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1、2023/6/1,1,高层建筑结构,土木工程系,2023/6/1,2,高层建筑结构,土木工程系,第八章 复杂高层结构设计简介,2023/6/1,3,8.1 概 述,随着现代高层建筑高度的不断增加，功能日趋复杂，高层建筑竖向立面造型也日趋多样化。,带转换层高层建筑结构 带加强层高层建筑结构 错层结构 连体结构 多塔结构 等复杂高层建筑结构,2023/6/1,4,这常常要求上部某些框架柱或剪力墙不落地，为此需要设置巨大的横梁或桁架来支承；有时甚至要改变竖向承重体系(如上部为剪力墙体系的公寓，下部为框架剪力墙体系的办公室或者商场用房)，这就要求设置转换构件将上、下两种不同的竖向结构体系进行转换、过渡
2、。通常，转换构件占据一层或两层，即转换层。,2023/6/1,5,同济大学医学院大楼(同济设计院设计),双塔转换层结构(广西综合院设计),2023/6/1,6,当结构抗侧刚度或整体性需要加强时，在结构的某些层内必须设置加强构件，人们称之为加强层。类似于转换层，加强层往往也布置在某个高度的一层或两层中，芝加哥西尔斯大厦就是其中较为典型的例子。,大连国际贸易中心,2023/6/1,7,基于建筑使用功能的需要，楼层结构不在同一高度，当上、下楼层楼面高差超过一般梁截面高度时就要按错层结构考虑。,错层结构(上海城乡院设计),2023/6/1,8,连体结构是指在两个建筑之间设置一个到多个连廊的结构。当两个
3、主体结构为对称的平面形式时，也常在两个主体结构的顶部若干层连接成整体楼层，称为凯旋门式。,联体高层(重庆规划院设计),2023/6/1,9,天津【凯旋门大厦】,上海【凯旋门大厦】,2023/6/1,10,多塔楼结构的主要特点是在多个多高层建筑塔楼的底部有一个连成整体的大裙房，形成大底盘。当一幢高层建筑的底部设有较大面积的裙房时，为带底盘的单塔结构，这种结构是多塔楼结构的一种特殊情况。,2023/6/1,11,高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002第十章中列出了比较常用的复杂高层建筑结构，如带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等，该规程同时规定9度抗震设计时不应采
4、用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构；7度和8度抗震设计的高层建筑不宜同时采用超过两种上述的复杂结构。,2023/6/1,12,8.2 带转换层的高层建筑,近年来高层建筑多体型复杂且功能多样，向综合性发展，如上部楼层为住宅、旅馆；中部为办公用房，下部作为商店、餐馆、文化娱乐设施。不同用途的楼层，需要大小不同的开间、进深及不同的结构形式，因此在结构转换的楼层处需设置转换结构构件以形成转换层，大致可分为 内部形成大空间 外部形成大入口 两大类。,这就要求结构自下而上增加竖向构件，这样的结构布置与结构合理的传力机制正好相反，部分竖向构件必须要支承在水平构件上，形成大跨度的水平转换构件
5、，来完成上、下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换,2023/6/1,13,8.2.1 转换层结构的设置类别,1.上层和下层结构类型转换 这种转换层广泛用于剪力墙结构和框架剪力墙结构，它将上部剪力墙转换为下部的框架，以创造一个较大的内部活动空间。,北京南洋饭店,墨西哥城日光饭店,2023/6/1,14,2.上、下层的柱网尺寸、轴线改变,转换层上、下的结构形式没有改变，但是通过转换层使下层柱的柱距放大，完成上下层不同柱网轴线布置的转换。具有这类转换构件的结构上、下层的刚度相差不会很大，只是由于下层跨度较大，上柱传来的竖向荷载要通过刚度及承载力大的水平构件作为转换构件，转换层的刚度与其它层有所差
6、别，设计时要尽量选择适当的转换构件，以减少刚度突变。,香港新鸿基中心，筒中筒结构体系，高178.6m，51层，5层以上是办公楼，外框筒柱距为2.4m，14层为大空间商业用房，为解决底层入口问题，采用截面为2.0m5.5m的预应力大梁进行结构轴线转换，将下层柱距扩大为16.8m和12m。,(a)5层平面；(b)标准层平面,2023/6/1,15,3.同时转换结构形式和结构轴线布置,有少数建筑物上部与下部建筑布置完全不同，竖向构件不能贯通，无法直接传力。这种结构的传力途径被破坏，转换构件设计和结构自身设计都十分困难，通常采用的方案是箱形转换构件或厚板转换构件进行间接传力。但采用钢筋混凝土厚板作为转
