高层建筑结构概述

高层建筑结构设计山东大学土建学院薛云冱第一章高层建筑结构概述高层建筑以其恢弘的气势、特殊的视觉效果，成为了其所在城市、地区甚至所在国家的标志性建筑。高层建筑是工程技术的纪念碑，是材料工程、电器工程、系统工程和城市集约化发展的必然产物。迪拜——哈利法塔BurjKhalifa高度828米，169层，总投资15亿美元。2004.09.21开工2010.01.04建成目前世界第一高楼台北国际金融中心天线顶高度509m（屋顶449.2m），101层(地下5层)，2004年建成。电梯61部。建筑总投资18亿美元。Taipei,101上海环球金融中心天线顶高度494.4m（屋顶487.4m），101层，2008年建成。电梯91部。建筑总投资¥81.7亿元。ShanghaiWorldFinancialCenter環球貿易廣場屋顶高度484m，118层，2010年建成。电梯83部。建筑总投资额约200亿元。InternationalCommerceCentre吉隆坡石油大厦PetronasTowers,KualaLumpurMalaysia天线顶高度451.9m（屋顶378.6m），88层钢—砼结构。1998年建成，位于马来西亚首都吉隆坡。总建筑面积395,000平方米，共有电梯78部。41层空中廊桥（SkyBridge）南京紫峰大厦天线顶高度450m（屋顶381m），89层（地下3层）。2010年建成。总投资40亿。GreenlandSquareZifengTower西尔斯大厦天线顶高527.3m,屋顶高442.3m,110层，1974年建成。钢结构，位于芝加哥市。总建筑面积为416,000平方米，电梯104部。SearsTower,Chicago西尔斯大楼（SearsTower）冠名权到2009年7月16日截止。之后更名为“威利斯大厦”（WillisTower）。京基100建筑高度441.8m，100层（地下3层）。2011年建成。总投资50亿。深圳市目前最高建筑。KingKey100上海金茂大厦高度420.5m，88层，钢—砼结构。1998年建成。总建筑面积为289,500平方米，电梯130部，总造价5.4亿美元。JinMaoTower,Shanghai.WorldTradeCenter110floors,417mNewYork,1973~2001香港国际金融中心2003年建成。高415m，地上88层。建筑面积185,805平米，电梯62部。TwoInternationalFinanceCentre,HongKong.纽约帝国大厦1931年建成，高381m，102层，钢结构。其建筑面积为208,879平方米，电梯73部。EmpireStateBuilding,NewYork.约翰汉考克中心，高度344m(天线顶高457m)，100层，钢结构。1970年建成，位于芝加哥。总建筑面积260，126平方米，电梯50部，总造价0.95亿美元。JohnHancockCenter,Chicago.位于沙特阿拉伯的首都利雅得,高度302m，地上41层，地下2层，钢—砼结构，2002年建成。总建筑面积185，000平方米，电梯22部。KingdomCentre,Riyadh,SaudiArabia.以色列目前最高建筑，高244m，地上68层，地下6层，钢筋混凝土结构。2001年建成。位于拉马特甘。总建筑面积为96000平方米，电梯18部。造价1.25亿美元。RamatGan,Israel.高层建筑和都市住宅委员会CTBUH（CouncilonTallBuildingsandUrbanHabitat）规定：①高层建筑：至少建筑的一半高度由楼层构成；②高层建筑高度：CTBUH在1997年7月10日宣布了四种高楼评定标准：a、结构体或建筑顶部高度b、最高使用楼层高度c、屋顶高度d、天线高度广州塔塔身主体450米(塔顶观光平台最高处454米)，天线桅杆150米，总高度600米美国北达科塔州（StateofNorthDakota）KVLY电视塔(KVLY-TVmast)高度628.8m，1963年建成。