高层结构设计及案例分析

高层建筑结构设计及案例分析一、概述二、高层建筑结构的特点三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状四、高层建筑结构今后发展方向五、工程实例一、概述-高层建筑结构的发展过程高层建筑进入一个飞速发展的阶段目前正处于改革开放以来高层建筑发展的第二个高潮除北京、上海、深圳、广州等沿海城市外，内地其它大、中城市（包括贵阳）高层建筑也在迅速发展1972年在纽约建造了世界贸易中心大楼(WorldTradeCenterTowers)，110层，高402m，钢结构。2001年发生911事件被炸毁。目前，世界上最高的建筑为阿拉伯联合酋长国的迪拜塔，162层，总高度828米。2004年开始动工，2010年1月正式投入使用，由韩国三星公司负责营造。第二名台北101大楼2004年建成，共101层，楼高509米（塔尖60米）。第三名上海环球金融中心，地上101层，492米高。马来西亚双塔楼：（排名第4、5）88层，452米，框—筒结构，1998年建成。第六名芝加哥西尔斯大厦，108层，442米高，是美国最高的建筑。第七名上海金茂大厦，88层，420.5米高。国内目前建成的上海环球金融中心，地上101层，地下3层，高492m。是中国目前第一高楼、世界第三高楼、世界最高的平顶式大楼。（2008年竣工）上海金茂大厦，88层，结构高度为365m(塔尖420.5m，1998)，国内第二，世界第七。上海环球金融大厦，101层，采用钢-混凝土混合结构，在1997年设计并完成桩基施工的基础上加高至492m。外形基本规则，底面为58m的正方形，在一个对角线上立面为弧形金字塔，另一个对角线上立面为矩形，但在427m以上开设了一个直径53m的大圆洞。结构按7度乙类建筑设防，外框筒采用巨型柱、巨型斜撑和周边桁架组成的巨型斜撑框架结构；核心筒在340m以下采用混凝土结构，并在260m以上由接近方形转换为哑铃形，按特一级要求采取抗震措施，在340m以上为钢斜撑筒体结构：内外筒之间设三道三个层高的伸臂桁架加强。结构受风力控制，采用ETABS、SAP2000、SATWE等四个软件计算，小震作用下两个方向的层间位移分别为1／1200和1／960，风力下的层间位移分别为1／560和1／900。整个结构按设防烈度墙体、柱和斜撑不屈服设计，内筒墙体控制罕遇地震下的剪应力。并通过国家级审查。徐培福教授介绍：要求加强顶部结构的抗扭能力，调整内筒混凝土墙体转换的结构布置和构造，对伸臂桁架的数量做进一步研究，并通过时程分析、推覆计算（静力弹塑性分析）和模型试验进一步明确抗震薄弱部位，采取相应措施。二、高层建筑结构的特点随着层数和高度的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载。高层建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其所采用的结构体系密切相关。不同的结构体系，适用于不同的层数、高度和功能。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。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)内力或位移=f(H4)M=f(H2)N=f(H)H结构内力、位移与高度H的关系高层建筑结构体系框架框架－剪力墙剪力墙、底层大空间剪力墙框筒和筒体(包括筒中筒与成束筒)巨型结构及悬挑结构框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构，框架形成可灵活布置的建筑空间，具有较大的室内空间，使用较方便。由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；剪切型变形，即层间侧移随着层数的增加而减小；框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。在水平力作用下，框架的侧移变形有两部分组成：（１）、梁柱弯曲变形使框架结构产生侧移，一般情况下，梁、柱都有反弯点，下部层间变形大，上部变形小；侧移曲线表现为剪切型（图2-1）。（２）、柱的轴向变形也使框架结构产生侧移，为弯曲形，上部层间变形大。两侧移以前者为主，因而框架结构的侧移曲线表现为剪切型。q剪切型变形剪切型变形利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；剪力墙结构体系主要缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。当剪力墙的高宽比较大时，是一个受弯为主的悬臂墙，侧向变形是弯曲型，即层间侧移随着层数的增加而增大。剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用。因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑。在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲形，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。Δq弯曲型变形示意图在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架—筒体结构体系。框架—剪力墙（筒体）结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏，这样无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑，目前在我国得到广泛的应用。单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现。巨型结构一般由两级结构组成。第一级结构超越楼层划分，形成跨若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架）或巨型桁架杆件（超级桁架），以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载，楼面作为第二级结构，只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上。常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构。不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适合应用的高度也不同。