7、换构件，是典型的沿高度刚度和质量不均匀的结构，对抗震十分不利。箱形板实际上是在厚板中间挖掉部分混凝土，形成交叉梁系构成的转换层。相对于厚板，箱形板的重量和刚度均减小了，但是，交叉梁并非正交，构造仍然十分复杂，目前还没有很完善的厚板转换层的计算和设计方法。,捷克布拉迪斯拉发市基辅饭店的厚板转换层,2023/6/1,16,8.2.2 转换层的结构形式,1.内部结构采用的转换层结构形式,目前工程中应用的转换层，其结构形式有梁式、板式、箱式、桁架式及空腹桁架式，如图8.6。非抗震设计和6度抗震设计时转换构件可采用厚板，7、8度抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。,(a)单向梁式；(b)双向梁式；(c
8、)板式；,(d)箱式；(e)桁架式；(f)空腹桁架式,2023/6/1,17,1)梁式转换层(图8.6(a)、(b)受力明确，设计和施工简单，应用最为广泛，多用于上层为剪力墙结构下层为框架结构的转换。当需要纵横墙同时转换时，则需设置双向转换梁。,2)板式转换层(图8.6(c)当上下柱网、轴线有较大的错位，不便用梁式转换层时，可以改用板式转换方式。板的厚度一般很大，以形成厚板式承台转换层。它的优点在于下层柱网可以灵活布置，不必严格与上层结构对齐，但由于板很厚，自重就增大，材料消耗很多。图8.5所示的基辅饭店就是典型的采用厚板式转换层的实例,3)箱式转换层(图8.6(d)单向托梁、双向托梁连同上下
9、层较厚的楼板共同工作，可以形成刚度很大的箱式转换层，以实现从上层向更大跨度的下层进行转换。,4)桁架式和空腹桁架式转换层(图8.6(e)、(f)这两种形式的转换层的最大优点是构造简单、受力合理，同时减少材料和降低自重，能适应较大跨度的转换。只不过桁架式转换层具有斜撑杆，而空腹桁架式转换层的杆件都是水平、垂直的，在室内空间利用上比桁架式转换层和箱式转换层均好。,2023/6/1,18,2.外部结构采用的转换层结构型式,由于建筑使用功能的需要，外围结构往往要在底部扩大柱距。目前，一般有图示8.7所示的几种处理方案。其中梁式转换(图8.7(a)（d）)，底层用几根大柱支撑，给人以稳定、强壮的感觉，曾
10、在香港康乐中心大厦等建筑中采用；合柱式转换(图8.7(e)，三柱合一柱的方式，结构合理，造型美观，曾在纽约世界贸易中心等建筑中采用；拱式转换(图8.7(f)曾用在日本岗山住友生命保险大楼等建筑中，将拱与桁架结合获得大跨度的转换效果。,(a)梁式转换；(b)桁架式转换；(c)墙式转换；(d)间接式转换；(e)合柱式转换；(f)拱式转换,2023/6/1,19,8.2.3 转换层结构的设计,1.转换层楼板,带转换层的结构都有层剪力的转移，剪力转移主要依靠楼板。底部大空间剪力墙结构由框支剪力墙转移到落地剪力墙中的剪力往往是很大的，楼板和转换构件都要承受较大的剪力，因此高规要求转换层楼板厚度不应小于1
11、80mm，混凝土强度等级不宜低于C30；并应采用拉通的双层双向配筋、每层每一方向的配筋率不宜小于0.25%；楼板外侧可利用纵向框架或外纵墙加强；楼板开洞位置尽可能远离外侧边，在大空间部分的楼板不宜开洞。还应根据结构布置的具体情况和传递剪力的多少考虑是否应将相邻的楼层也予以加强，必要时应校核楼板的剪应力是否超过规范的允许值。,2023/6/1,20,2.框支梁,框支梁设计应符合下列要求：(1)框支梁与框支柱截面中线宜重合。(2)框支梁截面宽度bb不宜小于上层墙体厚度的2倍，且不宜小于400mm；当梁上托柱时，尚不应小于梁宽方向的柱截面边长，梁截面高度hb抗震设计时不应小于计算跨度的1/6，非抗震
12、设计时不应小于计算跨度的1/8，也可采用加腋梁。框支梁的混凝土强度等级不应低于C30。(3)框支梁截面组合的最大剪力设计值应符合下列条件：无地震作用组合时：V0.20cfcbho 有地震作用组合：V1/RE(0.15cfcbho)(4)梁纵向钢筋接头宜采用机械连接，同一截面内接头钢筋截面面积不应超过全部纵筋截面面积的50%，接头位置应避开上部墙体开洞部位、梁上托柱部位及受力较大部位。(5)梁上、下部纵筋的最小配筋率，非抗震设计时分别不应小于0.30%；抗震设计时，特一级、一级、二级分别不应小于 0.60%、0.50%、0.40%；,2023/6/1,21,(6)框支梁支座处(离柱边1.5梁截面
