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1高层建筑结构设计主讲人：谢孝副教授后勤工程学院建筑工程系结构教研室CHAPTERTwo2019/8/92CHAPTERTwo高层建筑结构受力特点和结构概念设计2.1高层建筑的特点2.2高层建筑的结构形式2.3高层建筑的结构体系2.4高层建筑结构体系的选择2.5结构总体布置2.6缝的设置和基础2019/8/932.1高层建筑的特点1、水平荷载成为决定因素说明：(1)、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的轴力与H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考虑竖向地震作用外），水平荷载（风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。M△均布荷载倒三角荷载22qH48qHEI2max3qH4max11120qHEI轴力N=f(H)弯矩M=f(H2)变形（侧移）△＝f(H4)公式水平荷载2019/8/942、竖向构件的轴向变形不容忽视(1)、对连续梁弯矩的影响中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差异(2)、对预制构件下料长度影响美国休斯顿75层汉克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合体系。根据计算，中心钢柱由于受荷面积大，重力荷载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多260mm，总下料多260mm，并且要逐层调整高层建筑的特点2019/8/952、竖向构件的轴向变形不容忽视(3)、对构件剪力和侧移的影响一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，在高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不考虑结果相差30％以上，结构顶点侧移减小一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大）高层建筑的特点2019/8/963、侧移成为主要控制指标之一结构侧移已经成为高层结构设计中的关键，侧移△＝f(H4)要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作用下产生的侧移..《高规》P304.6.3条规定限值（钢筋混凝土结构）层间位移楼层层间最大位移与层高之比的限值△U/h：结构类型△U/h限值框架1/550框架—剪力墙、框架—核心筒、板柱—剪力墙1/800筒中筒1/1000框支层1/1000高层建筑的特点2019/8/97说明：过大的侧移使人有一种不安全感、不舒适感过大的侧移会使隔墙、围护结构以及装修损坏，使电梯轨道变形高楼重心位置较高，过大侧移使结构因P－△效应而产生较大的附加应力，甚至导致恶性循环直至倒塌。高层建筑的特点2019/8/98高层建筑的特点4、结构延性是重要设计指标与较低层建筑相比，高层建筑较柔，地震作用下变形较大，为使结构在进入塑性变形阶段后仍然具有较强的变形能力，避免倒塌，需要在构件上采取恰当的措施，保证结构具有足够的延性5、构件的基本形式线形构件－具有较大的长细比的细长构件梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆线性构件是组成框架体系、框－撑体系、框墙体系或板柱体系的基本构件2019/8/99高层建筑的特点平面构件－具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构件楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，结构分析中常常忽略面构件是组成全墙体系、框－墙体系、框托墙体系和叠和体系的基本构件立体结构－由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸和较小壁厚的整体筒状构件框筒－梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、抗扭刚度立体构件是框筒体系、筒中筒体系、筒体体系、框筒束体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体系中的基本构件2019/8/9102.2高层建筑的结构形式结构方案选择：在满足建筑使用要求的前提下，选择结构形式、结构体系和结构布置1、砖石结构•缺点：自重大，强度低，抗震性能差，施工难以机械化，工人劳动强度高，工期长和结构面积大，难以用于高层房屋，国内目前砖石结构房屋只建到19层左右•新型砌体结构—配筋砌体10曾以上采用，北京（八度区）拟建30层2、钢筋混凝土结构•优点：结构强度较高，抗震性能较好，并具有良好的可塑性•缺点：自重大2019/8/911高层建筑的结构形式3、钢结构•钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够满足建筑上对大跨度、大空间的要求•抗震性能优于钢筋混凝土结构：混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，延性也差，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力迅速降低，钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，钢结构因良好的延性，不仅能够减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力•减轻结构自重，降低基础工程造价：两类结构的结构自重的比例为2：1，荷载减小，基础处理的难度和基础工程的造价均下降•减少建筑中结构所占的面积•施工周期短：工厂制作，现场安装，无须大量脚手架，压型钢板可以作为混凝土楼板的永久模板，可节约20%~30%的施工时间2019/8/912高层建筑的结构形式4、组合结构•综合钢框架与钢筋混凝土筒体，具有二者的优点•侧向刚度大于钢结构•结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间•施工速度比钢筋混凝土结构加快•结构面积小于钢筋混凝土结构•发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用结构形式选择的基本要求•经济性（必要时考虑综合经济效果）•技术条件（包括设计技术、施工技术等等）•材料供应情况•受力特点2019/8/9132.3高层建筑的结构体系现代高