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1、1,5 竖向分体系的初步设计6 延性结构与延性构件的设计概念7 高层建筑基础设计的内在潜力,高层建筑概念设计,2,5.1 引言,5 竖向分体系的初步设计,3,竖向承重单体与水平抗侧力结构单元包括：框架（普通，巨型）、剪力墙（筒体）、支撑；从传递竖向和水平荷载来讲，高层建筑的竖向分体系主要有（框架结构、剪力墙结构、筒体结构、框-剪、框-筒等）；水平分体系可通过抗弯，抗剪来承受和传递竖向荷载，同时又通过横隔板作用，将水平荷载传给竖向分体系；,竖向分体系,4,水平分体系通过与竖向分体系及其构件有机地连接，形成共同作用的结构总体系；,要求在方案设计和初步设计阶段综合考虑竖向分体系和水平分体系的最佳搭配
2、组合。只有这样才能充分两者各自的最大潜力，并经济、有效地共同工作；,5,在方案和初步设计阶段，设计人员必须通过概念近似计算来初步确定该结构分体系及其构件的尺寸大小，并验证设计的可行性。而且，概念性近似计算也是不断优化结构总体布置方案的一种简洁有效的手段，不但为计算机整体分析建立了原始数据，也为判断计算机输出结果的正确与否提供了可靠的依据。同时也是设计人员不断充实自身设计经验、概念和提高判断能力的一个必不可少的过程；,竖向分体系,6,竖向分体系,7,5.2 剪力墙结构,剪力墙可分为钢筋混凝土实心墙和桁架式剪力墙（或称框支撑框架）。剪力墙可以有效地抵抗墙体平面内的水平荷载，但对于抵抗垂直于墙面的水
3、平荷载是极其微弱的（平面内刚度大，平面外刚度小）；在建筑物中，剪力墙宜在两个正交方向都各自对称居中布置，这样不但对抵抗水平力和抗扭有利，而且对减小温度、徐变和收缩的影响也有较好的效应；剪力墙的变形：弯曲型为主同时也包含剪切型成份；,竖向分体系,8,建筑物中各片墙所承担的剪力，在墙的高度比小于或等于23时（按抗侧刚度D更合理），水平荷载可按各墙截面面积 的比例来进行分配；对于高宽比等于或大于45的剪力墙时，则需要按各墙截面惯性矩 的比例来进行分配（抗等效抗弯刚度更合理）；,竖向分体系,9,整体墙近似计算方法,当墙上无洞口或开洞较小时，可按整体墙计算。整体墙是悬臂墙，为静定结构，内力及位移按材料力
4、学方法即可计算。如有小洞口，截面惯性矩取有洞口截面与无洞口截面惯性矩的加权平均值，整体墙刚度取，截面折算惯性矩 及折算面积 计算公式为：,竖向分体系,10,竖向分体系,11,5.3 筒体结构,井筒结构常用来作为竖向交通运输和服务设施的通道，同时也是结构总体系中抗侧力的主要构件。从整体来讲，筒体是一种三维结构，在各个方向都有比较大的刚度和承载力；筒中筒在超高层建筑中是一种比较常用的结构设计方案，其结构设计概念是，外筒的截面宽大，可以非常有效地抵抗倾覆力矩；与外筒相比内筒相当细长，其抵抗倾覆力矩并不是很有效；,竖向分体系,12,在初步设计设计阶段当筒体侧面的孔洞面积小于30%时，对其自身的刚度和强
5、度影响不大，但在初步设计时可以忽略；当筒体的孔洞面积大于50%60%时，特别是将筒体作为外墙时，其结构受力性能更接近框筒（密柱框梁），其自身的强度和刚度都会有相对较大的降低，此时，即使是初步设计也不得不考虑孔洞的影响；,竖向分体系,13,当筒体的高宽比小于3时，主要表现为刚性抗剪筒体，抗弯不会成为这种矮筒的控制因素；当筒体的高宽比为36时，剪力将不起主要控制作用，而由抗弯来决定其设计；高宽比大于或等于7，则属于柔性筒，必须通过水平分体系和其他抗侧力构件连成整体，共同作用；,竖向分体系,14,筒体属三维结构，各向刚度和承载力较二维结构大；在初步设计时仍需要注意对于框筒结构，当其作为一个竖向悬臂结
6、构侧向弯曲变形时，框架的局部弯曲会在柱间形成剪力滞后现象；,竖向分体系,15,竖向分体系,16,竖向分体系,17,竖向分体系,18,5.4 框架结构,既能抵抗竖向荷载又能抵抗水平荷载的框架体系是建筑物设计中用得最早，也是最广泛的一种典型的结构模式。与剪力墙体系相比，框架结构更便于在建筑物的内墙和外墙上开大面积的孔洞，以充分满足建筑空间功能的要求。框架的整体刚度往往不如剪力墙结构，但与剪力墙相比，框架具有更大的延性。特别是钢框架高层建筑的延性耗能能力要比钢筋混凝土框架大，相应的地震震害要少；,竖向分体系,19,竖向分体系,20,竖向分体系,21,合理设计的框架延性好，变形能力及耗能能力强；延性框