13、高度范围内)箍筋应加密，加密区箍筋直径不应小于10mm，间距不应大于100mm。加密区箍筋最小面积含箍率，非抗震设计时不应小于0.9ft/fyv,抗震设计时，特一、一、和二级分别不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv。框支墙门洞下方梁的箍筋也应按上述要求加密。(7)偏心受拉的框支梁，其支座上部纵筋至少应有50%沿梁全长贯通，下部纵筋应全部直通到柱内；沿梁高应配置间距不大于 200mm、直径不小于16mm的腰筋。(8)梁上、下纵向钢筋和腰筋的锚固宜符合图8.9的要求；当梁上部配置多排纵向钢筋时，其内排钢筋锚入柱内的长度可适当减小，但不应小于钢筋锚固长度la(非抗震设计
14、)或laE(抗震设计)；(9)框支梁不宜开洞，若需开洞时，洞口位置宜远离框支柱边，以减小开洞部位上下弦杆的内力值。上下弦杆应加强抗剪配筋，开洞部位应配置加强钢筋，或用型钢加强。(10)当竖向结构布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强构造配筋措施。,2023/6/1,22,图8.8 框支梁主筋和腰筋的锚固注：非抗震设计时图中laE应取为la。,2023/6/1,23,3.框支柱,1)带转换层的高层建筑结构，其框支柱承受的地震剪力标准值,框支层柱承受的地震剪力标准值应按下列规定采用：(1)每层框支柱数目不多于10根的场合，当框支层为12层时
15、，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的2%；当框支层为3层及3层以上时，每根柱所受的剪力应至少取基底剪力的3%；(2)每层框支柱的数目多于10根的场合，当框支层为12层时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的20%；当框支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之和应取基底剪力的30%。框支柱剪力调整以后，应相应调整框支柱的弯矩及柱端梁(不包括转换梁)的剪力、弯矩，框支柱轴力可不调整。,2023/6/1,24,2)框支柱设计的其他相关规定：(1)最小截面尺寸及混凝土强度等级 框支柱截面宽度bc宜和梁宽bb相等，也可比梁宽大50mm。非抗震设计时，bc不宜小于400mm，框支柱截面高度hc不宜小于
16、梁跨度的1/15；抗震设计时，bc不宜小于450mm，hc不宜小于梁跨度的1/12。柱净高与截面长边尺寸之比宜大于4。当不能满足此项要求时，宜通过加大框支楼层的层高来保证框支柱的延性。框支柱的混凝土强度等级不应低于C30。(2)框支柱截面的组合最大剪力设计值应符合下列条件：无地震作用组合时：V0.20cfcbho 有地震作用组合时：V1/RE(0.15cfcbho),2023/6/1,25,(3)轴压比限值：框支柱应比一般框架柱具有更大的延性和抗倒塌能力，所以对轴压比有更严格的要求：有地震作用组合时，框支柱轴压比按抗震等级一、二、三级宜符合0.60、0.70、0.80的要求；无地震作用组合时，
17、框支柱的轴压比限值应取0.9。(4)特一级、一级、二级框支层的柱上端和底层的柱下端截面的弯矩组合值应分别乘以增大系数1.8、1.5、1.25；框支角柱的弯矩设计值和剪力设计值应分别在上述基础上乘以增大系数1.1；(5)有地震作用组合时，特一级、一级、二级框支柱由地震作用引起的轴力应分别乘以增大系数1.8、1.5、1.25，但计算柱轴压比时不宜考虑该增大系数。(6)框支柱设计应符合下列要求：1.柱内全部纵向钢筋配筋率应符合本规程条的规定；2.抗震设计时，框支柱箍筋应采用复合螺旋箍或井字复合箍，箍筋直径不应小于10mm，箍筋间距不应大于100mm和6倍纵向钢筋直径的较小值，并应沿柱全高加密；3.抗
18、震设计时，一、二级柱加密区的配箍特征值应比高层规程表规定的数值增加0.02，且柱箍筋体积配箍率不应小于1.5%。,2023/6/1,26,4.斜腹杆桁架,采用斜腹杆桁架作转换结构时，一般宜满足下列要求：(1)斜腹杆桁架作转换结构时，一般宜跨满层设置，且其上弦节点宜布置成与上部密柱、墙肢形心对中。(2)混凝土强度等级不宜低于C30。(3)上下弦杆应计入相连楼板有效翼缘作用，按偏心受压或偏心受拉构件设计，其中轴力可按上下弦杆及相连楼板有效翼缘的轴向刚度比例分配。(4)受压斜腹杆断面一般应由其轴压比控制计算确定，以确保其延性，其限值见表8-1。,表8-1 斜腹杆桁架作转换结构的轴压比限值,2023/
