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高层建筑设计知识点

文章来源: 更新时间:2018/9/8 16:05:58

  

1、高层建筑的定义:

通常以建筑的高度和层数两个指标来判定,但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。

1)国外:

(1)美国规定:高度为22~25m以上或7层以上建筑为高层建筑;

(2)英国规定:高度为24.3m以上的建筑为高层建筑;

(3)日本规定:8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。

2)我国:

(1)《高层民用建筑设计规范》GB50045-95和《高层民用建筑设计防火规范》GBJ50045-2002和规定:≥10层的居住建筑(包括首层设置商业服务网点的住宅)或≥24m的公共建筑。

(2)《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)规定:≥10层或≥28m;(本文章内容的依据)

2、高层建筑的意义:

1)节地,占地面积少

在相同的建设场地中,建造高层建筑可以获得更多的建筑面积,这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨问题。9-10层的建筑比5层的节约用地23%-28%,16-17层的建筑比5层的节约用地32%-49%。

2)有效利用空间资源

在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下,建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面,将这些空闲地面用作绿化和休息场地,有利于美化环境。

3)节省城市建设和管理的投资

高层建筑向高空延伸,可以缩小城市的平面规模,缩短城市道路和各种公共管线的长度,从而节省城市建设和管理的投资

4)在设备完善的情况下,垂直交通比水平交通方便。在建筑群布局上,高低相间,点面结合,可以改善城市面貌,丰富城市艺术。

高层建筑结构的设计要点

1、水平荷载成为设计的决定性因素:

1)竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比;

2)水平荷载产生的倾覆力矩与高度的二次方成正比。

2、侧移成为设计的控制指标:

1)结构顶点的侧移ut与结构高度H的四次方成正比;

2)结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系;过大侧移会使人产生不安全感;使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏,影响正常使用;因P-△效应而使结构产生的附加内力,甚至破坏。

3)必须选择可靠的抗侧力结构体系,使结构不仅具有较大的承载力,而且还应具有较大的侧向刚度。

3、轴向变形的影响在设计中不容忽视

1)竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;

2)对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响;

Houston75层的某商业大厦,采用剪力墙和钢柱混合体系,由于钢柱负荷面积大,其底层钢柱压缩变形比墙多260mm。

3)水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响

水平荷载作用下,使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩,另一侧构件产生轴向拉伸,从而产生整体水平侧移。

由表可知,结构层数越高,轴向变形所产生的影响越大。

4、延性成为结构设计的重要指标

1)延性表示构件和结构屈服后,具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。

2)延性系数μ:用来衡量延性的大小。

3)结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小,即决于结构延性的大小。

4)为了保证结构具有较好的抗震性能,除承载力、刚度外,还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计,采取恰当的抗震构造措施来保证。

5、结构材料用量显著增加

1)对于高层建筑结构,随高度增大,材料用量增大较多。

2)特别是水平荷载对材料用量影响较大。

3)结构方案对材料用量影响很大,水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。

如筒体结构可使结构用钢量大幅度减小,高381m的帝国大厦,采用平面框架结构体系,用钢量为206kg/㎡,采用筒体结构,高344m的约翰.汉考克大厦用钢量仅为146kg/㎡,高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/㎡。

高层建筑结构的类型

按使用的材料,高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构等类型。

1、砌体结构

优点:取材容易、施工简便、造价低廉;

缺点:脆性材料,其抗拉、抗弯、抗剪强度均较低,抗震性能较差;

配筋砌体可改善砌体的受力性能,但较少用于高层。

2、混凝土结构

优点:取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大,刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好;

缺点:自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响;

应用情况:我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构,今后仍将是高层建筑发展的主流。

3、钢结构

优点:材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、施工周期短、抗震性能好;

缺点:用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差;

应用情况:采用钢结构的高层建筑不断的增多;美国、日本等从钢结构起步建造高层建筑的国家已转向发展混凝土结构。

目前世界上最高的钢结构建筑为美国芝加哥西尔斯大厦,110层、高443m。

4、钢-混凝土组合结构或混合结构

不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点,同时还兼有混凝土结构刚度大、防火性能好、造价低的优点。