该塔完成一段时间后，联邦航空管理局以塔的高度（628.8米）作为日后人造建构物高度的限制。所以，在美国境内的建筑物高度一般不超过628.8米。世界高楼榜§1-1高层建筑的特点1）、高层建筑具有标志性、多功能综合性、节约土地和市政建设投资、设备利用率高、社会效益好等优点。2）、高层建筑体型庞大、容纳大量人员，有着局部交通压力大、垃圾多、能耗集中、噪音、热辐射等缺点。另外高层建筑的防火、疏散等难度也较大。1、直观的特点香港九龙寨城2、受力特点——水平荷载成为主要因素△=（H）（H）（H）内力或位移随结构高度增加，在水平力作用下，侧向位移增加最快，其次是弯矩和轴力。可见，在高层建筑设计中，水平荷载（作用）是主要荷载，结构高度和抵抗侧移是设计的主要矛盾。高层建筑不仅需要较大的承载能力，更需要较大的刚度。使结构的侧向变形限制在一定范围内。这是因为：①过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用。这主要是对风荷载而言，至于偶尔发生地震时，人的舒适感是次要的。②过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修开裂或损坏，也会使电梯轨道变形，影响使用。③过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。限制侧向变形也就是限制结构裂缝宽度及破坏程度。④过大的侧向变形会使结构产生附加内力（P－∆效应），甚至会引起倒塌。3、侧移的控制4、轴向变形不容忽视•对连续梁弯矩的影响未考虑柱的压缩变形考虑各柱差异压缩后的变形•对构件剪力和侧移的影响§1-2高层建筑的界定究竟多高的建筑算作高层建筑，世界各国的划分标准并不完全一致。1、美国：22—25m以上、7层以上的建筑称为高层建筑。2、英国：24.3m(80feet)以上的建筑定为高层建筑。３、法国：超过50m的住宅或28m以上的其它建筑为高层建筑。4、德国：建筑高度超过22m（自底层室内地面算起）为高层建筑。5、比利时：25m(自室外地面算起)以上的建筑为高层建筑。６、日本：5—15层建筑为高层建筑，超过15层的建筑为超高层建筑。7、前苏联：10层及10层以上的住宅或7层以上的其他建筑为高层建筑。◆除日本以外，其他各国均把100m以上的建筑定为超高层建筑。1972年的国际高层建筑会议,给出了如下标准,得到了大多数国家的赞同:①多层建筑≤8层③超高层建筑＞40层高度＞100m第一类9～16层高度≤50m②高层建筑第二类17～25层高度≤75m第三类25～40层高度≤100m8、国际标准①我国《民用建筑设计通则》（GB50352—2005）3．1．2民用建筑按地上层数或高度分类划分应符合下列规定：1、住宅建筑按层数分类：一至三层为低层住宅，四至六层为多层住宅，七至九层为中高层住宅，十及十层以上为高层住宅；②我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第2.1.1条：10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。9、我国关于高层建筑的规定:2、除住宅之外的民用建筑，高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)；3、建筑高度大于1OOm的民用建筑为超高层建筑。高层建筑的发展历史大致可分为以下三个阶段:◆古代史——1640年以前◆近代史——1640～1885◆现代史——1885以后§1-3高层建筑的发展历史一、古代高层建筑史（1640年以前）在人类历史的早期，人们为了表示对神灵、集权或祖先的崇拜，建造了许多体型庞大的土木工程。所以早期的高层建筑，往往是寺庙或陵墓类建筑，一般不是人类居住或生活使用建筑。如：埃及的胡夫大金字塔、意大利比萨斜塔、河南省登封嵩山嵩岳寺塔、河北省定县料敌塔、山西省应县佛宫寺释迦塔等。埃及的胡夫大金字塔，BC2686～2181年，高146.5m，边长232m，230万块巨石砌成。