19、6/1,27,受压斜腹杆轴压比=Nmax(f cbh0)(8-5)式中 Nmax斜腹杆桁架受压斜腹杆最大组合轴力设计值；fc斜腹杆桁架混凝土抗压设计强度；b受压斜腹杆截面宽度；h0受压斜腹杆截面有效高度。初步确定受压斜腹杆截面时，可取Nmax=0.8G(8-6)式中 G斜腹杆桁架上按简支状态计算分配传来的所有重力荷载作用下受压斜腹杆轴向压力设计值。,(5)上下弦杆轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板作用，楼板有效翼缘宽度为：12hi(中桁架)、6hi(边桁架)，hi为与上下弦杆相连楼板厚度。,2023/6/1,28,(6)斜腹杆桁架上下弦节点如图8.9、8.10所示，其截面应满足抗剪要求，如式(8-
20、7)和(8-8)，以保证整体桁架结构具有一定延性而不发生脆性破坏。,下弦节点,上弦节点,sin,sin,2023/6/1,29,6.箱形梁,(1)箱形梁作为转换结构时，一般宜跨满层设置，且宜沿建筑周边环通构成“箱子”，满足箱形梁刚度和构造要求。混凝土强度等级不应低于C30。(2)箱形梁抗弯刚度应计入相连层楼板作用，楼板有效翼缘宽度为：12hi(中梁)、6hi(边梁)、hi为箱形梁上下翼相连楼板厚度，不宜小于180mm。板在配筋时应考虑自身平面内的拉力和压力的影响。(3)箱形梁腹板断面厚度一般应由其剪压比控制计算确定，其限值同转换梁的剪压比限值，且不宜小于400mm。(4)箱形梁配筋按下列要求：
21、箱形梁纵向钢筋配置宜如图8.12所示。箱形梁混凝土强度等级、开洞构造要求、纵向钢筋、箍筋构造要求同框支梁。箱形梁腰筋构造要求同转换梁。箱形梁上下翼缘楼板内横向钢筋不宜小于12200双层。,2023/6/1,30,7.厚板,(1)转换厚板的厚度可由抗弯、抗冲切计算确定；转换厚板可局部做成薄板，薄板与厚板交界处可加腋；转换厚板亦可局部做成夹心板；(2)转换厚板宜按整体计算时所划分的主要交叉梁系的剪力和弯矩设计值进行截面设计并按有限元法分析结果进行配筋校核。受弯纵向钢筋可沿转换板上、下部双层双向配置，每一方向总配筋率不宜小于0.6%。转换板抗剪箍筋的体积配筋率不宜小于0.45%；为防止转换厚板的板端
22、沿厚度方向产生层状水平裂缝，宜在厚板外周边配置钢筋骨架网进行加强，且不小于16200双向。(3)转换厚板上、下部的剪力墙、柱的纵向钢筋均应在转换厚板内可靠锚固。(4)转换厚板上、下一层的楼板应适当加强，楼板厚度不宜小于150mm。(5)厚板在上部集中力和支座反力作用下应按现行钢筋混凝土结构设计规范进行抗冲切验算并配置必须的抗冲切钢筋。,2023/6/1,31,(7)受拉弦杆纵向钢筋宜对称沿周边均匀布置，且应按正常使用状态下裂缝宽度0.2mm控制。纵向钢筋至少应有50%全桁架贯通，其余跨中纵向受拉钢筋均应伸过节点区在不需要该钢筋处加受拉锚固长度后方可切断，纵向钢筋进入边节点区锚固，以过边节点中心
23、起计算锚固长度，且需末端伸至节点边向上弯15d(d为纵向钢筋直径)。(8)受拉弦杆箍筋最小面积配箍率要求为：抗震等级一级时不小于0.6%，二级时不小于0.5%，三级和非抗震设计时不小于0.4%。(9)受压弦杆纵向钢筋宜对称沿周边均匀布置，其含钢率要求为：抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1%，三级和非抗震设计时不小于0.9%，且宜全桁架贯通，纵向钢筋进入边节点区起计锚固长度，且需伸至节点边下弯l0d(d为纵向钢筋直径)。(10)受压弦杆箍筋全杆段加密，其体积配箍率要求为：抗震等级一级时不小于1.2%，二级时不小于1.0%，三级和排抗震设计时不小于0.8%。,2023/6/1,32,(1
24、1)受拉腹杆的纵向钢筋、箍筋配置的构造要求同受拉弦杆，其纵筋全部贯通，进入节点区的锚固以过节点中心起计锚固长度，且需末端伸至节点边水平弯长15d(d为纵向钢筋直径)。(12)受压腹杆的纵向钢筋、箍筋配置的构造要求同受压弦杆，其纵筋进入节点区起计锚固长度，且需末端伸至节点边水平弯长l0d(d为纵向钢筋直径)。(13)所有杆件纵向钢筋支座锚固长度均为laE(抗震设计)、la(非抗震设计)。(14)桁架节点区断面及其箍筋数量应满足截面抗剪承载力要求，且构造上要求满足节点斜面长度腹杆断面高度+50mm。节点区内箍筋体积配箍率要求同受压弦杆。,2023/6/1,33,5.空腹桁架,(1)空腹桁架作转换结
25、构时，一般宜满层设置，且其上弦节点宜布置成与上部密柱及墙肢形心对中。(2)上下弦杆轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板作用，楼板有效翼缘宽度为：12hi(中桁架)、6 hi(边桁架)，hi为与上下弦杆相连楼板厚度。(3)空腹桁架腹杆断面一般应由其剪压比控制计算确定，以避免脆性破坏，其限值同转换梁的剪压比限值，无地震作用组合时为0.20，有地震作用组合时为0.15。腹杆剪压比=Vmax/cfcbho,2023/6/1,34,(4)空腹桁架腹杆应满足强剪弱弯的要求，可按纯弯构件设计。(5)空腹桁架上下弦杆应计人相连楼板有效翼缘作用按偏心受压或偏心受拉构件设计，其中轴力可按上下弦杆及相连楼板有效翼缘的轴向
