高層建筑結構設計

高層建筑結構設計濰坊學院任課教師：王保輝1.1概述問題：高層建筑的定義？通常以建筑的高度和層數(shù)兩個指標來判定，但世界范圍內目前還沒有一個統(tǒng)一的劃分標準。1）國外：

（1）美國規(guī)定：高度為22~25m以上或7層以上建筑為高層建筑；

（2）英國規(guī)定：高度為24.3m以上的建筑為高層建筑；

（3）日本規(guī)定：8層以上或高度超過31m的建筑為高層建筑。2）我國：

（1）《高層民用建筑設計規(guī)范》GB50045-95和《高層民用建筑設計防火規(guī)范》

GBJ50045-2002和規(guī)定：≥10層的居住建筑（包括首層設置商業(yè)服務網(wǎng)點的住宅）或≥24m的公共建筑。

（2）《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2002）規(guī)定：≥10層或≥28m；（本課程內容的依據(jù)）

1.1概述意義1）節(jié)地，占地面積少在相同的建設場地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決城市用地緊張和地價高漲問題。9-10層的建筑比5層的節(jié)約用地23%-28%，16-17層的建筑比5層的節(jié)約用地32%-49%。在建筑面積與建設場地面積相同比值的情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化和休息場地，有利于美化環(huán)境。2）有效利用空間資源

高層建筑向高空延伸，可以縮小城市的平面規(guī)模，縮短城市道路和各種公共管線的長度，從而節(jié)省城市建設和管理的投資3）節(jié)省城市建設和管理的投資4）在設備完善的情況下，垂直交通比水平交通方便。在建筑群布局上，高低相間，點面結合，可以改善城市面貌，豐富城市藝術。經(jīng)濟的發(fā)展城市人口增多建設用地減少地價上漲建筑科技進步鋼筋及水泥的應用高層建筑發(fā)展的基本原因問題：與多層建筑相比有哪些的設計特點？1、水平荷載成為設計的決定性因素

1）豎向荷載產生軸向壓力與結構高度的一次方成正比；

2）水平荷載產生的傾覆力矩與高度的二次方成正比。1.2高層建筑結構的設計特點2、側移成為設計的控制指標

1）結構頂點的側移

ut與結構高度

H的四次方成正比；

2）結構的側移與結構的使用功能和安全有著密切的關系；過大側移會使人產生不安全感；使填充墻和主體結構出現(xiàn)裂縫或損壞，影響正常使用；因P-△效應而使結構產生的附加內力，甚至破壞。

3）必須選擇可靠的抗側力結構體系，使結構不僅具有較大的承載力，而且還應具有較大的側向剛度。3、軸向變形的影響在設計中不容忽視

1）豎向荷載產生的結構軸向變形對其內力及變形的影響;2)對預制構件的下料長度和樓面標高會產生較大的影響；Houston75層的某商業(yè)大廈，采用剪力墻和鋼柱混合體系，由于鋼柱負荷面積大，其底層鋼柱壓縮變形比墻多260mm。3）水平荷載產生的結構軸向變形對其內力及側移的影響

水平荷載作用下，使豎向結構體系一側構件產生軸向壓縮，另一側構件產生軸向拉伸，從而產生整體水平側移。

由表可知，結構層數(shù)越高，軸向變形所產生的影響越大。4、延性成為結構設計的重要指標

1）延性表示構件和結構屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能。

2）延性系數(shù)μ：用來衡量延性的大小。

3）結構的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結構延性的大小。

4）為了保證結構具有較好的抗震性能，除承載力、剛度外，還需要有較好的延性。可通過加強結構抗震概念設計，采取恰當?shù)目拐饦嬙齑胧﹣肀ＷC。5、結構材料用量顯著增加1）對于高層建筑結構，隨高度增大，材料用量增大較多。2）特別是水平荷載對材料用量影響較大。3）結構方案對材料用量影響很大，水平力作用下對結構進行優(yōu)化設計至關重要。

如筒體結構可使結構用鋼量大幅度減小，高381m的帝國大廈，采用平面框架結構體系，用鋼量為206kg/m2，采用筒體結構,高344m的約翰.漢考克大廈用鋼量僅為146kg/m2，高443m的西爾斯大廈用鋼量僅為161kg/m2。問題：按使用的材料，高層建筑結構的類型？1、砌體結構