层建筑结构体系分类框架体系（含板柱体系）框架－剪力墙体系（含框架－筒体体系）剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系2019/8/914高层建筑的结构体系结构抵抗外部作用的构件组成方式1、框架结构（由杆件—梁、柱组成）图特点：结构布置灵活，较大的室内空间，使用方便•分类：（按照施工方法）现浇框架装配整体式框架装配式框架2019/8/915高层建筑的结构体系抗侧刚度：梁柱，但梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，限制使用高度•缺点：抗震性能差，刚度较低，地震中填充墙损坏严重，修复费用高•适用范围：非抗震地区和层数较少的建筑，15～20层以下较适宜框架结构2019/8/916高层建筑的结构体系框架结构2019/8/917高层建筑的结构体系2019/8/918高层建筑的结构体系框架结构受力变形特点192019/8/920高层建筑的结构体系2、剪力墙结构（纵横方向的墙体组成抗侧力体系）21剪力墙结构的平面形式2019/8/922高层建筑的结构体系剪力墙结构特点：结构刚度很大，空间整体性好，水平荷载作用下侧向变形小，用钢量较省，抗震性能好，剪力墙的间距取决于楼板跨度3～8m，适于小开间建筑，例如住宅、旅馆建筑，房间不外露梁柱棱角，整体美观，可以适用于较高的高层建筑•缺点：自重大，基础处理要求较高，不利于布置大开间房间，不能满足公共建筑的使用要求。2019/8/923高层建筑的结构体系解决方法：底部大空间剪力墙结构（框支剪力墙）————底部若干层部分剪力墙取消•刚度差异（限制落地剪力墙的比例和剪力墙之间的间距）•转换层（板式转换和梁式转换）24252019/8/926高层建筑的结构体系3、框架—剪力墙（筒体）结构2019/8/927高层建筑的结构体系3、框架—剪力墙（筒体）结构282019/8/929高层建筑的结构体系3、框架—剪力墙（筒体）结构特点：剪力墙（核心筒）承担大部分水平力(80％～90％)，是主要的抗侧力构件，框架承担竖向荷载，提供较大的空间，既具有框架结构布置灵活、方便使用的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，适用于公共建筑和旅馆建筑2019/8/930高层建筑的结构体系3、框架—剪力墙（筒体）结构2019/8/931高层建筑的结构体系（1）剪力墙数量•以满足位移限制为依据设置剪力墙数量（2）剪力墙的布置及间距•宜分散不宜集中•满足建筑使用要求和结构刚度的要求•纵横向剪力墙布置均应满足要求•布置应均匀、对称、周边，使刚度中心和质量中心尽量接近，避免扭转效应•剪力墙的间距不宜过大，保证楼盖刚度足够•剪力墙应贯通全高，结构上下刚度连贯均匀2019/8/932高层建筑的结构体系框架－筒体结构：利用剪力墙筒体作电梯、楼梯和竖向管道，便于采用钢筋混凝土内筒和钢框架的混合结构板柱－剪力墙结构：剪力墙承担全部水平力，但控制板柱部分能够承担20％水平力2019/8/933高层建筑的结构体系4、筒体结构（空间受力体系）•一个或多个筒体来抵抗水平力的结构为筒体结构（筒体由剪力墙组成空间薄壁筒体或框架柱形成密柱框筒）2019/8/934高层建筑的结构体系4、筒体结构（空间受力体系）（1）框筒结构：内筒承受竖向荷载，外筒承受水平荷载，柱距一般在3m以内，框筒梁比较高，开洞面积在60%以下1931年102层帝国大厦：钢框架－剪力墙体系，用钢量2.06kN/m21972年110层世界贸易中心：筒中筒结构体系，用钢量1.81kN/m21974年110层西尔斯大楼：钢成束筒结构体系，用钢量1.61kN/m22019/8/935高层建筑的结构体系（2）桁架筒结构：桁架形成的筒体，钢材，节省材料实例：芝加哥的约翰汉考克大厦，100层，用钢量1.45kN/m2香港中国银行，钢斜撑、钢梁、钢骨组合混凝土柱的空间桁架体系.2019/8/936高层建筑的结构体系（3）筒中筒结构：薄壁内筒和密柱外框筒（桁架筒）组成，抗风、抗震能力好深圳国际贸易中心大厦，50层，158m，钢筋混凝土筒体，外筒由钢骨混凝土和钢柱组成2019/8/937高层建筑的结构体系广东国际大厦，63层，200m，钢筋混凝土内筒体，外筒由钢骨混凝土和钢柱组成2019/8/938高层建筑的结构体系上海金贸大厦框架－筒体结构，共88层，高420.5米，用于办公、宾馆。2019/8/939内筒为八角形钢筋混凝土核心筒，外筒由八根复合巨型柱、8根钢柱，用钢量0.7kN/m2上海金贸大厦2019/8/940上海金贸大厦2019/8/941高层建筑的结构体系筒体结构的布置原则：减少剪力滞后密柱深梁：柱中距为1.2m～3.0m，横梁跨高比为2.5～4长宽比不宜大2，接近正方形较好高宽比宜大，以利于空间作用发挥，高宽比3，高度不宜低于60m选择合适的楼板体系，楼板具有足够的刚度2019/8/942高层建筑的结构体系筒体结构的布置原则：设置刚度很大的转换层（实腹梁、空腹钢架、桁架、拱），以提供底层使用空间2019/8/943高层建筑的结构体系（4）成束筒结构：超高层，若干筒体并联而成，强度、刚度均很大（美国希尔斯大厦，109层，443m，框筒由钢柱和桁架梁组成）多筒体结构：多个钢筋混凝土剪力墙筒体，适应于复杂平面的布置要求2019/8/944芝加哥西尔斯大厦共80层，高322米，混凝土结构，商用办公楼高层建筑的结构体系2019/8/945（5）巨型结构体系：高层建筑的结构体系2019/8/946（5）巨型结构体系：由两级结构组成一级为：跨越若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架）或巨型桁架，提供较大的抗侧刚度和承载力———承受水平力和竖向荷载；二级：其它楼层梁柱，承受竖向荷载并将荷载产生的内力传递到一级结构上高层建筑的结构体系2019/8/947高层建筑的结构体系框架体系（含板柱体系）框架－剪力墙体系（含框架－筒体体系）剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系2019/8/9482.4高层建筑结构体系的选择(一)、结构抗侧力体系的选择根据建筑高度选择抗侧力体系A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架—剪力墙14013012010050剪力墙全部落地15014012010060部分框支13012010080—筒体框架心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱—剪力墙70403530—2019/8/949高层建筑结构体系的选择B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度框架—剪力墙170160140120剪力墙全部落地180170150