多层与高层建筑结构

同济大学电子音像出版社工程结构第八章多层与高层普通高等教育“十一五”国家级规划教材第八章多层与高层同济大学出版社本章介绍钢筋混凝土多层及高层房屋的结构体系，以及框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构的受力特点、计算方法及构造要求。通过学习，了解钢筋混凝土多层及高层房屋的常用结构体系的特点及适用高度。本章提要第八章多层与高层同济大学出版社10层及10层以上或高度大于28m的房屋称为高层建筑，否则为多层建筑。高层建筑是随着社会生产力、人们生活的需要发展起来的，是商品化、工业化、城市化的结果。但是当建筑物高度增加时，水平力（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快。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。特别是在地震区，地震作用对高层建筑的威胁也比低层建筑要大，抗震设计应受到加倍重视。第八章多层与高层同济大学出版社下图是结构内力（N，M）、位移（Δ）与高度的关系，弯矩和位移都随高度呈指数曲线上升。结构内力、位移与高度的关系第八章多层与高层同济大学出版社本章内容第一节多层与高层房屋的结构体系第二节多层框架结构的布置及形式第三节框架结构的侧移与内力计算第四节框架的内力组合第五节框架结构的构造要求第八章多层与高层同济大学出版社多层及高层钢筋混凝土房屋的常用结构体系可分为四种类型：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构和筒体结构，各有不同的适用高度和优缺点。高层与多层的界限：1.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称《高规》）10层及10层以上或大于28m的房屋为高层建筑；（High-risebuilding）2.2-9层且高度不大于28米的建筑则为多层建筑。（Multistorybuilding）第一节多层与高层房屋结构体系第八章多层与高层同济大学出版社世界十大高层：第一（台北101大楼）被称为“台北新地标”的101大楼于1998年1月动工，主体工程于2003年10月完工。有世界最大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最高速的电梯，从一楼到89楼，只要39秒的时间。在世界高楼协会颁发的证书里，台北101大楼拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”（508m）“最高使用楼层”(438m)和“最高屋顶高度”(448m)。第八章多层与高层同济大学出版社世界十大高层：第二（国家石油公司双塔大楼）国家石油公司双塔大楼位于吉隆坡市中心美芝律，高88层，是当今世界名冠的超级建筑。巍峨壮观，气势雄壮，是马来西亚的骄傲。它曾以451.9米的高度打破了美国芝加哥希尔斯大楼保持了22年的最高记录。这个工程于1993年12月27日动工，1996年2月13日正式封顶，1997年建成使用。登上双塔大楼，整个吉隆坡市秀丽风光尽收眼底，夜间城内万灯齐放，景色尤为壮美。第八章多层与高层同济大学出版社世界十大高层：第三（西尔斯大厦）西尔斯大厦是位于美国伊利诺州芝加哥的一幢摩天大楼，楼高442m，共地上108层，由建筑师密斯·凡德勒所设计。美国伊利诺伊州的芝加哥市堪称摩天大楼的发源地。它是为西尔斯--娄巴克公司建造的，于1973年竣工。西尔斯大厦由9座塔楼组成。它们的钢结构框架焊接在一起，这样也助于减少因其高度所造成的在风中摇动。所有的塔楼宽度相同，但高度不一。大厦外面的黑色环带巧妙地遮盖了服务性设施区。西尔斯大厦有110层，一度是世界上最高的办公楼。每天约的1.65万人到这里上班。在第103层有一个供观光者俯瞰全市用的观望台。它距地面412m，天气晴朗时可以看到美国的4个州。第八章多层与高层同济大学出版社世界十大高层：第四（上海金茂大厦）金茂大厦具有中国传统风格的超高层建筑，是上海迈向21世纪的标志性建筑之一，由美国SOM设计事务所主设计。1998年8月建成。