優(yōu)點：取材容易、施工簡便、造價低廉；缺點：脆性材料，其抗拉、抗彎、抗剪強度均較低，抗震性能較差；配筋砌體可改善砌體的受力性能，但較少用于高層。

按使用的材料，高層建筑可采用砌體結構、混凝土結構、鋼結構和鋼-混凝土混合結構等類型。1.3高層建筑結構的類型2、混凝土結構

優(yōu)點：取材容易、良好耐久性和耐火性、承載能力大，剛度好、節(jié)約鋼材、降低造價、可模性好；缺點：自重大、構件截面較大、施工工序復雜、建造周期較長且受季節(jié)的影響；應用情況：我國絕大多數(shù)高層建筑都是采用混凝土結構，今后仍將是高層建筑發(fā)展的主流。

平壤市的柳京飯店第一高樓：哈利法塔，原名迪拜塔，又稱迪拜大廈或比斯迪拜塔【建筑現(xiàn)況】已完工投入使用【動土時間】2004年9月21日【封頂時間】2009年10月【使用時間】2010年1月4日【建筑高度】總高度828米（2,684英尺）【建筑層數(shù)】162層【結構形式】鋼筋混凝土結構【抗震能力】6.3級地震【建筑造價】105億（RMB）【占地面積】34.4公頃【設計單位】SOM--阿德里安·史密斯【建筑工人】1.2萬名【建筑溫差】底層-頂層：-10℃

【開發(fā)單位】伊瑪爾地產【施工單位】中國南通六建、韓國三星工程、BESIX、Arabtec3、鋼結構

優(yōu)點：材料強度高、截面小、自重輕、塑性和韌性好、制造簡便、施工周期短、抗震性能好；缺點：用鋼量大、造價高、防火性能差、剛度差；

應用情況：采用鋼結構的高層建筑不斷的增多；美國、日本等從鋼結構起步建造高層建筑的國家已轉向發(fā)展混凝土結構。

目前世界上最高的鋼結構建筑為美國芝加哥西爾斯大廈，110層、高443m。芝加哥西爾斯大廈(SearsTower)，110層，高443m，鋼結構

定義：鋼-混凝土組合結構、鋼-混凝土混合結構（1）組合結構：將鋼骨放在構件內部，外部，采用外包或內填混凝土，稱為鋼骨混凝土或鋼管混凝土。（形成組合構件）（2）混合結構：指由鋼構件、鋼筋混凝土構件或鋼骨混凝土組合構件一起組成的空間結構。（形成混合結構）

4、鋼-混凝土組合結構或混合結構

不僅具有鋼結構自重輕、截面尺寸小、施工進度快、抗震性能好等特點，同時還兼有混凝土結構剛度大、防火性能好、造價低的優(yōu)點。近年來，這種結構形式逐漸增多，而且發(fā)展前景非常好。

RC核心筒+外框型鋼混凝土柱及鋼柱，88層，高420m，7度抗震設防上海金茂大廈辦公層平面客房平面第88層平面剖面上海環(huán)球金融中心RC核心筒+外伸桁架和巨型（型鋼）柱(三重結構體系)，101層，高492m，7度抗震設防核芯筒底部剪力墻解讀環(huán)球金融中心:ShanghaiWorldFinancialCenter符號

隱喻在注意到了造型爭議后，上海方面還是與日方重新達成了修改方案的協(xié)議。根據(jù)日本開發(fā)商2005年10月18日公布的最新設計方案，圓形風洞已改為倒梯形：§2.1結構體系結構體系-是指結構抵抗外部作用的構件類型和組成方式,是建筑物的受力（傳力）（傳載）構件系統(tǒng)。主要分為：豎向結構體系和水平結構體系及基礎。水平結構體系：主要由梁、板等組成的樓板、屋蓋等，承擔豎向荷載。水平結構除承受作用于樓面或屋面的豎載外，另一個重要作用是：連接各豎向結構構件，形成一個空間整體結構。

豎向結構體系：主要由柱、剪力墻、筒體等構件組成。主要傳遞（承受）水平力。隨高度H的增加水平力越來越大，因此要給建筑物設計一個強大的抵抗水平力的結構構件系統(tǒng)，如剪力墻結構體系等?；A：承托房屋全部重量及外部作用力，并將它們傳到地基；另一方面，它又直接受到地震波的作用，并將地震作用傳到上部結構?？梢哉f，基礎是結構安全的第一道防線。基礎的形式，取決于上部結構的形式、重量、作用力以及地基土的性質。問題：高層建筑主要有幾種結構體系？

