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吴徽北京建筑工程学院2010.10参考书目：1.方鄂华钱稼茹叶烈平编著《高层建筑结构设计》中国建筑工业出版社，20032.包世华张铜生《高层建筑结构设计和计算》，清华大学出版社，20043.林同炎著，方鄂华等译《结构概念和体系》，中国建筑工业出版社4.《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）,中国建筑工业出版社,20025.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），(2008版)，中国建筑工业出版社，2008第1章高层建筑结构概述1.高层建筑结构的特点多层和高层建筑结构的区别是层数和高度，一般多层建筑是指10层以下的建筑。但是实际上，多层和高层建筑结构没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本是相同的。但是在高层建筑中，由于水平荷载较大，因此抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的主要问题。本课程所讲解的基本方法对多层和高层结构都是适用的。图1.1是结构内力（N和M）、位移（Δ）与高度的关系，除轴向力N与高度成正比外，弯矩M与位移Δ都呈指数曲线上升，随着高度增加，水平荷载将成为控制结构设计的主要因素。特别是在地震区，高层建筑结构设计及施工技术要求更为复杂。因此，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视。图1.2表示侧向力与结构所需材料的关系（按钢结构每平方米所需的钢材用量统计），随着层数加大，水平力作用下结构设计是否合理、优化，材料用量将有很大差别。1.2国内外高层建筑的历史和现状中国的塔是古代多层和高层建筑的典型代表，与埃及金字塔相比，中国古代的塔在建筑形式和结构上已有了相当高的水平。中国古塔大都采用木与砖结构，一些古塔经受住了上千年风吹雨打，甚至经受了强烈地震而保留至今，可见其结构合理、工艺精良。现代高层建筑是随着社会生产的发展和人类活动的需要而发展的，是商业化、工业化和城市化的结果。现代高层建筑不仅要满足各种使用功能，而且要求节省材料，又要美观。随着科学技术的进步，轻质高强材料的出现，机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛运用，为多层及高层建筑的发展提供了物质基础和技术条件。现代高层建筑的出现是在19世纪，1884～1885年美国芝加哥建成了11层的家庭保险大楼（HomeInsuranceBuilding），是用铸铁和钢建造的框架结构，开创了现代高层建筑结构的技术途径。1931年，在纽约建成了著名的帝国大厦（EmpireStateBui1ding），102层，381m高，成为当时的奇迹，它享有“世界最高建筑”之美誉达40年之久。图1.3美国芝加哥家庭保险大楼（HomeInsuranceBuilding）图1.4美国帝国大厦（EmpireStateBui1ding）1960年以后，建筑材料和技术的不断发展，开始进入大量建造50层以上高层建筑的时代，美国相继建成了110层、402m高的世界贸易中心双塔（WorldTradeCenterTwinTowers，1972年建成，在2001年9·11事件中被毁）和110层、443m高的西尔斯大厦（SearsTower，1973年建成）。图1.5美国世界贸易中心双塔图1.6美国世界贸易中心在熊熊大火之中图1.7美国西尔斯大厦（SearsTower）图1.8哈利法塔与世界高塔对比图近年来，亚太地区经济迅速发展，台北市国际金融中心（101大厦）是世界第二高建筑，101层、508m高，见图1.8。阿拉伯联合大公国的迪拜塔为世界第一高楼，高达160层，828米。1998年，在马来西亚吉隆坡建成目前世界第四高建筑——石油双塔（PetronasTwinTowers），88层、452m高。上海最近落成的国际金融中心地上101层、地下三层，高达492.5m。正在筹建中的上海中心大厦，为127层，高632米。图1.9上海浦东超高层建筑群图1.8台北市国际金融中心(101大厦)我国的现代高层建筑起步较晚，在20世纪50及60年代陆续建成了一些高层建筑，20世纪70年代才开始大批建造高层建筑。我国各阶段具有代表性的高层建筑是：1959年最高建筑是12层、高47.4m的北京民族饭店；1968年最高建筑是27层、88m高的广州宾馆。图1.10北京民族饭店图1.11广州宾馆1974年建成的北京饭店东楼，19层、87.15m高，是当时北京最高建筑。图1.12北京饭店东楼1976年广州建成的白云宾馆，33层、高114.05m高，此后9年保持为我国的最高建筑。