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1、第一讲 高层建筑结构体系及布置1-1 高层建筑结构的发展、特点及类型一、高层建筑的发展现代高层建筑是随着城市的发展和科学技术的进步而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。现代高层建筑的发展有利于节约用地、解决住房紧张，减少市政基础设施和美化城市空间环境。从某种意义上说，现代高层建筑是现代化城市的标志。我国是高层建筑发展历史悠久的国家。我国古代建造过不少高层建筑，如公元704年在西安建造的大雁塔，高64m；公元1056年在山西应县建造的木塔，高67m。这些古老的高塔建筑经受住了几百年乃至上千年的风吹雨打，甚至若干次大地震的考验，说明我国古代在建筑设计、结构体系选择、施工技术和方法上具有很高
2、的水平。但是，我国近代高层建筑发展迟缓。从20世纪初到新中国成立，我国高层建筑甚少。我国自己设计和建造高层建筑始于20世纪50年代初。19581959年，北京的十大建筑工程推动了我国高层建筑的发展。如1959年建成的北京民族饭店，12层，高47.4m。到了60年代，我国高层建筑有了新的发展，1964年建成的北京民航大楼，15层，高60.8m；1966年建成了18层的广州人民大厦，70年代，我国高层建筑有了较大的发展，其代表性的高层建筑为：1974年建成的20层北京饭店新楼，高87.4m，是当时北京最高的建筑；1976年建成的33层、高114.1m的广州白云宾馆。与此同时，在大城市和某些中等城市
3、建成了大量的高层住宅。上海首先建成了漕溪路20幢1216层剪力墙住宅楼；北京建成了前三门高层住宅一条街，在8长的街上建造了40幢916层大模板施工的剪力墙住宅。从此，高层住宅就成为我国高层建筑中数量最多的类型。从80年代开始，我国高层建筑迅速发展，建筑层数和高度不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。仅19801983年所建的高层建筑就相当于1949年以来30多年中所建高层建筑的总和。比较有代表性的高层建筑有：北京中央彩色电视中心，主楼27层，112.7m，是当时我国8度地震区中最高的建筑（按9度设防）；上海第一家五星级宾馆静安希尔顿饭店，建筑面积69244，包括塔楼43层，总高1
4、43.6m，外形呈三角形；深圳的国际贸易中心大厦，50层，高158.65m；深圳发展中心大厦，43层，高165.3m，加上天线的高度共185.3m，这是我国第一幢大型高层钢结构建筑。广州广东国际大厦，钢筋混凝土结构，63层，高为200.2m。深圳贤成大厦钢筋混凝土筒中筒结构，塔楼为八角形平面，整个建筑61层，高218m。广州中天大厦，筒中筒结构，80层，322m高。深圳的地王大厦，81层，高325m。上海的金茂大厦，88层，高421m。在国外，现代高层建筑的发展只有110多年的历史，又以最近40多年发展较快。1883年在美国芝加哥建成11层的家庭保险大楼（Home Insurance Buil
5、ding）是近代高层建筑的开端。1931年纽约建造了著名的帝国大厦（Impire State Building），共102层，381m高，他享有“世界最高建筑”之美誉长达40年之久。20世纪50年代以后，轻质高强材料的应用，新的抗风抗震结构体系的发展，电子计算机的推广使用以及新的施工机械的涌现，才使高层建筑得到了大规模的迅速发展。1972年，纽约建造了110层，高402m的世界贸易中心（World Trade Center Twin Towers）；1973年在芝加哥又建成当时世界上最高的西尔斯大厦（Sears Tower），110层，高443m，这两幢建筑都是钢结构。目前世界上最高的建筑是1
6、996年在吉隆坡建成的石油大厦，88层，高450m，是钢与钢筋混凝土混合结构。二、高层建筑结构的特点高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载，在地震区，还要抵抗地震作用。但在较低的建筑结构中，往往竖向荷载控制着结构设计；随着建筑高度的增大，水平荷载效应逐渐增大；在高层建筑结构中，水平荷载和地震作用却起着决定性作用。荷载效应最大值（轴力、弯矩和位移）可由图1-1所示简图得到： 式中 建筑每米高度上的竖向荷载； q 水平均布荷载；H 建筑高度；El 建筑总体抗弯刚度（E 为弹性模量，l 为惯性距）。为直观起见，将式（1-1）表达的荷载效应与建筑物高度的关系示于图1-2。从图中可见，随着建筑物高度的增大，位