高層建筑的基本抗側力單元有框架、剪力墻、框剪、筒體等，由它們可以組成多種結構體系?？蚣芙Y構剪力墻結構筒體結構帶加強層的高層建筑結構

框架-核心筒結構

框架-剪力墻結構

2.1結構體系2.1.1框架結構體系

1、定義：房屋結構均由梁、柱構件通過節(jié)點連接而構成。橫向主梁柱縱向連系梁

注：由Ｌ形、Ｔ形、Ｚ形或十字形截面柱構成的異形柱框架結構，截面各肢的肢高肢厚比不大于4?？蚣芙Y構柱網(wǎng)布置示意一標準層結構平面圖標準層結構平面圖

3、受力變形特點：框架結構的側移一般由兩部分組成：

1）水平力引起的樓層剪力，使梁、柱構件產生彎曲變形，形成框架結構的整體剪切變形Us；

2）由水平力引起的傾覆力矩，使框架柱產生軸向變形（一側柱拉伸，另一側柱壓縮）形成框架結構的整體彎曲變形Ub；

3）當框架結構房屋的層數(shù)不多時，其側移主要表現(xiàn)為整體剪切變形，整體彎曲變形的影響很小。注：框架結構屬于柔性結構，側移主要表現(xiàn)為整體剪切變形。4、優(yōu)缺點：

1）優(yōu)點：建筑平面布置靈活，能獲得大空間（特別適用于商場、餐廳等）也可按需要隔成小房間；建筑立面容易處理；結構自重較輕；計算理論比較成熟；在一定高度范圍內造價較低。

2）缺點：側向剛度較小，水平荷載作用下側移較大，有時會影響正常使用；如果框架結構房屋的高寬比較大，則水平荷載作用下的側移也較大，而且引起的傾覆作用也較大。因此，設計時應控制房屋的高度和高寬比。（以15~20層以下為宜）2.1.2剪力墻結構體系

1、定義：房屋豎向承重結構全部由剪力墻組成。

剪力墻結構平面圖

2、受力變形特點：在豎向荷載作用下，剪力墻是受壓的薄壁柱；在水平荷載作用下，剪力墻則是下端固定、上端自由的懸臂柱。注：1）剪力墻結構屬于剛性結構，對于高寬比較大的剪力墻，側向變形呈彎曲型。

2）剪力墻結構水平承載力和側向剛度均很大，側向變形較小。

3、優(yōu)缺點：

1）優(yōu)點：剪力墻結構水平承載力和側向剛度均很大，側向變形較?。环块g墻面及天花板平整，層高較小，特別適用于住宅、賓館等建筑。（結構高度：幾十米~100多米）

2）缺點：結構自重較大；建筑平面布置局限性大，較難獲得大的建筑空間（一般剪力墻間距3~8m）。（1）布置原則A、在平面上應沿建筑物主軸方向布置――布置原則B、墻體盡量對直、拉通，否則，不能視為整體墻C、平面形狀盡量簡單、規(guī)則、對稱D、沿豎向宜全高貫通，墻厚沿豎向逐漸減薄，避免豎向剛度突變F、剪力墻宜設于建筑物兩端，樓、電梯間及平面剛度有變化處，同時，以縱橫向相互連接在一起為有利E、當建筑平面形狀任意時，受力復雜處，剪力墻應適當加密剪力墻結構的平面布置方案1、橫墻承重方案：橫墻間距即為樓板的跨度，通常剪力墻的間距為6～8M較經(jīng)濟。2、縱橫墻共同承重方案：樓板支承在進深大梁和橫向剪力墻，而大梁又擱置在縱墻上，形成縱橫墻共同承重的方案。在實際工程中以橫墻承重方案居多數(shù)。4、框支剪力墻結構：

1）框支剪力墻結構將剪力墻結構房屋的底層或底部幾層做成框架，這種結構亦稱為帶轉換層高層建筑結構。

2）破壞特點：帶轉換層高層建筑結構在其轉換層上、下層間側向剛度發(fā)生突變，形成柔性底層或底部，在地震作用下易遭破壞甚至倒塌。

3）布置原則：在底部大空間剪力墻結構中，一般應把落地剪力墻布置在兩端或中部，并將縱、橫向墻圍成筒體；另外，還應采取增大墻體厚度、提高混凝土強度等措施加大落地墻體的側向剛度，使上、下部側向剛度差別盡量小。2.1.3框架-剪力墻結構體系

