎重选择伸臂的刚度和数量。 （3 3）设置伸臂的方案：）设置伸臂的方案：设置一道刚度不太大的伸设置一道刚度不太大的伸 臂；臂；设置数道刚度不大的伸臂；设置数道刚度不大的伸臂；每层设置刚每层设置
50、刚 度较大的楼板大梁。以上方案应根据具体情况经度较大的楼板大梁。以上方案应根据具体情况经 方案比较确定。方案比较确定。 3.4.3 3.4.3 伸臂的结构形式和连接伸臂的结构形式和连接 n伸臂的结构形式：实腹梁、桁架、空腹桁架，伸臂的结构形式：实腹梁、桁架、空腹桁架， 通常一层高。通常一层高。 考虑建筑和考虑建筑和 施工因素施工因素 放在设备层或避难层放在设备层或避难层 布置通道布置通道 便于安装便于安装 以钢桁架为优以钢桁架为优 考虑到施工中外柱与内筒的竖向变形差，伸考虑到施工中外柱与内筒的竖向变形差，伸 臂应一端固接于竖向构件；另一端与竖向构件臂应一端固接于竖向构件；另一端与竖向构件 临时
51、固定或采用椭圆孔连接，整个结构施工完临时固定或采用椭圆孔连接，整个结构施工完 成后再固定。成后再固定。 3.4.4 3.4.4 环向构件环向构件 n环向构件：沿结构周围布置一层楼（或两层楼）高的环向构件：沿结构周围布置一层楼（或两层楼）高的 桁架，一般高层结构布置一道，如果结构很高，也可桁架，一般高层结构布置一道，如果结构很高，也可 布置两道或三道。环向构件常与伸臂或腰桁架集中于布置两道或三道。环向构件常与伸臂或腰桁架集中于 加强层，而加强层又与设备层、避难层结合在一起，加强层，而加强层又与设备层、避难层结合在一起， 需要对外开敞，故环向构件多采用桁架。需要对外开敞，故环向构件多采用桁架。 n
52、环向构件的基本作用是协调沿周围竖向构件的变形，环向构件的基本作用是协调沿周围竖向构件的变形， 减小竖向变形差。对于框筒，环向桁架可减少剪力滞减小竖向变形差。对于框筒，环向桁架可减少剪力滞 后现象，因此在筒中筒和束筒结构中，通常设置环向后现象，因此在筒中筒和束筒结构中，通常设置环向 桁架而不设伸臂。在框架核心筒结构中，其减少侧桁架而不设伸臂。在框架核心筒结构中，其减少侧 移的作用不如伸臂直接，通常不设环向桁架（也有设移的作用不如伸臂直接，通常不设环向桁架（也有设 置的情况，如书中图置的情况，如书中图3 319a19a）。在框架核心筒伸）。在框架核心筒伸 臂结构中，环向桁架常与伸臂结合以使柱子轴力
53、均匀，臂结构中，环向桁架常与伸臂结合以使柱子轴力均匀， 且可减少伸臂的刚度。且可减少伸臂的刚度。 3.4.5 3.4.5 帽桁架和腰桁架帽桁架和腰桁架 n为设置在内筒与外柱之间的刚度很大的桁架，为设置在内筒与外柱之间的刚度很大的桁架， 其主要作用是减少内筒与外柱之间的竖向变形其主要作用是减少内筒与外柱之间的竖向变形 差。差。 n在在3040层的结构中，一般在顶层设置一道层的结构中，一般在顶层设置一道 桁架，称其为帽桁架；当结构高度很大时，也桁架，称其为帽桁架；当结构高度很大时，也 可同时在中间某层设置，称其为腰桁架。可同时在中间某层设置，称其为腰桁架。 n帽桁架、腰桁架和伸臂的形式以及布置方式
54、都帽桁架、腰桁架和伸臂的形式以及布置方式都 相同，但主要作用不同，设计时，可考虑将二相同，但主要作用不同，设计时，可考虑将二 者相结合。者相结合。 3.5 3.5 筒中筒与框架核心筒、框架核心筒筒中筒与框架核心筒、框架核心筒 伸臂结构设计概念的比较伸臂结构设计概念的比较 n书中表书中表3 36 6对筒中筒结构与框架核心筒结对筒中筒结构与框架核心筒结 构的设计要点进行了比较。构的设计要点进行了比较。 n筒中筒结构的抗侧、抗扭刚度很大，但对其筒中筒结构的抗侧、抗扭刚度很大，但对其 结构布置限制得较严格。而框架核心筒结结构布置限制得较严格。而框架核心筒结 构的布置限制得相对宽松，宽松并不意味着构的布