图1.13广州白云宾馆1985年深圳建成国际贸易中心大厦，50层、158.65m。当时我国最高建筑。图1.14深圳国际贸易大厦1987年，超前高度的广州国际大厦（200m、63层）和北京京广中心（208m、57层）相继建成。图1.15广州国际大厦图1.16京广中心20世纪80年代末期及90年代，我国高层建筑进入了高速发展的时代。1996年深圳建成81层、高325m的地王大厦（图1.17）。图1.17深圳地王大厦上海金茂大厦1998年建成，88层，高420m，结构型式为框架-筒体，结构材料为钢-钢筋混凝土。是我国当时的最高建筑。图1.18上海金茂大厦图1.19北京已建成最高层建筑-银泰大厦（249.9米）图1.20正在建设中的国贸三期（74层，330米）和财富二期（264米）图1.21支撑高层建筑发展的科学研究-600-400-2000200400600-60-40-200204060Displacement(mm)Force(KN)压拉1.3现代高层建筑结构的发展现代高层建筑主要着重于使用功能，同时又要充分表现其美学功能。高层建筑往往成为现代城市标志性建筑。在20世纪，高层建筑发展集中在发达国家，例如纽约、芝加哥都有成片的高层建筑群，世界最高建筑在美国。20世纪的末期，东南亚经济腾飞，高层建筑迅速发展，东京、吉隆坡、新加坡以及我国的上海、深圳、北京、广州的高层建筑都发展很快。高层建筑的发展首先是经济发展的必然结果，是以现代技术发展为前提，是建筑与美学形式的高度结合。发展至今，高层建筑的功能和形式非常多，建筑高度也不断增大。例如，将功能各异的商业、办公、旅馆、公寓及娱乐功能集中于一幢建筑中。图1.20正在建设中的国贸三期高层建筑结构的材料主要是钢筋混凝土和钢。除了全部采用钢材的钢结构和全部采用钢筋混凝土材料的钢筋混凝土结构外，同时采用两种材料做成的混合结构在近年得到愈来愈广泛的应用。钢材强度高，韧性大，易于加工，钢结构具有构件断面小、自重轻、抗震性能好等优点。钢结构构件可在工厂加工，缩短现场施工工期。但是高层钢结构用钢量大，造价高，防火性能不好，需要用昂贵的防火涂料。钢筋混凝土结构造价较低，且材料来源丰富，并现浇筑成各种复杂断面形状，节省钢材，承载力也不低，经过合理设计也可获得较好的抗震性能。其缺点是构件断面大，占据室内空间并减少使用面积，自重大，从而使基础用材更多，导致基础造价增高，抗震性能不如钢结构。过去，在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。在发展中国家，大都采用钢筋混凝土材料建造高层建筑。近年来，由于钢筋混凝土结构具有的优点，发达国家的钢筋混凝土建筑日益增多，美国和日本都建成了一些钢筋混凝土30～40层的高层建筑。实际上，采用两种材料做成混合结构，或者组合结构，只要注意其特点并经过合理设计，会得到安全而经济的结果，成为近年来发展研究的热点。混合结构是部分采用钢构件（例如钢柱、钢梁），部分采用钢筋混凝土构件（例如钢筋混凝土剪力墙），或者部分采用组合构件的结构。组合构件是指将钢材及钢筋混凝土材料结合在同一个构件中，例如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱、组合梁、组合板等。吉隆坡石油双塔，由于高度大，要求更大的结构刚度，以避免风振引起的加速度造成人体不舒适，经过仔细研究，采用了钢筋混凝土、钢构件和组合构件结合做成的混合结构。在我国，高层建筑中仍以钢筋混凝土结构为主，但是由于我国的钢产量已有相当数量，要求逐步推广钢结构。我国钢结构设计、钢构件加工及安装技术都已成熟，钢骨混凝土、钢管混凝土构件的研究和应用也正在蓬勃发展，混合结构应用已有相当多数量。高层建筑的抗侧力体系是高层建筑结构是否合理、安全而经济的关键，由最初的基本结构体系是框架、剪力墙、框架剪力墙结构，以后又发展了框架－筒体体系、框筒体系、筒中筒体系、巨型框架体系、空间桁架结构体系等等。今后新的结构体系还会出现。我国为多地震国家，地震烈度为6度及6度以上的地震区占全国面积的60%，位于6、7、8、9度抗震设防区域内的高层建筑必须进行抗震设计。我国国家标准又按建筑使用功能的重要性分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。甲类建筑是重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑；乙类建筑是在地震发生时使用功能不能中断的建筑，如医院、通信枢纽等；丁类建筑属于抗震次要建筑；除甲、乙、丁类以外的建筑都是丙类建筑。大部分高层建筑属于丙类，但属于乙类的也为数不少，结构抗震设计成为高层建筑结构设计的重要内容。本课程将介绍结构体系、结构荷载及地震作用、结构设计、构造要求等，重点讲解高层建筑结构的抗震设计方法。构件设计则以钢筋混凝土结构为主，对高层钢结构及混合结构只做简单介绍。