1、定義：為了充分發(fā)揮框架結構平面布置靈活和剪力墻結構側向剛度大的特點，當建筑物需要有較大空間，且高度超過了框架結構的合理高度時，可采用框架和剪力墻共同工作的結構體系。

剪力墻剪力墻框架梁框架梁框架梁剪力墻剪力墻框架－主要承擔豎向荷載剪力墻－主要承擔水平力

連梁帶邊框剪力墻剪力墻框剪結構透視圖2、受力變形特點：框架-剪力墻結構體系以框架為主，并布置一定數(shù)量的剪力墻，通過水平剛度很大的樓蓋將二者聯(lián)系在一起共同抵抗水平荷載。其中剪力墻承擔大部分水平荷載，框架只承擔較小的一部分。

注：當框架與剪力墻通過樓蓋形成框架-剪力墻結構時，各層樓蓋因其巨大的水平剛度使框架與剪力墻的變形協(xié)調一致，其側向變形介于剪切型與彎曲型之間，一般屬于彎剪型。3、優(yōu)點：兼有框架和剪力墻的優(yōu)點，比框架結構的水平承載力和側向剛度都有很大提高，比剪力墻結構布置靈活，可應用于10～20層的辦公樓、教學樓、醫(yī)院和賓館等建筑中。4、框架-剪力墻結構中剪力墻的數(shù)量和布置：

1）剪力墻的數(shù)量：不宜過多，以滿足位移限值為宜。

2）剪力墻的布置：不宜過長；不宜少于3道，最好作成筒體；對稱布置；在縱橫向數(shù)量接近；應貫通全高，上下剛度連貫而均勻。某住宅結構平面布置圖2、分類：實腹筒、框筒和桁架筒。

1）實腹筒：鋼筋混凝土剪力墻圍成的筒體。

2）框筒：布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體。

3）桁架筒：將筒體的四壁做成桁架，就形成桁架筒。2.1.4筒體結構體系

1、定義：是指由一個或幾個筒體作為豎向承重結構的高層建筑結構體系筒體結構筒體結構平面圖剪力墻圍成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架圍成的框筒等。3、受力變形特點：筒體最主要的受力特點是它的空間性能，在水平荷載作用下，筒體可視為下端固定、頂端自由的懸臂構件。注：1）空間性能：按材料力學計算其應力分布特點。

2）剪力滯后現(xiàn)象：對于框筒結構，在翼緣框架中，遠離腹板框架的各柱軸力愈來愈??；在腹板框架中，遠離翼緣框架各柱軸力的遞減速度比按直線規(guī)律遞減的要快。上述現(xiàn)象稱為剪力滯后。

實際應力分布翼緣框架腹板框架腹板框架翼緣框架荷載作用方向材料力學解答實際應力分布材料力學解答角柱處應力較大中部應力較小

3）產生剪力滯后現(xiàn)象的原因：框筒中各柱之間存在剪力，剪力使聯(lián)系柱子的窗裙梁產生剪切變形，從而使柱之間的軸力傳遞減弱

4）如何減少剪力滯后：（1）要求設計密柱深梁；（2）建筑平面應接近方形；（3）結構高寬比宜大于3，高度不小于60m；（4）樓板的整體性好。4、優(yōu)點：筒體結構具有很大的側向剛度及水平承載力，并具有很好的抗扭剛度。5、應用：

1）筒中筒結構一般用實腹筒做內筒，框筒或桁架筒做外筒。內筒可集中布置電梯、樓梯、豎向管道等。框筒的側向變形以剪切變形為主，內筒一般以彎曲變形為主，二者通過樓板聯(lián)系，共同抵抗水平荷載，其協(xié)同工作原理與框架-剪力墻結構類似。中筒連梁外筒筒中筒結構

廣東國際大廈，63層，200m，鋼筋混凝土內筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成.

薄壁內筒和密柱外框筒（桁架筒）組成，抗風、抗震能力好.

