高层建筑结构(1)

第16章高层建筑结构一、概述二、高层建筑的结构体系三、结构总体布置原则四、多层框架结构五、剪力墙结构六、框架－剪力墙结构七、筒体结构公元1056年，山西应县木塔(9层，高67m)，我国现存最古老最高大的纯木结构楼阁式建筑，世界木结构建筑的典范。中国古代高层建筑公元523年，河南登封市嵩山嵩岳寺塔(15层筒结构，高37.6m，中国现存最早的砖塔)公元652年，西安大雁塔(7层砖木结构，总高64.5m，玄奘为藏经典而修建)文库专用3第一阶段是19世纪中期以前主要建筑材料是砖石和木材，且设计手段和施工技术的限制，欧美国家一般只能建造6层及以下的建筑。第二阶段是19世纪中期开始至20世纪50年代初1855年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能。高层建筑已经发展到了采用钢结构，建筑物的高度越过了100m大关。第三阶段从20世界50年代开始由于在轻质高强材料、抗风抗震结构体系、施工技术及施工机械等方面都取得了很大进步以及计算机在设计中的应用，使得高层建筑飞速发展。美国是世界上高层建筑最多的国家。但世界十大最高建筑，中国占6-7。现代高层建筑5、西尔斯大厦竣工时间：1993高度：442米位于美国伊利诺州芝加哥，共地上108层，地下2层，由美国SOM所建筑师密斯·凡德勒所设计。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。4、国家石油公司双塔大楼竣工时间：1997高度：451.9米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。3、上海环球金融中心竣工时间：2008高度：492米位于上海陆家嘴，高101层，中国第一高楼。2、台北101大楼竣工时间：2003.10高度：508米在当时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”(508米)、“最高使用楼层”(438米)和“最高屋顶高度”(448米)。1、迪拜塔(哈利法塔)竣工时间：2010.1高度：828米哈利法塔由SOM所设计，位于阿拉伯联合酋长国迪拜，共160层，总投资超70亿美元。(1)世界高层建筑委员会1972年建议，将高层建筑定义为以下四类：第一类：916层，高度不超过50m;第二类：1725层，高度不超过75m;第三类：2640层，高度不超过100m;第四类：40层以上，高度100m以上。(2)我国《民用建筑设计通则》(JGJ37-87)中规定：10层及10层以上的民用建筑和总高度超过24m的公共建筑及综合性建筑为高层建筑。建筑高度超过100m的建筑均为超高层建筑。一、概述1.高层建筑的定义荷载效应的最大值(轴力N、弯矩M和位移)可表达为：N=WH=f(H)M=qH2/2=f(H2)=qH4/8EI=f(H4)建筑物高度对内力、侧移的影响2高层建筑的特点A.高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。B.动力反应不可低估；C.结构轴向变形、剪切变形以及温度、沉降的影响加剧；D.材料用量、工程造价呈抛物线关系增长。3.高层建筑的分类*钢结构高层建筑：自重轻、强度高、延性好、施工快，但用钢量大、造价高、防火性能较差按结构材料分世界贸易中心倒塌过程美国东部时间9月11日上午8时45分，一架波音767飞机（载燃油30吨）撞上了世贸中心南楼的上部（偶估计在上部1/8处），18分钟后，又有一架波音757飞机（载燃油45吨）撞上了世贸中心北楼（有天线塔的那栋）的边角处。两架飞机均钻入了大楼内部并爆炸起火。经过一个多小时的燃烧后，10点左右，南楼首先开始倒塌。10点29分，北楼开始倒塌。原因分析(1)结构发生彻底的连锁倒塌是因为火灾削弱结构构件和上部结构塌落冲击共同作用的结果。在撞击破坏后,塔楼并没有立刻倒塌,北塔仍然可以继续维持,南塔由于破坏不对称,变形很大,但也没有倒塌。两座塔楼在撞击后仍然维持了一至两个小时。(2)提高结构抗火能力或限制火灾的影响范围,将有效的防止或迟滞结构的倒塌。根据模拟计算结果,即使结构已经受到严重的撞击损伤,只要火灾影响范围能控制在残余截面20%～25%以内的话,仍然可以避免倒塌。