26、刚度比例分配。(6)空腹桁架上下弦节点如图8.11所示，其截面应满足抗剪要求，以保证空腹桁架结构具有一定的延性不发生脆性破坏。,图8.11 空腹桁架(a)上弦节点；(b)下弦节点,2023/6/1,35,8.2.4 转换层结构布置及设计的一般规定,1.减少转换 布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能多的布置成上下主体竖向结构连续贯通，尤其是在核心筒框架结构中，核心筒宜尽量予以上下贯通。,2.传力直接 布置转换层上下主体竖向结构时，要注意尽可能使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，更应尽量避免传力复杂、抗震不利、质量大、耗材多、不经济不合理的厚板转换。,3.强化下部、弱化上部 为保证
27、下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化转换层下部主体结构刚度，弱化转换层上部主体结构刚度，使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。,4.优化转换结构,5.计算全面准确,2023/6/1,36,8.3 带加强层的高层建筑,图8.13 加强层的作用(a)未设置加强层(b)顶部设置一道加强层(c)设置两道加强层,2023/6/1,37,在同一幢高层建筑中，沿房屋高度方向建筑功能有时会发生变化。如下部楼层用作商业、文化娱乐，需要尽可能大的室内空间，要求柱网大、墙体少；中部楼层作为办公用房，需要中等的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体；上部楼层作为宾馆、住宅等用房
28、，需要采用小柱网或布置较多的墙体，如右图所示。,2023/6/1,38,8.3.1 加强层的类型 加强层构件有三种类型：伸臂 腰桁架和帽桁架 环向构件(环梁)三者功能不同，不一定同时设置，但如果同时设置，一般在同一层。,2023/6/1,39,1.伸 臂 伸臂是指刚度很大的、连接内筒和外柱的实腹梁或桁架，通常是沿高度选择一至几层布置伸臂构件。高层建筑结构内设置伸臂的主要目的是增大外框架柱的轴力，从而增大外框架的抗倾覆力矩，增大结构抗侧刚度，减小侧移。由于伸臂本身刚度较大，又加强了结构抗侧力的刚度，有时就把设置伸臂的楼层称为加强层或刚性加强层。,2023/6/1,40,在高层建筑中都需要有避难层
29、和设备层，通常都将伸臂和避难层、设备层设置在同一层。因此，设计者布置伸臂时必须要综合考虑建筑布置和设备层布置的要求，了解伸臂设置对结构受力的影响，并明确其合理的位置，才能从结构的角度提出建议，制订出各方面都合理的综合优化布置方案。,2023/6/1,41,伸臂桁架简体结构,超高层建筑指层数在80层以上，高宽比大于8的建筑，一般为钢结构或混合结构，由于建筑形式的发展在立面上要求有更多变化的自由度，近年来发展一种内筒和外巨型柱用外伸桁架相连的体系。这种体系可将倾覆力矩产生的巨大轴力通过外伸桁架传给巨型柱。增加外伸桁架的刚度可以将更多的轴力传至巨型柱，核心筒可由竖向钢桁架组成或采用钢筋混凝土筒体，图
30、311说明各类筒体外伸桁架体系刚度的比较。,外伸桁架梁要有足够的刚度和承载力，并应考虑巨型柱轴向变形的不利影响。,2023/6/1,42,上海金茂大厦(图3l-2)建筑总高度421m，高88层，建筑面积约28万m2，采用混合结构。如图3l3所示。主要抗侧力体系包括八边形核心筒(轴线距27.43m)，51层以下筒内有460mm厚井字墙，筒体厚度为840460mm，混凝土强度为517345MPa，8根巨型SRC外柱1500X 4880910X 3530mm，混凝土强度为51.71MPa34.5MPa。筒体剪力墙在2426层、5153层、8587层处，直接与巨型组合柱用两层高的外伸钢桁架相连(图3-
31、1-4)。按照我国规范风荷载只考虑简体时，最大侧移为280cm，考虑外伸桁架与巨型柱作用时，侧移为70cm。这种包括简体、外部巨型柱及外伸桁架的超高层结构体系，充分发挥了钢材和混凝土的最大效应，避免了外部框架，提供更大的空间，给立面设计更大的自由度。采用巨型钢筋混凝土柱或型钢混凝土巨型柱.,2023/6/1,43,2023/6/1,44,天津津塔,建筑面积30万平方米。地上75层，高333m，地下4层。地上部分高宽比达7.88。（超出规范要求6较多）结构前3阶周期分别为7.60s，7.08s和5.90s，其中第三阶为扭转模态，扭平比（扭转周期与平动周期之比）为0.78。,2023/6/1,45