近年来,这种结构形式逐渐增多,而且发展前景非常好。

定义:钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构

(1)组合结构:将钢骨放在构件内部,外部,采用外包或内填混凝土,称为钢骨混凝土或钢管混凝土。(形成组合构件)

(2)混合结构:指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空间结构。(形成混合结构)

结构体系

结构体系-是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式,是建筑物的受力(传力)(传载)构件系统。

主要分为:竖向结构体系和水平结构体系及基础。

水平结构体系:主要由梁、板等组成的楼板、屋盖等,承担竖向荷载。

水平结构除承受作用于楼面或屋面的竖载外,另一个重要作用是:连接各竖向结构构件,形成一个空间整体结构。

竖向结构体系:主要由柱、剪力墙、筒体等构件组成。主要传递(承受)水平力。

随高度H的增加水平力越来越大,因此要给建筑物设计一个强大的抵抗水平力的结构构件系统,如剪力墙结构体系等。

基础:承托房屋全部重量及外部作用力,并将它们传到地基;另一方面,它又直接受到地震波的作用,并将地震作用传到上部结构。

可以说,基础是结构安全的第一道防线。基础的形式,取决于上部结构的形式、重量、作用力以及地基土的性质。

高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、框剪、筒体等,由它们可以组成多种结构体系。

框架结构体系

1、定义

房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。

注:由L形、T形、Z形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构,截面各肢的肢高肢厚比不大于4。

框架结构柱网布置示意一

2、受力变形特点

框架结构的侧移一般由两部分组成:

1)水平力引起的楼层剪力,使梁、柱构件产生弯曲变形,形成框架结构的整体剪切变形Us;

2)由水平力引起的倾覆力矩,使框架柱产生轴向变形(一侧柱拉伸,另一侧柱压缩)形成框架结构的整体弯曲变形Ub;

3)当框架结构房屋的层数不多时,其侧移主要表现为整体剪切变形,整体弯曲变形的影响很小。

注:框架结构属于柔性结构,侧移主要表现为整体剪切变形。

3、优缺点

1)优点:建筑平面布置灵活,能获得大空间(特别适用于商场、餐厅等)也可按需要隔成小房间;建筑立面容易处理;结构自重较轻;计算理论比较成熟;在一定高度范围内造价较低。

2)缺点:侧向刚度较小,水平荷载作用下侧移较大,有时会影响正常使用;如果框架结构房屋的高宽比较大,则水平荷载作用下的侧移也较大,而且引起的倾覆作用也较大。因此,设计时应控制房屋的高度和高宽比。(以15~20层以下为宜)

剪力墙结构体系

1、定义

房屋竖向称重结构全部由剪力墙组成。

2、受力变形特点:

在竖向荷载作用下,剪力墙是受压的薄壁柱;

在水平荷载作用下,剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱。

注:

1)剪力墙结构属于刚性结构,对于高宽比较大的剪力墙,侧向变形呈弯曲型。

2)剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大,侧向变形较小。

2、优缺点:

1)优点:剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大,侧向变形较小;房间墙面及天花板平整,层高较小,特别适用于住宅、宾馆等建筑。(结构高度:几十米~一百多米)

2)缺点:结构自重较大;建筑平面布置局限性大,较难获得大的建筑空间(一般剪力墙间距3~8m)。

3、布置原则

1)在平面上应沿建筑物主轴方向布置

2)墙体尽量对直、拉通,否则,不能视为整体墙

3)平面形状尽量简单、规则、对称

4)沿竖向宜全高贯通,墙厚沿竖向逐渐减薄,避免竖向刚度突变

5)当建筑平面形状任意时,受力复杂处,剪力墙应适当加密

6)剪力墙宜设于建筑物两端,楼、电梯间及平面刚度有变化处,同时,以纵横向相互连接在一起为有利

4、剪力墙结构的平面布置方案

1)横墙承重方案:

横墙间距即为楼板的跨度,通常剪力墙的间距为6~8M较经济。

2)纵横墙共同承重方案:

楼板支承在进深大梁和横向剪力墙,而大梁又搁置在纵墙上,形成纵横墙共同承重的方案。

在实际工程中以横墙承重方案居多数。


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