一般说来，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况；框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。超高层建筑框架－筒体结构筒中筒结构框架－支撑体系《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002规定：钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度和高宽比应分为A级和B级。目前A级高度的钢筋混凝土高层建筑应用最为广泛。超过A级高度的为B级，B级的高度和高宽比大，但抗震等级、计算和构造措施则更为严格。结构高宽比不宜超过B级。超过B级时，专门审查，补充多方面计算分析，必要时结构试验，采取专门的加强构造措施。A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架-剪力墙14013012010050剪力墙全部落地剪力墙15014012010060部分框支剪力墙13012010080不应采用筒体框架-核心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱-剪力墙70403530不应采用B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度(m)结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度框架-剪力墙170160140120剪力墙全部落地剪力墙180170150130部分框支剪力墙150140120100筒体框架-核心筒220210180140筒中筒300280230170高层建筑结构的特点1、结构高度不断增加业主或开发商通过高度（体量）显示实力，建筑高度成为追求目标，为了争取第一（地区、国内甚至世界），各地高层建筑高度不断增加。2、结构体型复杂，平面、立面多样化3、高层以钢筋混凝土结构为主，但钢－混凝土混合（组合）结构应用较多（尤其是超高层）高层建筑结构的特点各地已建成的：上海金茂大厦：88层，高420.5m，7度抗震设防深圳地王大厦：81层，高325m，7度抗震设防广州中信广场：80层，高322m，7度抗震设防北京京广中心：200m，8度抗震设防贵州饭店:30层,100m,7度抗震设防贵阳目前在建的最高53层,228m7度抗震设防高层建筑结构的特点平面与立面形状呈多样化——为了体现个性、追求新颖，使高层建筑的平面、立面体型均极其特殊，结构的复杂程度和不规则程度为国内外前所未有为结构设计带来极大挑战高层建筑结构的特点平面与立面形状呈多样化平面形状矩形、方形、八角形、多边形、扇形、圆形、棱形、弧形、Y形、L形等高层建筑结构的特点平面与立面形状呈多样化立面各种类型转换外挑、内收大底盘多塔楼连体建筑、立面开大洞等复杂体型的建筑CCTV大楼CCTV大楼沈阳方圆大厦沈阳房地产交易中心上海明天广场上海证券大厦深大科技楼北京新保利大厦上海世茂国际广场复杂体型住宅高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构应用国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主；而根据我国国情，高层以钢筋混凝土为主；高层、超高层建筑以钢-混凝土的混合（组合,含型钢混凝土、钢管混凝土)结构应用居多。高层建筑结构的特点钢筋混凝土结构应用绝大部分的高层建筑以框—剪结构、剪力墙结构为主，如大量的公建、住宅个别超高层建筑也采用钢筋混凝土结构，如广州中信广场，80层，高322m广州中信广场高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构体系特点可以发挥钢和混凝土两种材料各自的优势，既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构应用上海环球金融中心：RC核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱，101层，高492m，7度抗震设防上海环球金融中心高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构应用金茂大厦：RC核心筒+外框型钢混凝土柱及钢柱，88层，高420m，7度抗震设防高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构应用地王大厦：RC核心筒+外钢框架，81层，高325m，7度抗震设防高层建筑结构的特点钢－混凝土混合（组合）结构应用大连国贸中心：RC核心筒+方钢管混凝土柱78层，高度341m，7度抗震设防大连国贸中心大厦大连国贸中心大厦高层建筑结构的特点钢-混凝土混合（组合）结构应用70层深圳赛格广场，外框采用钢管混凝土，7度抗震设防深圳赛格广场北京国贸三期钢-混凝土混合（组合）结构应用北京国际贸易中心三期塔楼，筒中筒结构，外部为型钢混凝土框筒，内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体73层，高度316.6m，8度抗震设防北京国贸三期三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状结构设计分析手段研究工作三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状我国是一个多地震的国家，大部分高层建筑所在地区恰巧又是地震活动较为频繁的地区。高层建筑集中的沿海地区(如上海、深圳)，基本风压也较大。因此高层建筑大多要考虑抗震、抗风问题。三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状近几年，国内陆续颁布了新修编的设计规范、规程。与高层建筑整体结构方案布置、内力调整、构造措施密切相关的规范、规程主要有：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）。三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状吸收了我国的工程经验和研究成果吸收了近几年国内外震害的经验教训借鉴参考了国外相关规程、规范的内容新修订的规范、规程一定程度上提高了结构的安全度三、我国高层建筑结构设计及研究工作现状根据近几年国内外的几次震害经验教训，上述规范及规程特别加强了对结构方案布置的宏观指标控制要求，如结构的规则性要求。进一步加强了抗震构