只有当撞击区残余结构有超过30～50%结构因火灾丧失承载力以后,结构才开始进入倒塌阶段。*混凝土结构高层建筑：优点：造价较低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可以组成多种结构体系；可节省钢材，承载能力较高，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。缺点：构件断面大，占据面间大，自重大*钢-混凝土组合结构：（1）优点：在钢筋混凝土结构基础上，充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能进一步减轻结构重量，提高结构延性。（2）类型1)用钢材加强钢筋混凝土构件钢骨钢筋混凝土构件钢管钢筋混凝土构件2)部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨钢筋混凝土结构）钢骨钢筋混凝土构件钢管钢筋混凝土构件美国西雅图双联广场大厦58层四根大钢管混凝土柱混凝土直径3.05m管壁厚30mm承受60%竖向荷载二、高层建筑结构体系1结构体系结构抵抗外部作用的构件单元组成方式。框架剪力墙筒体2高层建筑的基本的抗侧力单元按结构承重体系*框架结构*剪力墙结构*框架-剪力墙结构*筒体结构*其它结构体系2.1.框架结构*在地震设防区层数相应减少*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。*在非地震区可做到15层，最高可做到20层*由梁和柱组成的空间结构称为框架变形特征*在水平荷载作用下，表现出刚度小、水平侧移大的特点，水平侧移呈剪切型，称为柔性结构体系。剪切型*例如，在地震设防烈度为8度，IV类场地的情况下，框架结构一般只能做到5~6层优点建筑平面布置灵活，可提供较大建筑空间；外墙用非承重构件，可使得设计灵活多变，降低自重。构件类型少，易于标准化、定型化。抗水平荷载能力较弱，限制了框架结构的使用高度。缺点2.剪力墙结构*利用房屋墙体作为竖向承重和抗侧力结构的体系称为剪力墙结构*剪力墙上可开洞口，洞口越大，越接近于框架变形特征和应用范围弯曲型洞口*水平荷载作用下，剪力墙似一悬臂薄片，比框架具有更大的抗侧刚度，且在水平荷载下的侧移呈弯曲型*剪力墙结构可用于较高的房屋中（100m以上）*剪力墙可用来分隔房间，楼板的跨度即为剪力墙的间距，一般为3~8m，适合于有小房间的住宅、旅馆等高层建筑优点集承重、抗风、抗震、围护与分隔于一体，经济合理，结构整体性强，抗侧刚度大，侧向变形小，适于建造较高建筑。抗震性能好(也称抗震墙)。墙体密集，建筑平面布置和空间利用受到限制，难以满足大空间建筑功能的要求。结构自重大。缺点3.框架-剪力墙结构*由框架和剪力墙共同承受竖向和水平荷载的结构体系称为框架-剪力墙结构体系。在整个结构体系中，剪力墙负担决大部分的水平荷载，框架以负担竖向荷载为主，分工合理。剪切型弯曲型弯剪型HHH变形特征和应用范围*水平荷载作用下，框架和剪力墙协调工作，使房屋各层变形趋于均匀，在水平荷载下的侧移呈弯剪型。*剪力墙克服了框架抗侧刚度低的缺点，框架弥补了剪力墙结构布置不灵活的不足。因此，普遍应用于宾馆和办公楼等公用建筑中。*框架-剪力墙结构体系一般用于25层以下为宜，最高不超过35层。但若布置合理，也可更高。4.筒体结构电梯间窗孔窗裙梁立柱H*将剪力墙或框架集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体，以此来承受房屋大部分或全部竖向荷载和水平荷载所组成的结构体系称为筒体结构体系。*筒体分薄壁筒（实腹筒）和框筒（空腹筒）两类*变形呈弯剪型电梯间窗孔窗裙梁立柱H分类筒式结构根据建筑高度和水平荷载的性质、大小的不同，通常采用四种形式：框架内单筒：框架外单筒：筒中筒成束筒框架内单筒：实腹筒一般位于框架之内34200框架外单筒：将空腹筒布置在房屋的外围，框架布置在房屋的中部形成的框架框架空腹筒体筒中筒*将实腹筒体置于建筑物的内部，空腹筒体作为建筑物的外框，利用楼板将二者连为一体，共同承受竖向荷载和水平荷载的结构承重体系.*具有很大的抗侧能力和抗扭能力，筒中筒结构广泛应用于65层左右的公用建筑中。深圳发展中心大厦成束筒*将几个筒体连成一个整体，共同承担竖向和水平荷载的结构承重体系*常用于75层左右的高层建筑中三、结构布置的原则在高层建筑中，除了要根据结构高度选择合理的结构体系外，还要恰当的设计和选择建筑物的平面、剖面形状和总体型。