1、高层建筑结构设计,台北101大楼是当今第一高楼，高508米,正在建造中的迪拜楼，高度已达688米,纽约帝国大厦，高381米,吉隆坡双子塔楼高452米,上海金茂大厦，高420米,绪言,一、多、高层的定义及高层建筑的结构类型1、定义高层民用建筑设计防火规范GB50045-95规定十层及十层以上的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）；建筑高度超过24m的公共建筑高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2002为10层及10层以上或高度超过28m的混凝土结构高层民用建筑2、类型钢筋砼和钢结构两类。钢结构自重轻、强度高、抗震性能好、施工方便等特点。钢筋砼造价低、材料来源丰富，便于作成各种形状,结构刚
2、度大,耐火性能好.缺点自重大。,图1-1,二、高层建筑的发展1885年出现第一幢高层建筑-芝加哥家庭保险大楼，框架结构，10层55M。到1989年，全世界10幢超过300M的高层建筑中，美国有9幢。英、法两国高层建筑占城市建筑的40%左右。据国外有关资料介绍，9-10层的建筑比5层的节约占地2328%，1617层的建筑比5层的节约用地3249%。由于高层建筑的受力和变形状态十分复杂，因此其设计与施工需要考虑的因素很多，涉及许多学科和部门，而且随着层数和高度的逐渐增加，它的建筑难度也越来越大。高层建筑的高度竞争，实际,是整个建筑科学技术和人才的竞争，它不仅反应一个国家科学技术水平，而且也反应一个
3、国家精神文明、物质文明和经济发展程度和水平。与此同时，高层建筑的高度竞争，必将不断推动和促进整个建筑科学、建筑材料和设备的发展，改变传统的设计概念、计算理论和施工方法，从而使现代高层建筑日臻完善，适应世界城市化的发展，满足人们的需求。现在，高层建筑的发展已成为历史的必然和时代的潮流。,图1-2,世界超高层建筑排名一、佩重纳斯大厦(1、2号大厦)，高度452米，位于吉隆坡；二、西尔斯大厦，高度443米，位于芝加哥；三、金茂大厦，高度420米，位于上海；四、世界贸易中心大厦(1、2号大厦)，高度417米，位于纽约；(在9.11恐怖分子袭击事件中倒塌)五、帝国大厦，高度381米，位于纽约；六、中环广
4、场大厦，高度374米，位于香港；七、中国银行大厦，高度369米，位于香港；八、TC大厦，高度374米，位于高雄；九、阿摩珂大厦，高度346米，位于芝加哥；十、约翰汉考克大厦，高度344米，位于芝加哥。,国内高层的特点1、层数增多，高度加大。2、结构体系日益多样化。悬挑结构、巨型框架结构。3、平面布置与竖向体型更加复杂。常用不对称、曲线型平面(城市规划、建筑功能的要求，计算机的广泛应用)。在竖向布置上，一方面竖向体型趋于多变，阶梯形内收、上部楼层外挑,突出的建筑物增多；另一方面，高低不等的组合体型更广泛地得到应用。4、向多功能、综合性发展上层布置旅馆、公寓；中间是中、小空间办公楼；下层大空间的商
5、店、银行、娱乐等公共设施；地下部分为商业街、地下铁道车站。5、高强轻质材料的应用C60砼、高强钢管砼、陶粒砼、火山渣砼。6、钢结构高层兴建,三、高层出现的原因1、十八世纪末的产业革命带来了生产力发展与经济繁荣。大工业兴起使人口集中到城市中来，以致造成用地紧张，地价高涨，城市范围逐步扩大仍感局促，为了在较小的土地范围内建造更多的建筑面积，建筑物不得不向高空发展，这是发展高层建筑最根本的原因。2、可以缩短道路以及各项管线设施的长度，从而节约大量城建的总投资，经济上具有优越性。3、增加人们的聚集密度，缩短互相联系的距离，把横向水平交通与竖向交通相结合，使人们在地面,上的分布方式空间化，节约了时间，增
6、加了效率。4、在同样的建筑面积与基地面积比值下，高层建筑能提供更多的地面自由空间，作为绿化休息场所或公共服务设施之用，有利于美化城市环境。5、近几十年来，科学技术的飞跃使高层建筑的实现具备了必要条件，提供了多种轻质高强建筑材料，新型结构方式，与水暖、电梯、空调、供电、自控等现代设施、先进的施工技术及机械设备，特别计算机应用于设计中。,四、本课程的教学目的和任务 主要介绍高层结构的三大常规结构体系的概念设计和相应的分析与设计方法。应达到如下基本要求1、掌握三大体系的合理使用范围和相应的结构体系布置原则；2、能够掌握对高层结构设计的一般规定，包括基本假定，抗风设计、抗震设计原则及相应荷载(及作用)