7、移增加最快。因此，在高层建筑结构设计时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要求有足够的刚度，使结构在水平荷载作用下产生的位移限制在一定的范围内，以保证建筑结构的正常使用和安全。另外，相对于低层建筑而言，高层建筑相对较柔，因此在地震区，高层建筑结构应具有足够的延性。也就是说，在地震作用下，结构进入弹塑性阶段后，仍具有抵抗地震作用的足够的变形能力，不致倒塌。这样可以在满足使用条件下能达到既安全又经济的设计要求。综上所述，对于高层建筑结构，抵抗水平力的设计是个关键，应该很好地理解上述特点，使所设计的结构具有足够的强度、刚度和良好的抗震性能，还要尽可能地提高材料利用率，降低材料消耗和造价。三、高层建筑
8、结构类型高层建筑采用的结构可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构等类型。根据不同结构类型的特点，正确选用材料，就成为经济合理地建造高层建筑的一个重要方面。钢筋混凝土结构具有造价较低、取材丰富、并可浇筑各种复杂断面形状，而且强度高、刚度大、耐火性和延性良好，结构布置灵活方便，可组成多种结构体系等优点，因此，在高层建筑中得到广泛应用。当前，我国的高层建筑中钢筋混凝土结构占主导地位。到目前为止，我国已建成多幢200m以上的钢筋混凝土建筑。但钢筋混凝土结构的主要缺点是构件占据面积大、自重大、施工速度慢等。例如我国广东国际大厦，63层，底层柱尺寸已达1.8m2.2m，占据了大量的空间。钢结
9、构具有强度高、构件断面小、自重轻、延性及抗震性能好等优点；钢构件易于工厂加工，施工方便，能缩短现场施工工期。近年来，随着高层建筑建造高度的增加，以及我国钢产量的大幅度增加，采用钢结构的高层建筑也不断增多。北京建成了京广中心（56层，208m）、京城大厦（52层，183m）、国际贸易中心（39层，155.25m）等高层钢结构；上海建成了锦江宾馆分馆（46层，153.53m）、国际贸易中心（37层，139m）等高层钢结构。更为合理变形的高层建筑结构为钢和钢筋混凝土相结合的组合结构和混合结构。这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理、技术性能优良的效果。组合结构是用钢材来加强钢筋混凝土构件的
10、强度，钢材放在构件内部，外部由钢筋混凝土做成，成为钢骨（或型钢）混凝土构件，也可在钢管内部填充混凝土，做成外包钢构件，成为钢管混凝土。前者可充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能，现在应用较为普遍。例如：北京的香格里拉饭店就采用了钢骨混凝土柱。混合结构是部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨混凝土结构）。多数情况下是用钢筋混凝土做筒（剪力墙），用钢材做框架梁、柱。例如：上海静安希尔顿饭店就是这种混合结构。而上海金茂大厦，是用钢筋混凝土作核心筒，外框用钢骨混凝土柱和钢柱的混合结构。1-2 高层建筑结构体系 结构体系是指结构抵抗外部作
11、用的构件总体组成的方式。在高层建筑中，抵抗水平力成为确定和设计结构体系的的关键问题。高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。一、框架结构体系框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载，也承受水平荷载的结构体系（其典型布置如图1-3）。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业室、教室等。需要时，可用隔断分隔成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙用非承重构件，可使立面设计灵活多变。框架结构可通过合理的设计，使之具有良好的抗震性能。但由于高层框架侧向刚度较小