32、,天津津塔,采用钢框架-钢板剪力墙结构，外周钢框架由圆形钢管混凝土柱与钢梁组成，内核是由钢框架-钢板-斜撑体系形成的核心筒。沿高度设置了4道加强层（第15、30、45、60层），每道各高2层。,2023/6/1,46,建筑平面为椭圆形，长轴与短轴长度之比基本为2:1，核心筒为扁长的六边形，如左图所示。核心筒内沿结构平面短轴方向设置了九道钢板剪力墙，增加横向刚度，使结构在两个方向的平动刚度基本一致，这一点可以从结构的前两阶周期可以看出来。,为了充分发挥外框架对内筒的支撑作用，不仅沿高度设置了4道加强层，加强层处还设置了腰桁架。伸臂桁架加强层与腰桁架的工作原理可从下图得到解释。,2023/6/1,
33、47,2023/6/1,48,2023/6/1,49,2023/6/1,50,2023/6/1,51,2023/6/1,52,2023/6/1,53,当高层建筑在水平力作用下发生弯曲变形时，伸臂桁架随之转动，两与伸臂桁架相连的外框柱会提供一上一下的两个反力，阻止伸臂桁架的转动，从而减小伸臂桁架以上部分的弯曲变形。如上图中的右图所示。,由此可见，伸臂桁架的作用依赖于与之相连的外框柱的轴拉与轴压承载力，所以并非伸臂桁架越多越好。同时，由于伸臂桁架一般需要与内筒中的墙体连成一线，如图中的左图所示，所以伸臂桁架的数目往往远小于外框柱的个数，这时设置腰桁架，可以使不与伸臂桁架直接相连的那些外框柱也发挥作
34、用，提高伸臂桁架的能力。,2023/6/1,54,2.环向构件 环向构件是指沿结构周围布置一层楼(或两层楼)高的桁架，其作用如同加在结构身上的一道“箍”，将结构外圈的各竖向构件紧密联系在一起，增强了结构的整体性。随着结构高度的增高，也可设置两道或三道“箍”。环向构件多采用斜杆桁架或空腹桁架形式，它的刚度很大，可以协调周圈竖向构件的变形，减小竖向变形差，加强角柱与翼缘柱的联系，使竖向构件受力均匀。在框筒结构中，环向构件可加强深梁作用，减少剪力滞后。在框架核心筒结构中，环向桁架也能加强外圈柱子的联系，减小稀柱之间的剪力滞后，增大翼缘框架柱的轴向力。在框架一核心筒一伸臂结构中，通常伸臂只和一根柱子相
35、连接，设置环向构件后将伸臂产生的轴力分散到其他柱子，使较多的柱子共同承受轴力，使相邻框架柱轴力均匀化，因此环向桁架常常和伸臂结合使用。同时设置环向桁架还可以减小伸臂的刚度，环向桁架与伸臂结合有利于减小框架柱和内筒的内力突变。,2023/6/1,55,3.腰桁架和帽桁架,腰桁架和帽桁架是设置在内筒和外柱间的桁架或大梁，自身具备很大的刚度，可减少内筒和外柱间的竖向变形差。大量工程实践和理论研究表明，内筒和外柱的竖向应力不同，加之温度差别、徐变等因素的影响，常常导致内外构件竖向变形不同，使楼盖大梁产生变形和相应应力，如果变形引起的应力较大，会较早出现裂缝，影响结构的承载力，不利于抗震。设置刚度很大的
36、桁架或大梁，可以限制内、外竖向变形差，从而减小楼盖大梁的变形。一般在高层建筑高度较大时，就需要设置限制内、外竖向变形差的桁架或大梁，见图8.14。,竖向变形差异引起楼盖大梁内力(a)内外柱变位差引起弯矩；(b)屋顶设帽桁架,2023/6/1,56,2023/6/1,57,珠江新城西塔,地上103层，高432m预计2009年建成，2005年12月26日动工。,总建筑面积44.8万平方米。地上103层，高432m，地下4层。裙楼5层，高24m。地上部分高宽比达6.9。,2023/6/1,58,2023/6/1,59,采用筒中筒结构，外周为钢管混凝土巨形斜交网格筒体，内核为钢筋混凝土剪力墙筒体。钢-
37、混凝土组合楼盖连接内外筒。按抗震8度设防设计，风荷载设计基准期为100年。结构前3阶周期分别为7.18s，7.14s和2.62s，其中第三阶为扭转模态，扭平比（扭转周期与平动周期之比）为0.34，控制得非常理想，这主要归功于其斜交网格外筒带来的较大的抗扭刚度。抗扭刚度大也是斜柱结构的普遍特点，与竖直的柱不同，斜柱不仅可以利用其抗侧刚度为结构整体提供抗扭刚度，更可以利用其轴力的水平分量抗扭。,2023/6/1,60,2023/6/1,61,2023/6/1,62,2023/6/1,63,2023/6/1,64,建筑立面为中间大，两端小的曲线造型，这是当今超高层建筑中的常用造型。建筑下半部分为写字