7、架设计要点：强柱弱梁；强剪弱弯；强核芯区、强锚固；局部加强；限制柱轴压比，加强柱箍筋对混凝土的约束；,竖向分体系,22,5.4.1 钢梁-混凝土柱组合框架结构,在上个世纪80年代初，美国率先在传统的钢筋混凝土框架结构、钢结构及后续发展的钢骨混凝土（SRC）复合式框架结构的基础上，成功地开发研制了一种充分利用和发挥钢构件和钢筋混凝土构件各自在抗弯或抗压强度、刚度、延性及建筑功能适用性方面优势的新型组合式框架结构体系，即由钢筋混凝土柱和钢梁组成的RCS组合框架结构 体系（Composite RCS Moment Frames System），并已成功地应用在中、高层建筑中。,竖向分体系,23,同期
8、日本的RCS组合框架结构稍晚于美国，主要是因为受当时日本AIJ（Architectural Institute of Japan）钢骨规范（SRC Standard）条文的阻碍。,竖向分体系,24,例如，AIJ对SRC柱的钢骨截面抗弯强度作了如下的强制性规定（1975年）（1987年）其中 为A节点SRC柱的钢骨抗弯强度，为A节点SRC梁的钢骨抗弯强度。,竖向分体系,25,对于钢筋混凝土柱与钢梁组合节点来讲，其，则该条文严格地禁止了RCS组合框架结构的应用。一直到20世纪80年代末，日本学者和AIJ逐渐认识到RCS组合框架结构的优越性，且已研制开发出若干能满足钢梁和钢筋混凝土柱之间复杂内力传递
9、的梁柱节点构造，这才使RCS组合框架结构在日本得以重视和发展；,竖向分体系,26,1.不同的设计思想、节点构造和施工方法,美国RCS组合框架结构被视为传统的中、高层建筑钢结构的一种延伸。（混凝土部分取代钢柱）优点：对承受大轴压力来讲，钢筋混凝土柱要比钢柱相对经济得多，并能增加结构的整体刚度，减小侧向位移；免除了梁柱节点的现场焊接工作量；缩短了施工工期等；,竖向分体系,27,日本RCS组合框架结构作为低层建筑钢筋混凝土框架结构的一种变新。（钢梁取代混凝土梁）优点：节省了楼盖混凝土的模板及其支撑；可加大梁的跨度来增加可使用的功能空间；采用现场预制或工厂预制构件能达到加快施工进度和降低施工成本等；除
10、上述优点外，相对钢框架结构来说还能降低防火覆盖的成本，减小结构总高度，减轻楼盖自重从而降低地震作用，以及增加结构的承载能力及延性功能等有利之处；,竖向分体系,28,梁柱节点构造处理：不同的设计思想，梁、柱节点处理措施不同。,美国梁贯通（Through Beam）式梁柱节点处增设补强构件：面承板（Face Bearing Plate or FBP）或剪力钉；,竖向分体系,29,日本柱贯通（Through Column）式（钢梁不应整体连续穿过柱）钢梁只是连接在钢筋混凝土节点区域的周边柱面钢板（Cover Plate）上。,梁、柱节点的处理,竖向分体系,30,日本AIJ，RCS组合结构分会1994
11、年的“RCS组合结构接点设计准则”将上述梁柱节点构造的专利技术归类为以下几类柱面钢板型（Cover Plate Type）面承板型（Face Bearing Plate Type）露头式面承板型（Extended Face Bearing Plate Type）钢箍板型（Steel Band Type）内镶或外露横隔板型（Inner or Outer Diaphragm Type）承压钢柱型（Bearing Steel Column Type）局部钢骨混凝土梁型（Partial SRC Beam Type）等十二种；如下图所示：,竖向分体系,31,竖向分体系,32,竖向分体系,33,竖向分体系
12、,34,竖向分体系,35,竖向分体系,36,施工方法,美国工程界所采用的施工方法有点类似于钢结构，特点是采用一种小截面的型钢作为架立钢柱（Steel Erection Column）。从概念设计来分析，该架立钢柱截面很小，又居于钢筋混凝土柱的截面中央，故其对钢筋混凝土柱的抗弯强度和侧向刚度的贡献小到可以忽略不记。但从承受轴压力的角度来分析，它能起到钢筋混凝土柱的芯筋作用，对提高RC柱核心区混凝土极限压应变能力，延缓核心区混凝土压酥，提高延性功能是有一定帮助的。,竖向分体系,37,日本工程界的施工方法大体分为两种：一种是现场预制法；另一种是工厂预制法。,竖向分体系,38,2.RCS组合框架的抗震