占地236万平方米，建筑面积28.95万平方米。高420.5m，88层。金茂大厦主楼1～52层为办公用房，53～87层为五星级宾馆，88层为观光层。大厦充分体现了中国传统的文化与现代高新科技相融合的特点，既是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。第八章多层与高层同济大学出版社世界十大高层：第五（香港国际金融中心大厦）第六（中信广场大厦）第七（信兴广场大厦）第八（帝国大厦）第九（中环广场大厦）第十（中银大厦）位于香港中环的国际金融中心一期1998年竣工，高39层，180米，自建成后便吸引了不少国际金融机构进驻。国金二期2003年落成，高420米，共88层，为香港最高建筑物。被称为“惊世之作”的香港国际金融中心二期外形设计概念是以一个向外地的朋友“招手”的手势，向海外朋友表示“欢迎您”的意思。天河中信广场是广州继63层广东国际大厦（查看地图）为当年全国最高建筑之后，又一次夺得90年代的全国之冠，楼高达391米，80层，迄今为止仍是广东省之最。作为中国最高的建筑之一，中信广场有68部电梯上上下下，保利物业负责人称，整个中信是“立起来的街道”。信兴广场地王大厦由68层的商业大楼、32层的商务公寓、5层的购物中心及2层地下停车场组成，楼高384米，占地18734平方米，总建筑面积27万平方米，总投资40亿港币。1993年香港中环广场大厦建成，高374米，78层，是香港目前最高的摩天大楼。也同样跻身于世界最高建筑物前10名之列。大厦看起来是三角形造型，其实并不是真三角形因为它的尖角均被切去。原因有二：首先是为了能有更多便于使用的室内面积；而更重要的是避免以其税利尖角冲向邻居而得罪他们。这样做不仅是不礼貌的更重要的是有碍风水。大厦顶部以金字塔形状的坡顶以及立于其上的桅杆作收束，晚间日光照耀下闪闪发光。立面以三种不同颜色的隔热玻璃围护。金色、银色涂层的玻璃构成垂直和水平图案而形别涂饰的花玻璃穿插其间，形成典雅而又闪烁发光的形象。1981年4月30日，矗立在美国纽约市中心高1250英尺、共102层的帝国大厦度过了50个春秋。30年代，美国经济处于大萧条时期，人民生活更加困苦，而华尔街的老板们却热衷于修建摩天大楼的竞赛。百万富翁拉斯科布为了显示自己的富有，决意修建一座世界最高的楼房。他找来著名的建筑师威廉·拉姆，问楼房能盖多高？拉姆沉思片刻后回答说：“1050英尺。”拉斯科布对这个高度很不满意，因为这仅仅比当时纽约新建成的克莱斯勒大厦高4英尺。于是，建筑师设法增加了一节200英尺高的圆塔，使帝国大厦的高度为1250英尺。这座摩天大楼只用了410天就建成，也可算是建筑史上的奇迹。在很长一段时间里，帝国大厦一直是世界最高的楼房。香港中国银行大厦，由贝聿铭建筑师事务所设计，1990年完工。总建筑面积12.9万平方米，地上70层，总高369m。结构采用4角12层高的巨形钢柱支撑，室内无一根柱子。仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成4组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至1973年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。第八章多层与高层同济大学出版社8.1.1框架结构体系由梁、柱构件通过结点连接组成的结构称为框架，框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。第八章多层与高层同济大学出版社8.1.2剪力墙结构体系将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构，这种体系为剪力墙结构体系。剪力墙的间距受到楼板跨度的限制，一般为3～8m，因而剪力墙结构适用于具有小房间的住宅、旅馆等建筑，此时可省去大量砌筑填充墙的工序及材料，如果采用滑升模板及大模板等先进的施工方法，施工速度很快。第八章多层与高层同济大学出版社现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体截面积大，承载力要求也比较容易满足。