高层建筑结构与选型

第二节高层建筑结构与选型一、结构型式按材料区分（一）砌体结构：加筋砌体结构（二）钢筋混凝土结构：整体性好、刚度大、变形小；阻尼比高、舒适性佳；耐腐蚀、耐火、维护方便、造价低。但截面大、自重大。（三）钢结构：强度大、韧性大、易加工；断面小、自重轻、抗震性好；可在工厂加工、缩短工期、施工方便；但用钢量大、造价高；耐火性差。（四）钢—混凝土混合结构：有钢骨钢筋混凝土构件和剪力墙用混凝土墙、梁柱用钢两种组合方式，在超高层中多用。二、高层建筑结构体系成束筒结构筒中筒结构筒体结构框架剪力墙结构剪力墙结构框架结构混合结构高层建筑框支剪力墙结构框筒核心筒结构多筒结构荷载效应的最大值(轴力N、弯矩M和位移)可用下列式子表达：N=WH=f(H)M=qH2/2=f(H2)=qH4/8EI=f(H4)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。变形特点力或位移△=f(H4)M=f(H2)N=f(H)H结构内力、位移与高度H的关系1、纯框架体系定义由梁、板、柱构件通过刚节点连接而成的结构称为框架当整个结构单元所有的竖向和水平作用完全由框架承担时，该结构体系成为框架结构体系。有钢筋混凝土框架、钢框架和混合结构框架三类。（1）框架结构的承重结构和围护、分隔构件完全分开，墙（2）框架结构平面布置灵活，能够满足生产工艺和使用功（3）框架结构采用的材料是型钢和钢筋混凝土，有很好的抗压和抗弯能力，由于梁、柱刚接，抗侧移和抗振动能力强，抗震性、整体性和延通性较好。框架结构的特点框架结构体系(a)横向框架体系；(b)纵向框架体系•框架结构体系优点：布置灵活；缺点：侧向刚度较小。北京长富宫中心26层，90.85m，89年建成。400080008000800080008000400040005800400058006200（1②控制结构的高宽比（一般高宽比设为5～7），减少结构在水平荷载下产生框架结构的平面布置方式④框架梁宜拉通、对直，框架柱宜上下对中，梁柱轴线宜在⑤尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化设计及施工。（2）柱网及层高框架结构的柱网由柱距和跨度组成。框架结构的柱网尺寸和层高主要由使用功能的要求决定，并符合建筑模数，力求柱面简单规则，便于布置模板。民用建筑的类型多，功能要求各不相同，因此柱网和层高的变化也大，但对于一般民用建筑可以做到定型化。柱网一般以300mm为模数，如住宅、旅馆的框架结构柱网尺寸，柱距可采用6.3m、6.6m和6.9m，跨度可采用4.8m、5.1m、6.0m、6.6m和6.9m，层高为3.0m、3.3m、3.6m、3.9m和4.2m工业建筑的柱网布置可分为内廊式和跨度组合式两种，内廊式柱网的常用尺寸：柱距为6.0m，跨度一般采用6.0m、6.6m和6.9m，走廊宽一般为2.4m、2.7m和3.0m。跨度组合式柱网的常用尺寸：柱网采用6.0m，跨度采用6.0m、7.5m、9.0m和12m。层高一般为3.6m、3.9m、4.5m、4.8m和5.4m。框架柱网布置简单、规则、整齐，对结构是非常有利的，经济效果也好。但有些建筑平面采用周边复杂的形式来表示建筑艺术的效果，这就出现了在复杂的建筑平面形式上力求简单的柱网布置的协调问题。2、纯剪力墙体系普通剪力墙结构是全部由剪力墙组成的结构体系，其墙体的布置实际上等于将砌体结构的块体承重墙换成现浇的钢筋混普通剪力墙结构通常采用平面布置的形式。钢筋混凝土墙承受全部竖向荷载和水平力，所以剪力墙应双向或多向布置，并且拉通对直。剪力墙结构体系•剪力墙结构体系优点：侧向刚度大缺点：布置受限制广州白云宾馆33层，112.45米，剪力墙结构，1976年建成，国内首栋百米高层。360040008000800066000300036000300066000800080004000360070000785078502300北京国际饭店1987年建成，27层，底层层高5m，标准值层层高2.9m，总高度104m，剪力墙厚度为200~600mm。