38、楼，内筒为钢筋混凝土剪力墙筒体。该筒体又分为内外两层，层间又有墙片相连，刚度很大。建筑上半部分为酒店，如左图所示，从酒店大堂向上，内核形成一个透通的天井，直至建筑顶层，与金茂大厦的布局相似。这一部分的内筒退化为上图右侧所示的仅由三片墙和一些框架柱形成的柔弱筒体。下部与上部内筒之间设有转换层。外筒的钢管混凝土柱用Q345GJ钢材，管内灌注C80混凝土，钢管尺寸从底层的1800mm*50mm变化至顶层的950mm*35mm，钢管内不再配筋。受力分析显示，柱的最大轴压为120000kN，最大轴拉力为6000kN，钢管本身就足以抵抗这些轴拉力。,2023/6/1,65,8.3.2 加强层的设计原则,结
39、构形式 与转换层类似，常见的结构型式有 梁式 桁架式 空腹桁架式 箱式,2023/6/1,66,2.加强层的层数,从理论上讲，这是一个优化设计问题。由图8.3-1可见，设置加强层的确对改善结构刚度有利，但大量研究表明，加强层的层数并非越多越好，一层时减小侧移的效率最高，随着数量的增多一些，减小侧移的绝对值加大，但减小侧移的效率降低。当加强层多于三层时，其侧移减小效果已很微弱，故建议一般水平加强层的设置不超过3层。,2023/6/1,67,3.加强层的平面布置 在平面上布置加强层的刚臂应横贯建筑全宽，在内侧与芯筒联结，在外侧与外围框架柱联结。,4.加强层的竖向布置 在竖直方向，加强层设在什么位置
40、效果最好，目前设计理论还不成熟，主要是因为理论分析的简化假定与工程实际有较大差异，一般都倾向于以减小侧移为目标函数来研究其最优位置。实际应用中应针对具体建筑，建立多个接近工程实际的计算模型，做多方案的分析比较，以求得加强层实际的最优层位。,(1)当只设置一道伸臂时，最佳位置在底部固定端以上0.60H附近，H为结构总高度，即大约在结构的2/3高度处设置伸臂能较好发挥其抗侧作用。(2)设置两道伸臂的效果会优于一道伸臂，侧移会更减小；当设置两道伸臂时，如果其中一道设置在0.7H以上(也可在顶层)，则另一道设置在0.5H处，可以得到较好的效果。(3)设置多道伸臂时，会进一步减小位移，但位移减小并不与伸
41、臂数量成正比，设置伸臂多于4道时，减小侧移的效果基本稳定。当设置多道伸臂时，一般可沿高度均匀布置。且宜两个主轴方向都设置刚度较大的水平外伸构件。,2023/6/1,68,5.加强层的刚度 现有的工程分析及研究资料表明：加强层的刚度太小，达不到减小侧移之目的；但若加强层刚度过大，则会导致在加强层处抗侧刚度和质量的过大突变，对结构受力及抗震均不利，故加强层的刚度太大没有必要。建议在满足规范对侧移限值要求的前提下，加强层宜尽量选用相对较小的刚度。,2023/6/1,69,6.加强层设计的其他规定,(1)抗震要求与轴压比限值：带加强层的高层建筑结构，为避免结构在加强层附近形成薄弱层，使结构在罕遇地震作
42、用下能呈现强柱弱梁、强剪弱弯的延性机制。,表8-2 加强层及其相邻上下层框架柱轴压比限值,(2)提高加强层及其相邻上下层楼盖的整体性，混凝强度等级不宜低于C30，楼板应采用双层双向配筋，每层每方向钢筋均应拉通，且配筋率不宜小于0.35%；,2023/6/1,70,(3)加强层水平外伸构件宜设施工后浇带，待主体结构完成后再行浇灌成整体，以消除施工阶段重力荷载作用下加强层水平外伸构件、水平环带构件的应力集中影响。(4)加强层构件(外伸刚臂)与外框柱的连接可以是刚接，也可做成铰接。为刚接时，对加强层的作用不明显，计算中一般假定与外框柱为铰接。(5)柱纵向钢筋总配筋率在抗震等级为一级时不应小于1.6%
43、，二级时不应小于1.4%，三、四级及非抗震设计时不应小于1.2%。总配筋率不宜大于5%。柱箍筋应全高加密，间距不大于100mm，箍筋体积配箍率抗震等级一级时不应小于1.6%，二级时不应小于1.4%，三、四级及非抗震设计不应小于1.2%，箍筋应采用复合箍或螺旋箍。,2023/6/1,71,8.3.3 带加强层高层建筑结构的计算分析应遵循的原则,(1)带加强层高层建筑结构应按三维空间分析方法进行整体内力和位移计算，加强层水平外伸构件作为整体结构中的构件参与整体结构计算。(2)为确保计算精度，采用振型分解反应谱法时应取9个以上振型计算地震作用。(3)地震区场地地震动参数应由当地地震部门进行专门研究测
44、定，并在此基础上进行弹性和弹塑性时程分析补充计算和校核。(4)带加强层高层建筑结构重力荷载作用下必须进行较准确的施工模拟计算，并应计入非荷载效应影响。加强层构件一端连接内筒，一端连接外框柱，在外框柱由于楼层竖向荷载将产生较大的轴向变形，而在内筒墙的轴向变形则很小，在分析时如果按一次加载的图式计算，则会得到内外竖向构件产生的很大的轴向变形差，刚性外伸刚臂构件在内筒墙端部产生很大的负弯矩，使截面设计和配筋构造困难。因此，应考虑竖向荷载实际在施工过程中的分层施加情况，分析时采用按分层加载、考虑施工过程的方法计算。,2023/6/1,72,8.4 错 层 结 构,8.4.1 错层结构特点,错层结构属竖