2）多筒結構－束筒

束筒是由若干單筒集成一體成束狀，形成空間剛度極大的抗側力結構。自下而上逐漸減少筒體數(shù)量的處理手法，使高層建筑結構更加經(jīng)濟合理。但這些逐漸減少的筒體結構，應對稱于建筑物的平面中心。芝加哥西爾斯大廈側向力作用下柱的軸力分布結構平面與立面

3）巨型框架

利用筒體作為柱子，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨型梁相連，筒體和巨型梁即構成巨型框架。巨型框架具有很大的承載能力和側向剛度。由于它可以看作是由兩級框架組成，第一級為巨型框架，是承載的主體；第二級是位于巨型框架單元內的輔助框架（只承受豎向荷載），也起承載作用。因此，這種結構是具有兩道抗震防線的抗震結構，具有良好的抗震性能。小框架巨型梁巨型柱

上海證券交易所2.1.5框架-核心筒結構體系

1、定義：由核心筒與外圍的稀柱框架組成的高層建筑結構。

2、受力變形特點：

筒體主要承擔水平荷載，框架主要承擔豎向荷載。結構兼有框架結構與筒體結構兩者的優(yōu)，建筑平面布置靈活便于設置大房間，又具有較大的側向剛度和水平承載力，其受力和變形特點與框架-剪力墻結構類似?？蚣芎诵耐?、與筒中筒結構的區(qū)別：

1）筒中筒結構具有良好的空間性能；框架-核心筒結構按平面結構進行分析。

2）框架一核心筒結構的抗側剛度遠小于筒中筒結構。

3）筒中筒結構中抵抗剪力以實腹筒為主，抵抗傾覆力矩則以外框筒為主；框架一核心筒結構中實腹筒成為主要抗側力部分。

框架剪力墻框－剪框架－筒體框筒筒中筒(桁架)成束筒巨型框架各種體系適用層數(shù)↑1101009080706560555045403530252015105可建層數(shù)適用層數(shù)2.1.6帶轉換層結構轉換層：由于建筑使用功能的改變導致結構布置的改變，此時需要設置轉換層銜接上、下部分不同的結構。設置轉換層的必要性－功能要求建筑功能要求轉換柱距的轉換：上層小柱距－下層大柱距結構類型轉換：上層剪力墻－下層柱柱距和結構類型同時轉換轉換層的類型柱距轉換－框筒51層，178m，筒中筒體系，1－4層商用，5層以上辦公。外框筒柱距2.4m，無法設置出入口，故通過2×5.5m的大梁把柱距轉換成16.8m和12m。結構轉換－框支剪力墻地上28層，高94m。6層樓板厚度為200mm，在墻下設托梁轉換層樓板，鋼筋混凝土柱直徑1m結構轉換－框支剪力墻2.1.7房屋建筑適用的最大高度和高寬比規(guī)程中將高層建筑分為了兩級，即常規(guī)高度的高層建筑(A級)（表2-2）和超限高層建筑(B級)（表2-3），分別給出了其適用的最大高度。2.高寬比限值為了宏觀控制結構的剛度、穩(wěn)定和承載力，表2-3為各種鋼筋混凝土結構體系的適宜高度范圍。規(guī)范限制了高層建筑的最大高寬比。分別按鋼筋混凝土常規(guī)建筑(A級)和超限高層建筑(B級)、鋼結構及混合結構限制。1.最大適用高度表2-3各種鋼筋混凝土結構體系的適宜高度范圍變形縫設置伸縮縫(溫度縫)—對應晝夜溫差引起的變形；

沉降縫—對應不均勻沉降引起的變形；防震縫—對應地震可能引起的變形變形縫設置的要求

1、伸縮縫伸縮縫——根據(jù)建筑物的長度、結構類型和屋蓋剛度以及屋面有否設保溫或隔熱層來考慮

基礎不必斷開

在變形縫的兩側設雙墻或雙柱

2、沉降縫沉降縫——針對有可能造成建筑不均勻沉降的因素，例如地基土質不均勻、建筑物本身相鄰部分高差懸殊或荷載懸殊、建筑物結構形式變化大、新老建筑相鄰（或擴建項目）等

基礎必須斷開

沉降縫不設縫：需采取以下措施：

A、采用樁基，樁支承在基巖上；或采取減少沉降的有效措施并經(jīng)計算，沉降差在允許范圍內。

B、樓與裙房采用不同的基礎形式。

C、先施工主樓，后施工裙房，使兩者最終沉降量一致。

D、將裙房坐在懸挑基礎上。3、防震縫防震縫——針對地震時容易產生應力集中而引起建筑物結構斷裂，發(fā)生破壞的部位

基礎不一定斷開100mm100mm基礎：是建筑物與土壤直