对于矩形、L形、T形平面，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；对于三角形平面、T形平面，剪力墙沿三个方向布置；对于正方形、圆形和弧形平面，剪力墙可沿径向及环向布置。剪力墙的数量在方案设计阶段就要合理地确定，尽量对称、均匀，且数量适当。剪力墙长度不宜过长，过长会导致结构刚度过大，加大抗震能力，不经济。剪力墙为6～7m的大开间比3～3.9m的小开间经济，能降低材料用量，增加使用面积。剪力墙上的洞口宜上下对齐，并列布置。由于普通剪力墙结构全部由纵横墙体组成，其刚度比框架－剪力墙结构更好，对于40层以下的高层住宅、高层旅馆、公寓十分通用。普通剪力墙结构的建筑物高宽比不宜大于6，其高度要考虑抗震要求，地震区7度设防时为139m左右，8度设防时为120m左右，9度设防时为70m左右。优点：刚度大、侧移小、空间整体性好；房内无梁柱棱角，整体美观。缺点和局限性：剪力墙的间距通常为3～8m平面布置不灵活自重较大3、筒体体系筒体体系是框架和剪力墙结构发展而成的空间体系。由框架或剪力墙围合成竖向井简，并以各层楼板将井壁相互边接起来，形成一个空间构架。特征：承受很大的水平荷截。根据其平面布置、组成数量的不同，又可分为框架－筒体、筒中筒、组合筒（束筒）三种体系。筒体结构在抵抗水平力方面具有良好的刚度，并能形成较大的空间，且建筑平面布置灵活。筒体结构（1）单筒结构：单筒很少单独使用，通常和框架组合，根据二者位置关系的不同，有外筒内框架和内筒外框架两种布置方式。（2）筒中筒结构：内外套置的几层筒体，内外筒之间通过楼板连成整体，筒中筒比单筒有更好的抗推能力。如世贸中心、香港合和中心和深圳国贸大厦等均采用该结构体系。3）束筒结构：若干个筒体相并列，美国芝加哥西尔斯大厦就是采用的束筒结构。——筒体体系平面实例筒体类型实腹式：剪力墙围合成。空腹式：框筒（密柱）围合成。三、常用体系组合根据建筑功能的需要和结构受力的特点，可将上述基本体系重新组合，形成框支剪力墙、框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒、束筒等结构体系。框支剪力墙指在框架剪力墙结构(在转换层的位置)上部布置剪力墙体系，部分剪力墙应落地。一般多用于下部要求大开间,上部住宅、酒店且房间内不能出现柱角的综合高层房屋。为满足高层建筑多功能、综合用房的需要，顶部楼层采用普通剪力墙结构以满足旅馆和住宅的要求，中部办公用房则需要中、小室内空间同时存在，则宜采用框架－剪力墙结构，底部做商店或停车场需要大空间，则宜加大柱网，尽量减少墙体，这样的结构布置称为框支剪力墙结构。框支剪力墙结构由于结构底部与上部结构刚度不同，易产生突变，故抗震性差。框架－剪力墙是由框架与剪力墙组合而成的结构体系。在整个框架－剪力墙结构体系中，框架与剪力墙同时存在，剪力墙承担绝大部分的水平荷载，而框架则承担竖向荷载为主，两者共同受力，合理分工。框架结构剪力墙结构自顶层向下，层间位移越来越大，呈上凹形，与悬臂梁的剪切变形曲线类似。故称“剪切型”自底层向上，位移增量越来越大，呈下凹形，与悬臂梁的弯曲变形曲线类似。故称“弯曲型”结构的侧移特性由于框架－剪力墙是以框架为主体、以剪力墙为辅助，以补救框架结构不足的一种组合体系，适用于25层以下的建筑，最高不宜超过30层。优点由于框架和剪力墙的的协同工作，与框架结构相比，其抗侧刚度和承载能力大大提高了，在地震作用下侧移小，非结构性破坏一般较轻，抗震性能较好。框架－剪力墙结构的剪力墙布置原则分散、均匀、周边、对称a.地震区纵横向布置，非地震区横向。b.对称布置，设在端部，平面形状变化及静截大的部位。c.剪力墙中心线与框柱载面重心体重合。框架－剪力墙结构的剪力墙布置典型平面9×4000=36000750075002000北京民族饭店59年建成，12层框架—剪力墙结构。（1）筒体－框架结构由中央剪力墙核心筒和周边外框架组成的结构称（2）框筒结构中央为内框架，周边由间距较密的柱子与每层楼层处的深肩梁刚性连接在一起组成矩形网络的外筒体称为框筒结构。