55、置限制得相对宽松，宽松并不意味着 好把握，因此，对框架核心筒结构的设计好把握，因此，对框架核心筒结构的设计 中应注意的一些问题予以总结：中应注意的一些问题予以总结： （1 1）框架核心筒外框架各构件的截面不宜过小，以保证）框架核心筒外框架各构件的截面不宜过小，以保证 外框架承受剪力的能力，而使框架核心筒成为双重抗侧外框架承受剪力的能力，而使框架核心筒成为双重抗侧 力体系。对采用混合结构的框架钢筋砼核心筒结构，当力体系。对采用混合结构的框架钢筋砼核心筒结构，当 非抗震和非抗震和6 6度抗震时，可采用钢框架并按单筒结构设计；当度抗震时，可采用钢框架并按单筒结构设计；当 为中等烈度和高烈度时，外框架
56、采用钢骨砼或钢管砼柱较为中等烈度和高烈度时，外框架采用钢骨砼或钢管砼柱较 容易达到双重抗侧力体系的要求。容易达到双重抗侧力体系的要求。 （2 2）框架核心筒结构的设计应注意提高其抗扭能力（抗框架核心筒结构的设计应注意提高其抗扭能力（抗 扭刚度和抗扭承载力）。扭刚度和抗扭承载力）。 （3 3）为保证框架核心筒中核心筒的延性，核心筒可以开为保证框架核心筒中核心筒的延性，核心筒可以开 洞，并按强墙弱梁的原则设计墙肢，增加墙肢截面约束边洞，并按强墙弱梁的原则设计墙肢，增加墙肢截面约束边 缘构件的设置范围。在对核心筒延性要求较高的情况下，缘构件的设置范围。在对核心筒延性要求较高的情况下， 可在核心筒纵横
57、相交处设置竖向钢骨，在楼板标高处设置可在核心筒纵横相交处设置竖向钢骨，在楼板标高处设置 钢骨暗梁，在连梁中设置配筋交叉斜撑或采用钢连梁、钢钢骨暗梁，在连梁中设置配筋交叉斜撑或采用钢连梁、钢 骨连梁。骨连梁。 （4 4）框架核心筒结构的楼板内可以布置大梁，）框架核心筒结构的楼板内可以布置大梁， 也可不布置大梁，但周边柱与梁必须刚接成也可不布置大梁，但周边柱与梁必须刚接成 框架。框架。 （5 5）框架核心筒伸臂结构中，要求伸臂在）框架核心筒伸臂结构中，要求伸臂在 平面上对称布置，一般情况下两个方向同时平面上对称布置，一般情况下两个方向同时 布置，但有时也可只有一个方向布置伸臂。布置，但有时也可只有
58、一个方向布置伸臂。 （6 6）伸臂必须与同方向的剪力墙对齐（即布置）伸臂必须与同方向的剪力墙对齐（即布置 在两个方向剪力墙的交汇处），以便剪力墙在两个方向剪力墙的交汇处），以便剪力墙 承受伸臂传来的弯矩和剪力。伸臂宜布置在承受伸臂传来的弯矩和剪力。伸臂宜布置在 减小位移有效的楼层，并与设备层、避难层减小位移有效的楼层，并与设备层、避难层 等结合。等结合。 3.63.6框架和框筒结构的转接层（柱位的变化）框架和框筒结构的转接层（柱位的变化） 上下柱在同一平面内：实腹梁、桁架、拱上下柱在同一平面内：实腹梁、桁架、拱 上下柱不在同一平面内：实腹梁、桁架、斜撑上下柱不在同一平面内：实腹梁、桁架、斜撑
59、转换转换 3.7 3.7 底部大空间剪力墙结构的设计概念和转底部大空间剪力墙结构的设计概念和转 换层换层 底部大空间底部大空间 剪力墙结构剪力墙结构 落地剪力墙落地剪力墙 框支剪力墙框支剪力墙 框支柱框支柱 框支墙框支墙 上部墙体上部墙体 转换层（取一转换层（取一 层剪力墙高度层剪力墙高度 ，内力传递范，内力传递范 围不局限于这围不局限于这 一层一层) ) 压应力分压应力分 布区（拱）布区（拱） 拉杆（托梁）拉杆（托梁） 按承载力：弱层、薄弱层按承载力：弱层、薄弱层 按刚度：柔层、软弱层按刚度：柔层、软弱层 薄弱层薄弱层 框支剪力墙的框支层为软弱层，在大地震中破坏严重。框支剪力墙的框支层为软弱
60、层，在大地震中破坏严重。 3.7.2 3.7.2 底部大空间剪力墙结构的设计概念底部大空间剪力墙结构的设计概念 （1 1）加强框支层刚度（详见）加强框支层刚度（详见“高规高规”附录附录e e）。）。 （2 2）提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层）提高框支层构件的承载力，避免出现薄弱层 （详见（详见“高规高规”第第10.210.2条）。条）。 3.7.3 3.7.3 转换构件转换构件 托梁托梁 截面高度较小时采用框支柱上一部分剪力截面高度较小时采用框支柱上一部分剪力 墙（加厚）墙（加厚） 截面高度较大时截面高度较大时 （重量不宜过大（重量不宜过大 ，墙体破坏机制），墙体破坏机制） 箱形结构箱
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