高层建筑结构概述1

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1、武汉大学土建学院土木工程专业课程 高 层 建 筑 结 构 设 计,讲授者：何英明 2008.09,第1章 高层建筑结构概述,1.1 高层建筑的一般概念,(1)高层建筑的范围：国际标准,第一类高层建筑：916层 （最高到50m）,第二类高层建筑：1725层 （最高到75m）,第三类高层建筑：2640层 （最高到100m）,第四类高层建筑（超高层建筑）：40层以上（高度100m以上）。,(2)高层建筑的范围：我国标准,防火规范（GB50045-95）规定10层及10层以上的居住建筑、或高度超过24m的公共建筑为高层建筑；,高层规程（JGJ3-2002）规定10层及10层以上，或房屋高度超过28m的

2、为高层建筑。,习惯上，12层称低层；39层称多层；10层及以上称高层。,对钢结构房屋,抗震规范GB 50011-2001规定的抗震措施，一般以12层为界区分。所以习惯上称超过12层为高层建筑。,1.2 高层建筑结构的特点,1.2.1 荷载效应(见下图1-1),(1)轴向力主要由垂直荷载qv引起：N=qvH B/hH,(1)水平荷载为主导作用(风荷载、地震作用)；,1.2.2 受力特点(见下图1-2), 满足结构正常使用要求, 过大位移对外装修的影响, 过大位移会使主体结构产生裂缝, 过大位移会产生P效应,(2)水平侧移作为结构设计的控制指标。,(3)顶点水平位移主要由水平荷载qH引起：=qHH

3、4/8EIH4,(2)底部倾覆力矩主要由水平荷载qH引起：M=0.5qHH2H2,图1-1 结构内力、位移与高度的关系,图1-2 高层建筑结构材料用量与高度的关系,(1)高层建筑结构需要较大的承载力。,1.2.3 设计要求,(2)高层建筑结构需要较大的刚度，以满足侧移要求。,(3)抗震概念设计的重要性,防止填充墙及装修损坏；,防止主体结构开裂；,防止过大附加内力导致建筑物倒塌。,不影响正常使用；,1.3 高层建筑的发展概况,1.3.1 古代高层建筑,1.3.2 现代高层建筑（大体经历了三个时期）,(1)酝酿成形期（整个19世纪）,(2)发展成熟期（20世纪初到第二次世界大战）,(3)繁荣时期（

4、第二次世界大战以后现在）,18841986年，美国芝加哥建成家庭保险公司大楼，11层，55m，铸铁框架，该大楼被认为是的一栋现代高层建筑。,(1)酝酿成形期（整个19世纪）,1895年，奥提斯(OTIS)安全电梯首次用于美国纽约某16层宾馆。,1898年，美国建成了19世纪最高建筑纽约PARK ROW大厦，30层，高118m，钢结构。,电梯和钢结构的应用，推动了高层建筑的发展。,这一时期高层建筑的特点是：, 采用传统材料，截面尺寸大，延性差。, 现代材料开始应用。,(2)发展成熟期（20世纪初到第二次世界大战）,1931年，美国纽约建成了Empire State Building(帝国大厦)

5、钢结构，102层，高381m。该大楼保持世界最高建筑记录长达41年之久。(直到1972年美国纽约建成110层、高412m的世界贸易中心为止。),1903年，美国辛辛那提城建成INGALLS(英格尔斯大楼)16层，高度64m，首次采用钢筋混凝土结构。,这一时期高层建筑的特点是：, 钢结构的大量采用，使建筑的层数、高度大增；, 此外，钢筋混凝土结构也开始用于高层建筑中。,(3)繁荣时期(第二次世界大战以后现在),特点：新结构、新材料、新工艺不断涌现，设计理论日趋完善。,数量迅速增加，层数、高度大幅度提高。,19721973年，美国纽约世界贸易中心(南北楼)110层412417m，钢结构，打破了帝国

6、大厦41年之久的381m记录，该建筑于2001年9月11日被恐怖分子劫持的飞机撞毁，史称911事件。,1974年，美国芝加哥建成希尔斯大厦(SEARS TOWER)110层，443m，钢结构。,19901991年，朝鲜平壤市建成柳京饭店，地面以上101层，地下4层，高319.8m，是目前世界上层数最多的钢筋混凝土高层建筑。,1993年，香港建成中环大厦，75层，368M，是目前世界上最高的钢筋混凝土高层建筑。,2003年7月1日，中国台北101金融大楼结构封顶。该大楼地下5层，地上101层，高度508m ，是目前世界最高的建筑。,结构体系新颖多变，建筑材料丰富多彩。,筒体结构：框架筒体结构；筒

7、中筒结构(纽约世界贸易中心，412m)；成束筒结构(西尔斯大厦443m)；桁架筒结构(约翰考克大厦，384m)。,悬挂结构、悬挑结构：其中著名的有南非约翰内斯堡标准银行(悬挂37层)；幕尼黑广播中心(悬挂17层)等。,巨型框架结构和巨型桁架结构：其中有54层的新加坡华侨银行(巨型框架)；香港中国银行(巨型桁架)，72层，368m，1988年建成。,应力蒙皮结构：美国费城1990年建成了One Mellon银行大厦，56层，242m。,抗震设计水平大幅度提高,美国颁布了一系列抗震设计的法规，建成了地震区最高的钢筋混凝土建筑落杉矶的加利福尼亚联合银行大厦(62层，262m)。,日本在冲破31m限制

8、高度后，全力进行钢结构和型钢混凝土结构的抗震设计方法研究，建成了大批lOOm以上的高层建筑。1991年建成东京市府大厦，48层，243m，钢结构。1993年建成横滨标志大厦，71层，296m，钢结构，带阻尼减震器。,1.3.3 我国高层建筑的发展,50年代：开始自行设计和建造。如1959年建成的北京民族饭店，12层，高47.4m，装配式框架-剪力墙结构)。,60年代：有较多高层建筑建成。1968年建成的广州宾馆，27层，高88m，现浇剪力墙结构，是60年代我国建成的最高建筑。,70年代：突破100m大关。1976年在广州建成的白云宾馆，33层，高114m，现浇剪力墙结构，是以后9年中我国最高的

9、建筑。,80年代：是我国高层建筑高速度发展时期。1985年，深圳建成了50层、高158.9m的国际贸易中心大厦；1990年，广东建成高度为200m、63层的广州国际大厦；1989年，高208m、53层的北京京广中心大厦建成，成为当时全国最高的建筑。,90年代：1996年建成的深圳地王大厦，8l层、高325m，钢-混凝土组合结构，是当时全国最高建筑；1998年建成的上海金茂大厦，88层、高421m，钢-混凝土组合结构，是目前全国第一、亚洲第二、世界第四的摩天大楼。,起步较晚、发展迅速、差别不大。,(1)地位和现状,1992年，国际高层建筑与城市住宅委员会（CTBUH）发布全球100幢最高建筑，中

10、国大陆没有，当时排名第100位是美国洛杉矶的大西洋里奇菲尔德大厦，高213m，而当时中国的北京京广中心大厦最高，为208m。,1995年，该组织公布全球100幢最高建筑中，中国大陆占3席。第一，上海金茂大厦，88层、高421m，排名第4（实际第3，石油双塔楼占2席）；第二，深圳地王大厦，8l层、高325m，排名第13；第三，广州中天大厦，80层，322m，排名第14。,(2)我国高层建筑发展的几个特点,a.层数增多，高度加大,至1986年，我国建成lOOm以上的高层建筑14幢；,仅仅过了三年，至1990年，我国建成lOOm以上的高层建筑已达78幢，其中120m以上的已超过了20幢；,到1998

11、年，超过200m的高层建筑已达20幢，最高建筑上海金茂大厦达88层、高421m，排名第4。,b.平面布置和立面体型日益复杂,在80年代之前，体型大多规则，平面多为矩形，少量为L形、槽形，一般比较简单。,近年来，结构的平面形状日趋复杂，立体体型也较多外挑。,c.向多用途、多功能发展,早期多为单一用途，如高层住宅，高层旅馆、高层办公楼等；,到70年代末期，上层为住宅、下层为商店的商住楼开始在上海、北京兴建。,高层综合大厦：它的上部为旅馆、住宅；中层部分为办公用房；而下层和裙房则布置商店、餐厅、银行和娱乐设施；地下部分为停车场或地铁车站。这样在一条垂直线上就可以满足用户各种需要。例如，深圳发展中心大

12、厦(43层，160m)、广州国际大厦(63层，200m)、北京京广中心大厦(53层，208m)、京城大厦(50层，185m)等。,d.结构体系多样化,1980年以前，基本上是钢筋混凝土三大常规体系：框架结构，剪力墙结构和框架剪力墙结构。,进入80年代，筒体结构得到了广泛应用。在正建和已建成的lOOm以上高层建筑中，采用筒体结构的占60以上。,最近几年，一些更新颖的结构型式已经得到应用，如：,深圳亚洲大酒店(33层，114m)采用了巨型框架结构；,上海锦江饭店(44层，154m、钢结构)、北京京城大厦(50层，185m，钢结构)、深圳发展中心(43层，160m，钢结构)都在顶层和中部楼层设置了刚

13、性水平桁架；,广州国际大厦(63层，200m，钢筋混凝土结构)在62层，43层、22层分别设置了三道水平桁架。,e.钢结构高层建筑兴建,自1985年以后，陆续兴建了一些钢结构高层建筑。根据预测，今后高层建筑仍将以钢筋混凝土结构和钢钢筋混凝土组合结构为主。,1984年以前建成的近千幢高层建筑结构中，没有采用钢结构。,f.结构设计水平提高,自上世纪70年代开始，根据我国自己的科研成果编制了三批规范，如钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JZ102-79)、钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）、高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ

14、 99-98）等。,编制了一批适合中国国情的结构分析程序，如PKPM系列；TBSA；GSCAD；FBCAD等等。,到1998年，超过200m的高层建筑已达20幢，最高建筑上海金茂大厦达88层、高421m，排名第4。,典型建筑照片,上海金茂大厦：88层，421m，1998年建成,吉隆坡佩特钠斯大厦：88层，452m，1996年建成,际金融中心：88层，415m，2003年建成,芝加哥西尔斯大厦：108层，443m，1974年建成,台北101大厦：101层，508m，2004年建成,汉城国际商务中心：130层，512m，2008年建成,上海环球金融中心：101层，492m，2007年建成,美国芝加

15、哥阿摩珂大厦：83层，346m，1983年建成,台湾高雄东帝士大厦：85层，378m，1997年建成,台湾高雄东帝士大厦,美国纽约帝国大厦,美国纽约帝国大厦：102层，381m，1931年建成,美国纽约世界贸易中心：110层，417m，1972年建成,香港九龙站第7期：102层，480m，2007年建成,1.3.4 展望,(1)酝酿高度上的突破,(2)新材料的开发和应用,高性能混凝土材料 高强度且具有良好可焊性的厚钢板 耐火钢材FR钢,(3)组合结构高层建筑将增多,采用组合结构可以建造比混凝土结构更高的建筑。 外包混凝土组合柱的应用， 钢管混凝土组合柱应用， 外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱的

16、应用。 上海金茂大厦结构中也成功地应用了巨型组合柱。,(4)新型结构形式的应用将增多,桁架筒体已建成的香港中国银行大厦和正在筹划中的芝加哥532m高的摩天大楼方案，都采用了桁架筒体，并将全部垂直荷载传至周边结构，特别节省钢材。预计这种结构体系今后在300m以上的高层建筑中将得到更多的应用。,(5)耗能减震技术的应用将得到发展,多束筒体系已表明在适应建筑场地、丰富建筑造型、满足多种功能和减小剪力滞后等方面具有很多优点，预计今后也将扩大应用。,巨型框架体系由于其刚度大，便于在内部设置大空间，今后也将得到更多的应用。,1.4 本课程的教学内容与要求,(1)主要内容,结构的体系和布置；,结构的荷载作用及其组合；,结构的设计原则和设计方法；,结构的静力和动力分析方法以及实用简化分析方法；,结构的抗震分析和抗震设计；,框架梁、柱和剪力墙等抗侧力构件的性能和设计；,结构的节点构造和设计等。,(2)要求,了解高层建筑结构的常用结构体系、特点以及应用范围；,熟练掌握风荷载及