7、的计算方法；3、掌握三大结构体系的受力特点和性能，并能熟练地借助于相应表格的手算分析方法进行三大常规结构体系的设计。五、学习方法,第一章 结构体系及布置,高层建筑的受力特点,内力及位移,当建筑物高度增加时，水平荷载对结构的作用将愈来愈大。结构内力明显加大，结构侧移增加更快。当建筑物高度增加时，水平荷载对结构的作用将愈来愈大。结构内力明显加大，结构侧移增加更快。多、高层建筑结构要抵抗水平力和竖向力。在高层建筑中，结构要使用更多的材料来抵抗水平力,抗侧力成为高层建筑结构设计的主要问题。多层建筑可采用砖石和钢筋砼建造。高层建筑可采用钢筋砼和钢建造。,第一节 结构体系及典型布置,一、框架结构体系(适用
8、公共建筑)当采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载时，称其为框架结构体系。此种结构体系优点是建筑平面布置灵活，可作成需要较大空间的建筑，加隔墙后，也可作成小房间。建筑立面易于处理，构件便于标准化。,缺点是框架结构的侧向刚度较小，水平位移大。因此，框架结构适用于多层及高度不大的高层建筑，一般高度不宜超过60M。根据使用要求和建筑布置确定的柱网和层高来布置梁和柱。在高层建筑中，梁柱必须作成刚接，梁柱布置要整齐、规则。,图1-3,图1-4,二、剪力墙结构体系(适用于公寓、住宅、旅馆)利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构，称为剪力墙结构体系。此种结构体系优点是整体性好
9、，刚度大，在水平力作用下侧向变形小，承载力要求也易于满足。缺点是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求，结构自重较大。适用于1050层的高层建筑。把墙的底层作成框架柱时，称为框支剪力墙。在地震区不允许单独采用此结构。,图1-5,为了满足地震区住宅建筑需要底层商店或旅馆中底层需设置大的公用房间的要求，可作成部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的底层大空间剪力墙结构。在底层大空间剪力墙结构中，一般把落地剪力墙布置在两端或中部，并使纵向、横向墙围成筒体，在底层还要采取加大墙厚，提高混凝土强度等级等措施加大底层墙的刚度，使整个结构上下刚度差别减小。上部则应采用开间较大的剪力墙布置方案。框
10、支剪力墙承受的剪力大部分要通过楼板传到落地剪力墙上，落地剪力墙之间的距离要加以(限制墙距离与楼板宽度之比不超过3，抗震设计时不超过225)，同时还要加强过渡层楼板的整体性和刚性，应采用厚度较大的现浇钢筋砼板。,图1-6,图1-7,图1-8,三、框架剪力墙及框架筒体结构体系(适用于公共建筑)在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，取长补短，共同抵抗水平荷载，就组成了框架剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架筒体结构体系。框剪结构的优点是既可以使平面布置灵活、获得较大空间，又能抵抗一定的侧力。筒体的承载力、侧向刚度和抗扭强度都较单片剪力墙大大提高。在建筑布置上，常利用
11、筒体作电梯间、楼梯间和竖向管道的通道。,框-剪(框筒)结构平面布置要注意下面两个方面问题1、剪力墙数量剪力墙太多，不仅会增加建筑布置的困难，而且在地震作用下，刚度大则侧向力也大，通常以保证结构侧向变形不超过规范规定的限制值为宜。2、剪力墙的布置及间距,图1-9,图1-1112,图1-10,A、剪力墙布置应与建筑使用要求相结合，根据建筑物高度和刚度要求，可采用单片形、L、半开口形、I形或筒形。B、在非地震区,纵横两个方向剪力墙数量可以不同。在地震区，纵横方向上布置的剪力墙数量要尽量接近。C、剪力墙布置要对称，以减少结构的扭转效应。D、在两片剪力墙间布置框架时，楼盖必须有足够的平面刚度。E、剪力墙
