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第1章绪论高层建筑结构设计西安建筑科技大学土木工程学院史庆轩第1章绪论第1章绪论高层建筑结构设计1、学习本门课程的重要性1)一门主要专业课之一；2）与先修课程密切联系；3）与毕业设计和毕业后从事专业工作密切相关；4）培养实践能力和创新精神。2、本门课程的主要内容1）绪论；2）结构体系和结构布置；3）荷载和设计方法；4）剪力墙结构分析与设计；5）框-剪结构分析与设计；6）筒体结构分析与设计;7)计算机分析方法和程序。第1章绪论3、学习本门课程中可能出现的几个矛盾？1）课时少与课程内容较多（抓住内容主线、重点突出）2）推导多、公式多（掌握思路、理解推导原理）4、教学方法和手段1）传统教学与多媒体教学相结合；第1章绪论主要内容：主要内容1.1概述1.2高层建筑结构的设计特点1.3高层建筑结构的类型1.4高层建筑的发展概况第1章绪论1.1概述问题：高层建筑的定义？通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。1）国外：（1）美国规定：高度为22~25m以上或7层以上建筑为高层建筑；（2）英国规定：高度为24.3m以上的建筑为高层建筑；（3）日本规定：8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。2）我国：（1）《高层民用建筑设计规范》GB50045-95和《高层民用建筑设计防火规范》GBJ50045-2019和规定：≥10层的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）或≥24m的公共建筑。（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2019）规定：≥10层或≥28m；（本课程内容的依据）1.1概述第1章绪论1.1概述3）国际上1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类：第一类为9～16层（最高50米）第二类为17～25层（最高75米)第三类为26～40层（最高100米）第四类为40层以上(高于100米）注：高层建筑的高度般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离，不包括局部突出屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度。4）超高层建筑最初来源于日本，2019年出现英文词条Super-tallbuilding；没有明确的分界线和规定，一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑；通常将高度超过100m或层数在30层以上的高层建筑称为超高层建筑。第1章绪论本节小结：1）多少层数或多少高度以上的建筑为高层建筑，全世界至今没有一个统一的划分标准，不同的国家、不同的年代，其规定也不一样2）高层建筑的规定与一个国家当时的经济条件、建筑技术、电梯设备、消防装置等许多因素有关。3）超高层建筑也没有统一划分标准，一般一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑。1.1概述第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点问题：与多层建筑相比有哪些的设计特点？1、水平荷载成为设计的决定性因素1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比；2）水平荷载产生的倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。1.2高层建筑结构的设计特点第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点2、侧移成为设计的控制指标1）结构顶点的侧移ut与结构高度H的四次方成正比；2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系；过大侧移会使人产生不安全感；使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因P-△效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点3、轴向变形的影响在设计中不容忽视1）竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;2)对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响；Houston75层的某商业大厦，采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，其底层钢柱压缩变形比墙多260mm。第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点3）水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。表中为某剪力墙的计算结果。由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。第1章绪论第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点4、延性成为结构设计的重要指标1）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。2）延性系数μ：用来衡量延性的大小。3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。uyP△uabcfufy△yP△uabcfufy△yP△uaabbccfufyfy△y第1章绪论1.2高层建筑结构的设计特点5、结构材料用量显著增加1）对于高层建筑结构，随高度增大，材料用量增大较多。2）特别是水平荷载对材料用量影响较大。3）结构方案对材料用量影响很大，水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。如筒体结构可使结构用钢量大幅度减小，高381m的帝国大厦，采用平面框架结构体系，用钢量为206kg/m2，采用筒体结构,高344m的约翰.汉考克大厦用钢量仅为146kg/m2，高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/m2。第1章绪论本节小结1）高层建筑同时承受竖向荷载和水平荷载，随着房屋层数的增加，虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要的影响，但水平荷载已成为结构设计的控制因素。水平荷载产生的内力与高度的二次方成正比，侧移与高度的四次方成正比。2）对高层建筑，水平荷载和竖向荷载产生的轴力均很大，不容忽略。3）为了保证高层建筑的抗震性能，结构应具有较大的延性。4）高层建筑的材料用量随高度增加而加大，可通过优化设计减小材料用量。1.2高层建筑结构的设计特点第1章绪论1.3高层建筑结构的类型问题：按使用的材料，高层建筑结构的类型？