12、，结构顶点位移和层间相对位移较大，使得非结构构件（如填充墙、建筑装饰、管道设备等）在地震时破坏较严重，这是它的主要缺点，也是限制框架高度的原因，一般控制在1015层。框架结构构件类型少，易于标准化、定型化；可以采用预制构件，也易于采用定型模板而做成现浇结构，有时还可以采用现浇柱及预制梁板的半现浇半预制结构。现浇结构的整体性好，抗震性能好，在地震区应优先采用。二、剪力墙结构体系剪力墙结构体系是利用建筑物墙体承受竖向与水平荷载，并作为建筑物的围护及房间分隔构件的结构体系（其典型布置如图1-4）。剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。它在自身平面内的刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下侧向变形小，抗震
13、性能较强。在国内外历次大地震中，剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能，且震害较轻。因此，剪力墙结构在非地震区或地震区的高层建筑中都得到了广泛的应用。在地震区15层以上的高层建筑中采用剪力墙是经济的，在非地震区采用剪力墙建造建筑物的高度可达140m。目前我国1030层的高层住宅大多采用这种结构体系。剪力墙结构采用大模板或滑升模板等先进方法施工时，施工速度很快，可节省大量的砌筑填充墙等工作量。剪力墙结构的墙间距不能太大，平面布置不灵活，难以满足公共建筑的使用要求；此外，剪力墙结构的自重也比较大。为满足旅馆布置门厅、餐厅、会议室等大面积公共房间，以及在住宅底层布置商店和公共设施的要求，可将剪力墙结构底
14、部一层或几层的部分剪力墙取消，用框架来代替，形成底部大空间剪力墙结构和大底盘、大空间剪力墙结构（图1-5）；标准层则可采用小开间或大开间结构。当把底层做成框架柱时，成为框支剪力墙结构（图1-6）。这种结构体系，由于底层柱的刚度小，上部剪力墙的刚度大，形成上下刚度突变，在地震作用下底层柱会产生很大的内力及塑性变形，致使结构破坏较重。因此，在地震区不允许完全使用这种框支剪力墙结构，而需设有部分落地剪力墙。三、框架-剪力墙结构体系框架-剪力墙结构体系是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差，水平荷载作用下的变形大，抵抗水平荷载能力较低的缺点，但又具有平面布置较灵
15、活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点；剪力墙结构则具有强度和刚度大，水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来，相互取长补短，可形成一种受力特性较好的结构体系-框架-剪力墙结构体系。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置。其典型布置如图1-7所示。框架-剪力墙结构体系在水平荷载作用下的主要特征：1在受力状态方面，框架承受的水平剪力减少及沿高度方向比较均匀，框架各层的梁、柱弯矩值降低，沿高度方向各层梁、柱弯矩的差距减少，在数值上趋于接近。2在变形状态方面，单独的剪力墙在水平荷载作用下以弯曲变形为主，位移曲线呈弯曲型；而单独的框架以剪切变形为主，位移曲线呈剪切型；当两者
16、处于同一体系，通过楼板协同工作，共同抵抗水平荷载，框架-剪力墙结构体系的变形曲线一般呈弯剪型。框架、剪力墙及框架-剪力墙结构体系的变形示意图如图1-8所示。由于上述变形和受力特点，框架-剪力墙结构的刚度和承载力较框架结构都有明显的提高，在水平荷载作用下的层间变形减小，因而减小了非结构构件的破坏。在我国，无论在地震区还是非地震区的高层建筑中，框架-剪力墙结构体系得到了广泛的应用。四、筒体结构体系筒体结构为空间受力体系。筒体的基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。用剪力墙围成的筒体称为实腹筒。在实腹筒的墙体上开出许多规则的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁
