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1、建筑、环境与土木工程学科发展战略研讨会 北京，2004年12月25-27日 高层建筑结构及其高层建筑结构及其 设计理论设计理论 1 内容 一、高层建筑结构的现状与发展 二、高层建筑结构的材料与体系 三、高层建筑结构的抗震设计理论 四、高层建筑结构的抗风设计理论 五、高层建筑钢结构的设计理论 六、高层建筑结构及其设计理论的研究 方向与课题 2 一、高层建筑结构的现状与发展 v现代高层建筑起源于美国，已有110多年的发 展历史。 v最具代表性的建筑是1931年建成的纽约帝国大 厦（高381m，102层）、1972年建成的纽约世 界贸易中心姊妹楼（417m和415m，110层， 2001年9月11日
2、受恐怖袭击而倒塌）和1974年 建成的芝加哥西尔斯大厦（442m，110层）。 v随着世界经济和建筑技术的发展，世界范围内 高层建筑的高度在不断的增加，许多国家为了 表明国家实力试图建造世界上最高的建筑。 3 一、高层建筑的现状与发展 v以下列举了世界高度前10位的高层建筑 排序建筑名称城市国家建成年高度层数结构材料 1101大楼台北中国2003508101钢-混凝土 2 Petronas Twin Towers 吉隆坡 马来西亚199845288钢-混凝土 3Sears Tower芝加哥美国1974442110钢 4金茂大厦上海中国199942188钢-混凝土 5中信广场广州中国199639
3、180混凝土 6地王大厦深圳中国199638469钢-混凝土 7 Empire State Building 纽约美国1931381102钢 8中环广场香港中国199237478混凝土 9中银大厦香港中国198936970钢-混凝土 10 Emirates Tower One 迪拜阿联酋199935555钢-混凝土 4 一、高层建筑的现状与发展 v以下列举了世界高度前10位的高层建筑 Empire State Building Petronas Twin Tower Sears Tower 5 一、高层建筑的现状与发展 v以下列举了世界高度前10位的高层建筑 101大楼金茂大厦中信广场 6 一
4、、高层建筑的现状与发展 v世界高层建筑的建造重心正由北美洲 向亚洲转移，中国已经处于高层建筑 迅速发展时期，在世界高度前十位的 高层建筑中占了6座（其中大陆3座、 香港2座、台湾1座）。 v我国高层建筑在建造总量、高度、层 数和体量等方面不断有新的突破。 v正在建设的上海环球金融中心的结构 设计高度为492m，将是世界第一。 v随着我国国民经济与科学技术的发展 ，预计在今后10-15年内，我国还会逐 步建造超过500m、600m、800m、甚 至1000m的高层建筑，继续站住国际 领先地位。 环球金融中心 7 一、高层建筑的现状与发展 v建造如此高度的高层建筑，我们将面临着哪 些问题需要解决，
5、也就是说高层建筑结构及 其设计理论所需解决的关键科学问题有哪些 ？是否应包括： （1）高层建筑结构的材料与体系 （2）高层建筑结构的性态设计理论 （3）高层建筑结构的抗震设计理论 （4）高层建筑结构的抗风设计理论 （5）高层建筑结构的智能控制应用技术 （6）高层建筑结构的防爆与抗爆设计理论 8 二、高层建筑结构的材料与体系 v我国高层建筑的结构材料一直以钢筋混凝土 为主；特别是高层住宅，即使高度在100m以 上的超高层住宅，也都采用混凝土结构。 v钢结构及钢-混凝土混合结构的比重逐步扩大 ，主要用在超高层公共建筑中，以发挥钢和 钢筋混凝土的各自优势，从而改善结构性能 。 v在国外特别是地震区，
6、高层建筑结构是以钢 结构为主，而我国钢筋混凝土结构及混合结 构占绝大部分。 v如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，还没 有经受大地震作用的考验。 9 二、高层建筑结构的材料与体系 v高层建筑结构的基本类型有框架、框架-剪力墙、剪 力墙、框支剪力墙、框架-筒体和筒中筒等结构。 v目前超高层建筑大多采用三种结构体系，即框架-筒 体、筒中筒和框架-支撑，这些也是世界其它国家的 超高层建筑所采用的主要结构体系。 v框架-核心筒结构是我国高层建筑结构中最常采用的 一种结构体系，且大多采用钢框架-混凝土核心筒的 混合结构形式。 v国外很少采用这种混合结构，在抗震结构中更少见 ；国内工程界对这种体系的看法也存
7、在一些争议。 v采用这种混合结构体系的主要原因是比钢结构的用 钢量少，又可减小柱子断面，常常为业主所看中。 10 二、高层建筑结构的材料与体系 v框架-核心筒结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80% 以上的地震剪力，有的高达90以上。 v由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以 钢筋混凝土结构的位移限位为基准；然而由于内筒 的高宽比很大(约为10-12)，其弯曲变形的侧移较大 ，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增 大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加 大混凝土内筒的刚度或设置伸臂结构、形成加强层 才能满足现行规范对结构侧移的限值。 v为了安全起见，要求框架承担剪力不小于底部剪力
8、 的25，这也会使钢材的用量加大；混凝土核心筒 的轴压随高度增大而增大，为保证其延性，必须加 大筒壁的厚度和配筋，因而用钢量也会相对上升。 11 二、高层建筑结构的材料与体系 v框架-核心筒结构，由于钢筋混凝土内筒与钢框架的 竖向变形性能不同，由徐变、温度等因素会引起结 构附加内力；在构造上，有一些结构为了增加结构 刚度而将楼板钢梁与混凝土内筒做成刚接，这不仅 增加施工困难，而且钢与混凝土的连接节点可靠性 较差。 v采用混凝上核心筒，可以节省一些钢材，但是究竟 能节省多少，还要做进一步分析。而我国当前的国 情，已经不是结构材料越省越好的年代。对混合结 构的抗震性能以及为改善其性能需要采取的措施
9、要 有充分认识。 v内筒最好采用钢骨混凝土剪力墙，以便使钢梁与钢 骨有可靠的连接。 12 二、高层建筑结构的材料与体系 v框架-核心筒结构，为减小侧移，通常需要设置伸臂 结构，形成加强层；在结构体系或柱距变化时，需 要设置结构转换层。 v加强层及转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚 度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件 剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外 框架柱连接处很难实现强柱弱梁。 v因此，在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择 加强层及转换层的结构形式，尽量减小其本身刚度 ，减小其不利影响。 v斜撑桁架或简单的斜撑杆优于实腹梁，在抗震结构 中采用厚板作转换层对抗震是十分
10、不利的。 13 二、高层建筑结构的材料与体系 v筒中筒体系主要采用钢筋混凝土结构，这在 国外地震区是很少见到的。 v密柱深梁的钢筋混凝土框架-核心筒结构实现 梁铰屈服机制有一定困难。 v当采用钢筋混凝土筒中筒结构时，必须充分 注意框筒是否能真正实现梁铰机制，是否能 确保框筒的延性要求。 v因此，在高层建筑结构中，应注意结构体系 及材料的优选。 14 二、高层建筑结构的材料与体系 v现在我国钢材产量较大，建筑钢材的类型及品种逐 步增多，钢结构的加工制造能力逐步增强，因此在 有条件的地方，应尽可能采用钢骨混凝土结构、钢 管混凝土(柱)结构、甚至全钢结构，以减小框架柱 的断面尺寸，并改善结构的抗震性
11、能。 v在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔 ，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨(钢管) 混凝土通常做为首选。 v日本阪神地震震害说明，在钢骨混凝土构件中，采 用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的大型 型钢或焊接工字钢时，则震害轻微。 v因此，在高层建筑结构中，若用钢骨混凝土构件， 建议采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢。 15 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.1 基于性态的高层建筑混凝土结构抗震 设计 v近十年来，特别是1994年美国北岭地震和1995年日 本阪神地震以后，暴露出现行抗震设计思想-基于力 或位移的设计方法的严重不足。 v为了克服这些不足，基于性态的（per
12、formance- based）抗震设计已经被国际上广泛研究，并且被认 为是未来抗震设计的主要指导思想。 v以往提到的基于力的抗震设计或者基于位移的抗震 设计，由于力和位移都是很明确的物理概念，可以 被很容易地理解。 v但是基于性态的抗震设计，由于性态是一个宏观概 念，不像力或位移那样可以直接作为设计参数，但 还是可以直接应用到设计中去。 16 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.1 基于性态的高层建筑混凝土结构抗震 设计 v事实上，这里提到的结构性态往往可以与结构的破 坏程度相关，而结构的破坏程度又可以由结构的反 应参数来表示(如应力、力、位移、能量以及具有明 确定义的破坏指标)。 v所以
13、基于性态的抗震设计是比基于力或者基于位移 的抗震设计更为广泛的一种设计理念，更为直接地 满足个人或者社会对建筑物的要求，即要求建筑物 安全可靠、满足使用需要，而不是普通使用者能提 出的建筑物可以抵抗多强的地震力，或者是变形控 制在什么程度。 17 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.2 高层建筑混凝土结构的短柱问题及其 抗震性能 v在高层建筑混凝土结构中，为了保持结构的整体延 性需要控制框架柱的轴压比，这会导致框架柱的断 面很大，且柱的纵向钢筋只能构造配筋，即使采用 高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。 v柱的轴压比问题实际是柱的塑性变形能力问题，构 件的变形能力会极大地影响结构的延性。若
14、柱处于 小偏压受力状态，由于是混凝土压碎丧失承载能力 ，柱塑性变形能力很小。 v钢筋混凝土剪力墙同样存在塑性变形能力问题。 v高层建筑混凝土结构普遍存在着短柱（剪跨比M/VH 小于2）甚至超短柱（剪跨比小于1.5）的现象。 18 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.2 高层建筑混凝土结构的短柱问题及其 抗震性能 v地震时，短柱刚度大、变形能力差，会发生突然脆 性破坏，而导致整座高层建筑发生倒塌； v如何提高高层建筑混凝土结构中短柱的抗震性能， 以提高高层建筑的抗震安全性，是高层建筑结构抗 震设计理论的关键科学问题之一。 v目前解决钢筋混凝土短柱问题的途径有： （1）箍筋采用复合螺旋箍筋 （2
15、）沿柱高X型配置钢筋 （3）采用钢管混凝土或者型钢混凝土组合 （4）采用将柱子直接批分成几个小柱的分体柱技术 （5）等等19 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.3 高层建筑结构-桩-土动力相互作用 v对于软土地基上的高层建筑结构，桩基础是经常采 用的一种基础形式，土、基础以及上部结构三者之 间存在动力相互作用，使得桩基和土的的动力特性 成为结构地震响应分析所必须考虑的因素之一。 v高层建筑结构-桩-土动力相互作用是一个很复杂的 问题，多年来一直是高层建筑结构抗震设计领域的 重点研究课题之一。 v近几十年来，国内外许多学者针对高层建筑结构-桩 -土动力相互作用问题进行了大量的理论研究和试验
16、研究工作。 20 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.3 高层建筑结构-桩-土动力相互作用 v理论研究又可分为解析法、数值法及耦合法。 v受计算机技术条件的限制，解析法在20世纪70年代 得到了较大的发展，但是，解析法只能用于上部结 构、基础以及地形地质条件较简单的情况。 v随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法被越来 越多地用于相互作用的研究。 v有限元法是应用最广、最有效的数值方法，可以处 理各种复杂的情况，并且由于其通用性强、有大量 的商业程序，易于为用户掌握，因而可以用于许多 复杂的土与结构相互作用问题的研究。 21 三、高层建筑结构的抗震设计理 论 3.3 高层建筑结构-桩-土动力相互作用 v近年来，同济大学、湖南大学、南京工业大学、武 汉大学和天津大学等都已进行了土-结相互作用的振 动台模型试验，获得了丰富的试验数据，并进行了 有限元分析与试验的对照分析。 v主要研究成果有：（1）土层中无限远边界的模拟； （2）高层建筑结构-地基相互作用体系的三阶段振 动台模型试验；（3）高层建筑结构地基相互作用 体系振动台模型试验的计算机模拟分析；（4）考虑 高层建筑结