45、向布置不规则结构，错层附近的竖向抗侧力结构受力复杂，容易形成众多应力集中部位；在地震作用下，错层结构加上扭转效应的影响，可能给建筑物造成比较严重的破坏。错层结构的楼板有时会受到较大的削弱；剪力墙结构错层后会使部分剪力墙的洞口布置不规则，形成错洞剪力墙或叠合错洞剪力墙；框架结构错层则更为不利，往往形成许多短柱与长柱混合的不规则体系。,2023/6/1,73,8.4.2 错层结构的设计规定,关于结构布置，抗震设计时，高层建筑应避免错层，多高层建筑尽可能不采用错层结构。当房屋两部分因功能不同而使楼层错开时，宜首先采用防震缝或伸缩缝分为两个独立的结构单元。,错层而又未设置伸缩缝、防震缝分开，结构各部分
46、楼层柱(墙)高度不同，形成错层结构，应视为对抗震不利的特殊建筑，在计算和构造上必须采取相应的加强措施。抗震设计时，B级高度的建筑不宜采用，9度区不应采用错层结构，8度区高度不大于60m，7度区高度不大于80m。,2023/6/1,74,关于错层柱、墙构造，规定：错层结构在错层处的构件要采取加强措施。错层处框架柱的截面宽度和高度均不得小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，抗震等级提高一级，竖向钢筋配筋率不宜小于1.5%，错层处框架柱也可采用型钢混凝土柱，箍筋体积配箍率不宜小于1.5%，箍筋全柱段加密。错层处平面外受力的剪力墙，其截面厚度，非抗震设计时不应小于200mm，抗震设计时不应小于
47、250mm，并均应设置与之垂直的墙肢或扶壁柱，抗震等级应提高一级采用。错层处剪力墙的混凝土强度等级不应低于C30。水平和竖向分布钢筋的配筋率，非抗震设计时不应小于0.3%，抗震设计时不应小于0.5%。,2023/6/1,75,关于程序计算：当必须采用错层结构时，应采用三维空间分析程序进行计算。目前三维空间分析程序TAPS、ETAPS、TBSA、TBWE、TAT、SATWE、TBSAP等均可进行错层结构的计算。错层结构的突出特点是在同一楼层平面内，部分区域有楼板，部分区域没楼板，在没有楼板的区域内，有些竖向构件可能与梁连接，也可能是越层构件。软件会自动将错层构件在楼层平面内的节点设为独立的弹性节
48、点，不受楼板计算假定限制，并能准确确定越层柱计算长度系数。而框架柱和平面外受力的剪力墙，其抗震等级的提高，则需要设计人员交互定义，程序不能自动处理。,2023/6/1,76,8.5 连 体 结 构,8.5.1 连体结构的特点,连体高层建筑是指两个或多个塔楼由设置在一定高度的连廊相连而组成的建筑物。,由于连廊的存在，连体结构在地震作用下的反应远比单塔和没连廊的多塔结构复杂，其动力特性、受力机理、动力反应均有待于进一步研究。到目前为止对连体高层建筑这种新的结构形式研究文献并不多，研究得也并不深入。从结构受力上来看，用连体连起来有利还是不连有利?连体的最优位置在何处?最适宜的连体刚度为多大?是连体结
49、构设计中急待解决的问题。,2023/6/1,77,同济大学等单位的研究表明：结构连体层的刚度、位置和形式发生变化时，结构的振型频率、形态和阶序均发生变化，其中刚度变化导致的动力特性变化存在阶跃性，一般是在刚度较低的范围(1020%)内发生，刚度达到一定值后，结构整体动力特性趋于稳定。目前，国内一般的高层建筑实际采用的整体计算分析方法，如三维杆件空间分析方法和协同工作分析方法，基本上都假定楼板在平面内刚度无限大，建筑物为线弹性结构，并可离散化为多质点系。,2023/6/1,78,8.5.2 连体结构的抗震性能,连体结构通过连体将各塔楼连成一个整体，使建筑物的工作特点由竖向悬臂梁变成巨型框架，建筑
50、物的振动特性也将相应发生变化，这种变化必将影响到建筑物的地震反应。另外，如果连体刚度较小，连体建筑在总体上将趋向于空间薄壁杆，其在地震作用下的抗扭性能将是一个必须考虑的问题。,由计算分析及同济大学等单位进行的振动台试验说明：连体结构振型较为复杂，前几个振型与单体建筑有明显不同，除同向振型外，还出现反向振型，因此要进行详细的计算分析。实验还表明：对于连体结构，无论对称与否，都存在大量的参与系数很小甚至为零的低阶振型，所以在进行振型组合时应选择足够多的振型来满足设计的精度要求。,2023/6/1,79,连体结构总体为一开口薄壁构件，扭转性能较差，扭转振型丰富，当第一扭转频率与场地卓越频率接近时，容