（3）筒中筒结构体系（4)束筒结构体系(5)筒体外伸结构体系筒体结构的类型框筒结构⑴含义：框筒是由深梁密柱框架组成的空间结构。核心筒-框架：筒体布置在建筑的中央部分，由电梯井道、楼梯、通风井、电缆井、公共卫生间、部分设备间围护形成中央核心筒，与外围框架形成一个外框内筒结构，以钢筋混凝土浇筑。此种结构十分有利于结构受力，并具有极优的抗震性。是国际上超高层建筑广泛采用的主流结构形式。同时，这种结构的优越性还在于可争取尽量宽敞的使用空间，使各种辅助服务性空间向平面的中央集中，使主功能空间占据最佳的采光位置，并达到视线良好、内部交通便捷的效果。广州中信大厦37层，322米高，97年建成核心筒-框架：南京金陵饭店37层，108米，框架-筒体结构，1983年建成。多筒-框架两个端筒+框架核心筒+端筒+框架核心筒+角筒+框架南京金陵饭店37层，108米，框架-筒体结构，1983年建成。多筒-框架5.13.437.04.04.04.04.04.03.45.122.835.14.53.33.34.53.93.93.93.93.916.8广东国际大厦1990年建成，63层，底层层高4m，标准层3m，总高200.18米。外筒平面尺寸35.1m×37m，由24根中柱和4根异形角柱组成；内筒为16.8m×22.8m的矩形平面，壁厚300~700mm。香港中环中心广场60层，374米，92年建成。筒中筒结构筒中筒结构由上述筒体单元组合，一般实腹筒在内，框筒或桁架筒在外，由内外筒共同抵抗水平力作用。特点：抗侧能力好，内部空间大，适宜于30层以上的办公建筑、旅馆等超高层建筑。外筒抗弯，内筒抗剪。筒中筒结构体系深圳发展中心大厦筒束结构⑴含义：由两个或两个以上的框筒组成的结构体系称为筒束结构体系，框筒形式多样。⑵受力特性：框筒可以是钢框筒，也可以是钢筋混凝土框筒。该结构体系空间刚度极大，能适应很高的高层建筑的受力要求。构成筒束的每一单元筒能够单独形成一个筒体结构，所以沿建筑物高度方向，可以中断某些单元筒。通过单元筒的平面组合，可以形成不同的平面形状，或形成很大的楼面面积，以满足建筑使用要求。束筒体系•筒体外伸结构体系三、高层建筑结构的发展趋势与建筑造型1）竖向抗推体系支撑化、周边化、空间化2）建筑体型的革新变化3）轻质高强材料的运用巨型结构体系定义巨型结构体系或称超级结构体系是指在一幢建筑中，由数个大型结构单元所组成的主结构与常规结构构件组成的子结构共同组成建筑的结构体系。巨型构件大型结构单元通常是由不同于普通梁柱概念的大型构件——巨型柱和巨型梁组成的简单而巨型的桁架或框架等结构，巨型梁、柱都是空心的、格构的立体杆件，它们的截面尺寸通常很大。⑴巨型柱：其截面尺寸常超过一个普通框架的柱距，可以是一个由楼梯间或电梯间构成的钢筋混凝土井筒。⑵巨型钢结构：通常为一个空间格构式桁架。⑶巨型梁：其截面尺寸通常可达一至二个楼层的高度，沿建筑物的高度方向通常每隔多层才设置一道巨型梁，因此整个建筑往往只有数道巨型梁。巨型结构类形⑴按建筑材料区分：巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨钢筋砼结构、巨型钢——钢筋混凝土混合结构及巨型钢结构。⑵按主要受力形式划分：巨型框架结构（包括巨型钢筋混凝土框架和巨型钢框架等）、巨型桁架结构（包括桁架筒体）、巨型悬挂结构、巨型分离式筒体结构等四种基本类型。目前，国外进行方案设计或研究中的超高层建筑高度已达到或大于800～1000米，这些结构大都采用的巨型结构体系。•香港汇丰银行巨型框架结构体系主框架次框架3次框架2次框架1框架—支撑结构体系主要功能：1质轻：绝干容重为500-600千克/立方米，为普通混凝土的1/4，粘土砖的1/3，空心砖的1/2，与木质差不多，能浮于水。可减轻建筑物自重，大幅度降低建筑物的综合造价。2防火：耐火700度，为A级不燃体耐火材料，100mm厚墙体耐火性能达225分钟，200mm厚墙体耐火性能达480