13、性能,研究RCS组合框架抗震性能需重点掌握的几点：不同破坏模式对RCS组合框架抗震性能的影响；不同的节点构造、混凝土强度等级及柱轴向荷载RCS组合节点的弹塑性滞回特征的影响；RCS组合框架结构抗震设计时的最佳延性节点破坏式的选择等；,竖向分体系,39,RCS组合试件的基本破坏模式,试验表明，基本破坏模式分下述几种：节点外梁塑性铰（Beam hinging）破坏；梁柱节点破坏（joint failure）（两种）；梁-节点混合破坏（Beam-Joint failure）；柱破坏（Column failure）；,竖向分体系,40,其中梁柱节点破坏又可分为节点区域的剪切破坏（Joint Panel
14、 shear failure）及节点混凝土承压破坏（Joint bearing failure）模式;,竖向分体系,41,5种破坏模式在反复荷载作用下的力-位移关系滞回曲线,竖向分体系,42,图中，为延性比（Ductility Ratio），其中 为在梁端量测所得的位移，是根据ATC-24准则提出的方法用力-位移关系曲线计算所得的屈服位移，即弹性极限变形；滞回曲线：丰满，所包面积大则耗能强，延性好；否则应避免；,竖向分体系,43,3.抗震设计的破坏控制模式,由于节点外（或柱面外）梁塑性铰破坏模式的滞回线最丰满，具有极高的延性和耗能能力，且震后修复简便，成本低，故势必成为RCS组合框架结构设计首
15、选的延性节点破坏模式；,竖向分体系,抗震设计延性节点破坏模式的选择,44,节点区域剪切破坏或梁塑性铰和节点剪切混合破坏模式也具有很高的延性和耗能能力，但由于受传统钢筋混凝土框架结构设计中严格禁止节点剪切破坏的习惯影响，在RCS组合框架设计中很少将节点剪切破坏作为延性节点破坏模式。柱和节点承压破坏不允许作为抗震设计的破坏控制模式；,45,5.5 抗侧力构件的变形近似计算,在方案设计和初步阶段，由结构项目工程师来估算该建筑物的侧向变形大小是一个十分重要的环节。其必要性有两方面的原因：规范要求限制建筑物的水平位移，如楼层层间最大位移与层高之比的限值等。如果建筑物在侧向荷载作用下有很大的变形，在摇晃和
16、振 动下可能会引起损坏，其中还包括 效应；,竖向分体系,46,墙、筒和框架的总位移都可以通过近似计算来取得。在每种情况中，都认为房屋的侧向变形来源于两部分：一部分是由倾覆力矩（所形成的轴力）产生的，而另一部分是水平和垂直剪力（所引起的局部弯曲）产生的；,竖向分体系,47,侧移太大可能引起结构失稳破坏或不满足规范稳定性验算要求；高层结构侧移产生的主要原因：水平荷载（竖向荷载的不均，不均匀沉降等）水平荷载层剪力抗侧力构件承担的剪力（一 般按抗侧刚度分配）,竖向分体系,48,将建筑物中抗侧力构件的侧向变形特性归纳成5种情况,情况1：矮实心墙（）的剪切变形多于弯曲变形（如下图）；（弯曲变形较小）,竖向
17、分体系,49,情况2：高实心墙或筒主要是弯曲变形（如下图）；（剪切变形较小）,竖向分体系,50,情况3：高墙开许多门洞或窗洞后，就成为由连梁连接的两个细长墙肢。由连梁变形形成的偏移常常比墙本身的变形形成的偏移大。作为近似计算，可只计算由连梁变形引起的偏移（如下图）；（连梁弯曲，剪切变形，墙肢弯曲与剪切变形）,竖向分体系,51,情况4：规则刚架的变形是由柱弯曲和梁弯曲引起的剪切变形（如下图）；（柱轴向变形引起的弯曲型变形较小）,竖向分体系,52,情况5：桁架的变形主要由杆件的伸长或缩短造成的（如下图）；,竖向分体系,53,在这5种情况中，墙、筒和框架的总位移都可以通过近似计算来取得。在每种情况中
18、，都认为房屋的侧向变形来源于两部分：一部分是由倾覆力矩（所形成的轴力）产生的，而另一部分是水平和垂直剪力（所引起的局部弯曲）产生的；,竖向分体系,54,侧向变形的两个主要来源是水平剪力产生的柱子弯曲和垂直剪力产生的梁弯曲。通常建筑物在40层以下或40层左右时，由柱子缩短或伸长（倾覆力矩产生）引起的悬臂变形是次要的；桁架式墙（或称支撑框架构件）的刚度不取决于杆件连接节点的转动刚度，因为每一根杆件的应力都比较均匀，而且受力充分，在提供刚度方面比框架更有效。,竖向分体系,55,情况15中的计算公式对设计来讲是很有用的。但这些公式都是经过很大程度的简化，所以主要是用来获取不同抗侧力结构（或构件）之间的相对刚度比较概念，并大致估算建筑物的变形。,竖向分体系,