1、砌体结构优点：取材容易、施工简便、造价低廉；缺点：脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度均较低，抗震性能较差；配筋砌体可改善砌体的受力性能，但较少用于高层。公元524年的河南嵩岳寺塔(15层简筒结构，高50m)公元704年的西安大雁塔(7层砖木结构，总高64m)公元1055年的河北定县料敌塔(11层筒体结构，高82m)按使用的材料，高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构等类型。1.3高层建筑结构的类型第1章绪论1.3高层建筑结构的类型2、混凝土结构优点：取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大，刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好；缺点：自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响；应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今后仍将是高层建筑发展的主流。最早混凝土框架结构高层建筑，是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼，16层，高64m。目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m、其次是平壤柳京饭店达105层300m平壤市的柳京饭店第1章绪论1.3高层建筑结构的类型3、钢结构优点：材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、施工周期短、抗震性能好；缺点：用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差；应用情况：采用钢结构的高层建筑不断的增多；美国、日本等从钢结构起步建造高层建筑的国家已转向发展混凝土结构。目前世界上最高的钢结构建筑为美国芝加哥西尔斯大厦，110层、高443m。芝加哥西尔斯大厦(SearsTower)，110层，高443m，钢结构第1章绪论1.3高层建筑结构的类型第1章绪论1.3高层建筑结构的类型定义：钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构（1）组合结构：将钢骨放在构件内部，外部，采用外包或内填混凝土，称为钢骨混凝土或钢管混凝土。（形成组合构件）（2）混合结构：指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空间结构。（形成混合结构）4、钢-混凝土组合结构或混合结构不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点，同时还兼有混凝土结构刚度大、防火性能好、造价低的优点。近年来，这种结构形式逐渐增多，而且发展前景非常好。第1章绪论RC核心筒+外框型钢混凝土柱及钢柱，88层，高420m，7度抗震设防上海金茂大厦办公层平面客房平面第88层平面剖面1.3高层建筑结构的类型第1章绪论上海环球金融中心RC核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱(三重结构体系)，101层，高492m，7度抗震设防核芯筒底部剪力墙1.3高层建筑结构的类型第1章绪论台北101金融大楼高508米，超过美国芝加哥的西尔斯大楼，马来西亚双塔等大楼，成为新的全球第一高楼。采用方钢管混凝土柱，混凝土核心筒混合结构。1.3高层建筑结构的类型大楼历时5年多，耗资600亿币。总面积7万多平方米，共容纳了160多家商店。(包括地下5层、其中B2到B5为地下停车场、地上101层，其中有78层是办公大楼，裙楼部分则是购物中心。第1章绪论1.3高层建筑结构的类型2019年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦（PetronasTower），88层，高452m，为当时世界最高的建筑。第1章绪论本节小结：1）高层建筑结构的主要材料：钢、钢筋、混凝土相应的结构构件（以材料分类）可分为：钢构件、钢筋混凝土构件、组合构件（包括钢骨混凝土构件和钢管混凝土构件）。相应的结构分类（以材料分类）：钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构（两种或两种以上材料的构件组成的结构，如钢构件+钢筋混凝土构件等）2）钢结构具有强度高，自重轻（有利于基础），延性好，变形能力大，有利于抗震，可以工厂预制，现场拼装，交叉作业。但价格高，防火材料（增加造价），侧向刚度小。1.3高层建筑结构的类型第1章绪论3）钢筋混凝土是应用最广的建筑材料，绝大部分高层建筑为钢筋混凝土结构。具有价格低（地方材料），可浇筑成任何形状，不需要防火，刚度大。但强度低，构件截面大，占用空间大，自重大，不利于基础、抗震，延性不如钢结构。高强混凝土是近40年来建筑材料最重要的发明创造。高强可减小柱、墙截面尺寸，早强可加快施工进度，密实可提高耐久性、弹性模量高，徐变小可减小压缩变形。但高强混凝土变形能力小，脆性大，易开裂，耐火不如普通混凝土等。4）组合结构是以钢骨为骨架，外包钢筋混凝土，钢骨、混凝土为整体、共同受力，钢骨可以做施工平台，与钢构件比：用钢少，刚度大，防火、防锈；与混凝土构件比：重量轻，承载力大，抗震性能好。1.3高层建筑结构的类型第1章绪论1.4高层建筑的发展概况高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有100余年的历史，是城市现代化的象征。尽管历史较短，但其发展速度很快。近30年来，世界各地兴建的高层建筑，其规模之大，数量之多，技术之先进，形式之多样，外观之新颖，无一不让人惊叹称奇。国外发展概况：1）19世纪中期至19世纪末为高层建筑的形成期。1851年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能。高层建筑从最初采用铸铁框架到钢框架，建筑物的高度越过了100m大关，1898年纽约建造了ParkRow大厦（30层118m）。1.3高层建筑的发展概况第1章绪论2）20世纪末至20世纪50年代初为高层建筑的发展期。在结构理论方面突破了纯框架抗侧力体系，提出在框架结构中设置竖向支撑或剪力墙，来增加高层建筑的侧向刚度。这一时期，混凝土作为建筑材料开始进入高层建筑领域。但由于仅采用平面结构（框架结构）设计理论，且材料强度较低，发展受到限制，仅建造于非地震区。这一时期的典型建筑：1905年建造了50层的MetropLitann大楼；1907年在纽约建造了辛尔大楼，47层，高187m，为第一幢超过金字塔高度的高层建筑；1913年纽约又建造了60层、高242m的乌尔瓦斯（Woolworth）大楼；1923年建造了高319m的Charysler大厦；1931年，建造了著名的帝国大厦，102层、高381m，它保持世界最高建筑达41年之久，现今仍为世界上的10幢最高建筑之一。1902年在美国的辛辛那提市建造了16层、高64m的英格尔斯（Ingalls）大楼，为世界第一幢钢筋混凝土高层建筑。1.4高层建筑的发展概况第1章绪论