意大利比萨斜塔，AC1174～1350年，8层，塔高54.5m。河南省登封嵩山嵩岳寺塔，为砖筑密檐式，建于北魏正光四年（523）。塔外壁直径约10.4米左右，十七层，总高约40米。中国现存最早的佛塔河北省定县料敌塔，建于北宋咸平四年（1011），又称定县开元寺塔。塔砖砌楼阁式，八角十一层，内部双层套筒，梯级设于塔心，高达84米。中国现存最高佛塔山西省应县佛宫寺释迦塔，是现存唯一一座木结构楼阁式塔，又称应县木塔。建于辽清宁二年（1056）。塔平面八角，外观五层，，结构实际上是九层。全塔高67.3米。古代高层建筑多为砖石材料建造，墙体（或柱子）承重。由于材料强度低，制约了建筑的高度和跨度（开间、进深）的大小，因而使建筑的使用功能受到了限制。但是，许多高层建筑历经多次地震和自然界的风雨侵蚀，至今仍基本保存完好。这反应了当时建筑设计和施工工艺的高超和结构的合理性。为高层建筑的进一步发展奠定了很好的基础。二、近代高层建筑史（1640～1885）1640年以后，随着资产阶级革命的胜利，生产力得到了极大的发展。1782年，詹姆士‧瓦特发明了蒸气机，带来了工业革命。铸铁构件——1786年——巴黎法兰西剧院，首次采用了铸铁屋顶。新材料、新技术、新的结构形式在建筑方面不断得到应用：工字形断面构件——1801年，在英国曼彻斯特建造的萨尔福特棉纺厂。锻铁梁——1840年，这种材料容许建造更高、跨度更大的建筑。升降机——1845年，威廉‧汤姆逊研制出液压驱动的升降机。钢筋混凝土建筑——1850年，巴黎圣日内维夫图书馆的拱顶。电梯——1853年，美国纽约的工程师—奥蒂斯（ElishaGravesOtis）发明了安全电梯。这一时期，真正的高层建筑不多，且没有保存下来。但是，正是这期间在材料、工艺、设备等方面的发展，为现代高层建筑的诞生和发展奠定了基础。三、现代高层建筑史（1885～现在）1885年，在美国芝加哥市，建成了12层、55m高的家庭保险大楼。该幢建筑被称为第一座现代意义的高层建筑。因此，人们把芝加哥称为现代高层建筑的发源地。HomeInsuranceBuilding现代高层建筑的标志房屋的支撑结构和维护结构分离，不再用墙体承重。尤其是第一次世界大战（1914～1918）使美国经济空前繁荣，世界经济中心从欧洲转移到美国。高层建筑如雨后春笋般在美国各大城市矗立起来。高层设计理论进一步完善，剪力墙结构开始应用。技术水平已经不是限制高层建筑发展的因素。1908年，47层、187m的SingerBuilding纽约建成。1930年，77层的ChryslerBuilding建成，高度突破300m，达到了319m。1931年，102层381m的纽约帝国大厦EmpireStateBuilding建成，将这一时期的高层建筑推向顶峰。纽约帝国大厦作为世界第一高楼，享誉42年之久。以纽约市为例，仅1930、1931年建成的高层建筑就有119座，其中高度在100m以上的超高层建筑就有52座。上世纪60年代初，美国著名结构工程师法齐勒‧坎恩（FazlurR.Khan），提出了密柱深梁的框筒结构及其设计方法。在框筒基础上，他又进一步提出了筒中筒、桁架筒、成束筒等结构形式。并成功完成了JohnHancockCenter和SearsTower的结构设计。后者作为世界最高建筑，享誉达24年之久。高层建筑材料由过去单一的钢结构，转变成了钢结构、钢筋混凝土结构、钢—混凝土组合等多种材料的结构形式。1998年，88层452m的PetronasTower在马来西亚的首都吉隆坡建成。取代SearsTower成为了新的世界第一高楼。1999年，中国台北国际金融中心（101大厦）破土动工,2004年建成。地下5层、地上101层，高度509m，首次将建筑高度推进到500m以上。2001年9月11日（911事件），纽约世贸大楼被撞塌，造成了巨大的生命和财产损失。但是，高层建筑的发展也暴露了诸多问题：①首先是安全：地震、火灾等等；②巨大的能源消耗：建造、使用、维修等；③影响周围生态环境：交通负担加重、热岛效应、将强风引至地面、遮挡