这些往往都是在初步设计阶段（主要是利用概念设计方法）由建筑设计选择。合理的结构初步设计可提高建筑物的安全性，降低工程总造价。包括建筑体型、结构平面、竖向布置、变形缝设置等设计要求3.1房屋总高度与高宽比高层建筑结构应根据房屋高度和高宽比、抗震级别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工条件等因素，考虑适宜的结构体系。不同结构体系的刚度和承载力均不同，因此它们的适用高度也是不一样的。钢筋混凝土高层建筑结构适用的高度分为A级（常规高层建筑）和B级（超限高层建筑），B级高度建筑结构的最大适用高度可比A级适当放宽，但抗震等级、有关计算和构造措施应相应加严。（具体规定见以下两表）3.1.1房屋适用高度房屋的高宽比愈大，水平荷载作用下的侧移愈大，抗倾覆作用的能力愈小。因此，应控制房屋的高宽比，避免设计高宽比很大的建筑物。3.1.2高宽比（H/B）3.2结构平面布置高层建筑结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影响。高层建筑的开间、进深尺寸和构件类型应尽量减少规格，以利于建筑工业化。对于明显不对称的高层建筑结构应考虑扭转对其受力产生的不利影响。高层建筑结构平面布置应符合下述原则：(1)在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。不规则平面布置示意图（2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。在沿海地区，风力成为高层建筑的控制性荷载，采用风压较小的平面形状有利于抗风设计。对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面，如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。一般地圆形或椭圆形平面可比矩形平面减少风荷20~40%。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如V形，Y形、H形、弧形等平面。（3）选择有利于抗震的结构平面其平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度L不宜过长，突出部分长度不宜过大；L、l等值宜满足下表的要求；不宜采用角部重叠或细腰形平面图形。（4）结构平面布置应减少扭转的影响。①限制结构平面布置的不规则性，避免质心与刚心存在过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。实际工程设计中，除应从平面布置上予以控制外，还要按上述规定控制楼层竖向构件的扭转变形。②限制结构的抗扭刚度不能太弱。对结构的扭转效应从以下两个方面加以限制：国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量中心与刚度中心偏心较大和抗扭刚度太弱的结构，其震害严重。3.3结构竖向布置在实际工程抗震设计时，结构的承载力和刚度自下而上逐渐减小，一般情况时沿着竖向分段改变构件尺寸和混凝土强度等级。*沿竖向结构的刚度和强度宜均匀、连续，避免薄弱层，不突然变化。*体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。*高层建筑结构中宜设置地下室：1、利用土体的侧压力防止水平力作用下结构的滑移。2、减小土的重力，降低地基的附加压应力。3、提高地基土的承载能力。低层或底部若干层由于取消一部分剪力墙或柱子产生刚度突变。中部楼层部分剪力墙中断。顶层设置空旷的大空间，取消了部分剪力墙或内柱。沿竖向刚度突然改变的主要原因：（1）抗侧力结构布置的突然改变；沿竖向侧向刚度不规则（有软弱层存在）建筑顶部内收形成塔楼。B1≥0.75B楼层外挑内收。B≥0.9B1且a≤4m（2）结构竖向体型的突变。3.4变形缝设置在高层建筑中，为防止结构因温度变化和混凝土收缩变形而产生裂缝，需设置温度伸缩缝。在结构平面狭长而立面有较大变化时，或地基基础有显著变化，或高层主体与裙房之间等，有可能产生