12、靠近结构外围布置，可以加强结构的抗扭作用。F、剪力墙应贯通全高,使结构上下刚度连贯而均匀.,四、筒中筒结构体系筒体的基本形式有三种实腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墙围成的筒体称为实腹筒。由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体，称为框筒。若筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成，成为桁架筒。筒中筒结构是上述筒体单元的组合，通常由实腹筒作内部核心筒，框筒或桁架筒作外筒，两个筒共同抵抗水平力作用。,筒体最主要的特点是它的空间受力性能，在水平力作用下可看成固定于基础上的箱型悬臂构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧移刚度和承载力，并具有很好的抗扭刚度。此种结构体系的布置原则是尽可能减少剪力滞
13、后，充分发挥材料的作用。1、要求设计密柱深梁。2、建筑平面以接近方形为好，长宽比不应大于2。3、建筑物高宽比不宜小于3，充分发挥空间作用。4、选择合适的楼板体系，降低楼板高度，尽可能避免角柱受拉。5、在底层，需要减少柱子数量，加大柱距，以便设置出入.口。在稀柱与密柱层间设置转换层。,图1-1314,五、多筒体系成束筒及巨型框架结构当采用多个筒体共同抵抗侧向力时，形成多筒结构，多筒结构可以有两种方式1、成束筒，将多个筒体合并在一起形成。2、巨型框架，利用筒体作为柱子，在各筒体间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即形成巨型框架。,图1-15,图1-16,图1-1718,第二节 高层建筑结构体系的选
14、择,首先考虑建筑物的高度和建筑物的用途。一、抗侧力结构体系的选择不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适用的高度也不同。另一个因素是建筑物的用途。高层建筑物按用途分成三大类住宅、旅馆及公共性建筑(办公、商业、科研、教学、医院等)。,住宅建筑一般采用剪力墙结构。因为住宅本身需要很多墙体，采用剪力墙体系可减少非承重墙，较好地解决墙体材料的问题。由于剪力墙住宅室内无外露梁柱，便于室内布置，用户比较欢迎。50M高度以下的旅馆建筑可采用剪力墙或框剪结构，两者各有优缺点。剪力墙结构适于客房层，但底层往往要取消部分剪力墙代之以框架形成大空间，以便布置门厅、餐厅、会议室等大房间。框剪结构底层布置
15、灵活，但客房露出梁柱，建筑上难以处理。至于50M以上的旅馆建筑，则还可以采用筒体结构，此外中央筒布置楼电梯间和服务性房间，周边布置客房。,公共性建筑50M以下多采用框剪结构以满足不同用途，大小房间划分的要求。50M以上的公共性建筑常用筒体结构以形成较大的无阻挡房间，可以灵活划分使用，并可满足通讯、电力、广播建筑对大面积房间的要求。,二、楼面体系的选择1、平板体系平板体系采用单向板或双向板，常用于剪力墙结构或筒体结构。其优点是板底平整，可以不加吊顶，结构高度低，可以压低层高。2、无梁楼盖最好带现浇柱帽以加强板柱连接的可靠性。在场地受限制、施工不便时可采用升板法施工。1、2普通楼面6M以内，预应力
16、砼楼面可达9M。跨度不超过12M。,3、密肋楼盖多用在跨度较大而梁高受限制的情况下，筒体结构角区楼面也常用。跨度一般不超过9M，预应力跨度不超过12M。,第三节 结构总体布置及变形缝,一、控制结构高宽比HB（56以下）概念设计一些难以作出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用概念进行分析，作出判断，以便采取相应措施。这些概念和经验要贯穿在方案确定及结构布置的过程中，也要体现在计算简图或计算结果的处理中，还应对确定薄弱部位、加强构造配筋等起作用。概念设计带有经验性，涉及的内容及方面十分丰富，事实证明它是有效的方法。倾覆力矩随高宽比增大而增大。,二、结构平面形状一般建筑物分为板式和塔式两大类。板式是指房屋宽度较小，但长度较大的建筑；塔式则是指平面的长度和宽度相接近的建筑。应尽量设计成规则、对称而简单的平面形状，尽量减少复杂受力和扭转受力。三、在地震区，尽可能采用对抗震有利的结构布置形式1、选择有利于抗震的结构平面平面布置简单、规则、对称是有利的，更主要的是刚度均匀对称。,图1-19,2、选择有利于抗震的竖向布置竖向布置注意刚度均匀而连续，尽量避免刚度突变或结构不连续。四