剪力墙的抗震性能也较好。剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，结构自重较大。为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度，剪力墙的间距要尽可能做大些，一般6m左右为宜。第八章多层与高层同济大学出版社第八章多层与高层同济大学出版社8.1.3框架－剪力墙体系框架结构侧向刚度差，抵抗水平荷载能力较低，地震作用下变形大，但它具有平面灵活、有较大空间、立面处理易于变化等优点。而剪力墙结构则相反，抗侧力刚度、强度大，但限制了使用空间。把两者结合起来，取长补短，在框架中设置一些剪力墙，就成了框架－剪力墙(简称框－剪)体系。第八章多层与高层同济大学出版社在这种体系中，剪力墙常常担负大部分水平荷载，结构总体刚度加大，侧移减小。同时，通过框架和剪力墙协同工作，通过变形协调，使各种变形趋于均匀，改善了纯框架或纯剪力墙结构中上部和下部层间变形相差较大的缺点，因而在地震作用下可减少非结构构件的破坏。从框架本身看，上下各层柱的受力也比纯框架柱的受力均匀，因此柱子断面尺寸和配筋都可比较均匀框-剪体系的适用高度为15～25层，一般不宜超过30层。第八章多层与高层同济大学出版社第八章多层与高层同济大学出版社8.1.4筒体体系由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，其受力与一个固定于基础上的筒形悬臂构件相似。根据开孔的多少，筒体有空腹筒和实腹筒之分。空腹筒一般由电梯井、楼梯间、管道井等形成，开孔少，因其常位于房屋中部，故又称核心筒。空腹筒又称框筒，由布置在房屋四周的密排立柱和截面、高度很大的横梁组成。这些横梁称为窗裙梁，梁高一般为0.6～1.22m。第八章多层与高层同济大学出版社由核心筒、框筒等基本单元组成的承重结构体系称为筒体体系。根据房屋高度及其所受水平力的不同，筒体体系可以布置成束筒结构和多重筒结构等形式。筒中筒结构通常用框筒作为外筒，实腹筒作为内筒。第八章多层与高层同济大学出版社深圳发展中心大厦第八章多层与高层同济大学出版社成束筒第八章多层与高层同济大学出版社主框架次框架3次框架2次框架1巨形框架结构第八章多层与高层同济大学出版社多层框架结构的布置框架结构体系是指若干平面框架之间通过连系梁或等代梁加以连成整体的一种空间结构。框架结构布置包括柱网布置和框架梁布置。（一）主要承重框架沿房屋横向布置第二节多层框架结构的布置及形式第八章多层与高层同济大学出版社这种布置方案的优点是：(1)框架外柱宽度可收小，能满足建筑立面要求；(2)外墙不承重，其自重由连系梁传给横向承重框架柱，故对纵向墙沿开窗限制建筑上的室内采光的要求；(3)由于一般进深大于开间，采取横向承重框架时，楼板沿纵向（即开间方向）布置，跨度可以相对小些，楼板结构比较经济合理。如采用装配式预制楼板时，则运输和吊装也较为方便。目前，一般工业与民用建筑多采用这种横向承重框架的布置方案。（二）主要承重框架沿房屋纵向布置第八章多层与高层同济大学出版社（二）主要承重框架沿房屋纵横向布置承重框架沿房屋纵向与横向同时布置，可以有利于满足来自两个不同方向的抗风和抗震要求。虽然有时楼板仅沿一个方向布置或者采用双向楼板，但是纵横两个方向的框架均具有足够的强度和刚度。第八章多层与高层同济大学出版社多层框架结构的形式框架的形式按施工方式，框架结构可分为现浇框架、预制框架和现浇预制框架三种类型。（1）现浇框架（又称整体式框架）（2）预制框架（又称装配式框架）（3）现浇预制框架（又称装配整体式框架）现浇预制框架一般有三种做法：（1）预制长柱迭合梁；（2）预制短柱迭合梁；（3）现浇柱迭合梁。第八章多层与高层同济大学出版社框架的形式第1种做法，因柱子较长，柱内纵向钢筋配置往往主要由起吊因素控制，且吊装柱子时又需要重型履带式起重机，在有条件时才采用。第2种和第3种做法，主要优点是吊装方便，柱子不需设牛腿，室内整齐，且节点构造简单，用钢量和焊接工作量少，故常用于轻工业厂房和民用建筑中。纵向剪力墙第八章多层与高层同济大学出版社框架的形式此外，在框架中还有部分刚接节点，部分为铰接节点的混合