高层建筑结构概述

高层建筑结构设计讲授者：余佳力2013.09第1章高层建筑结构概述本章内容1.1高层建筑的一般概念1.2高层建筑结构的特点1.3高层建筑结构的发展1.4高层建筑结构分析方法1.5本课程的教学内容和要求1.1高层建筑的一般概念1.高层建筑的范围（我国标准）：习惯上，1～2层称低层；3～9层称多层；10层及以上称高层防火规范（GB50016—2006）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（JGJ3-2010）规定10层及10层以上，或房屋高度超过28m的住宅和高度超过24m的其他建筑为高层建筑对钢结构房屋,《抗震规范》GB50011-2010规定的抗震措施，一般以50m为界区分。所以习惯上称超过50m为高层建筑2.高层建筑的范围（其他国家）：美国7层以上或H＞22~25m；英国H＞24.3m；法国住宅H＞50m，其他H＞28m；德国H＞22m；日本H＞31m（11层）；比利时H＞25m；俄罗斯住宅10层及以上，其他7层以上3.高层建筑的分类：第一类高层建筑：9~16层（最高到50m）第二类高层建筑：17~25层（最高到75m）第三类高层建筑：26~40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）4.高层建筑的优缺点优点：集中人员、提高土地利用率减小城市通勤压力节省市政投资缺点：造价高、管理复杂对周边环境影响大（通风、采光、无线电通讯等）发生灾害时的疏通、逃生不易，损失大1.2高层建筑结构的特点1.2.1荷载效应①轴向力—主要由垂直荷载qv引起：N=qvHB/h∝H②底部倾覆力矩—主要由水平荷载qH引起：M=0.5qHH2∝H2③顶点水平位移—主要由水平荷载qH引起：Δ=qHH4/8EI∝H41.2.2受力特点①水平荷载为主导作用(风荷载、地震作用)②水平侧移作为结构设计的控制指标1.2.3设计要求（1）较大的承载力（2）较大的刚度保证正常使用防止装修损坏防止主体结构开裂防止过大附加内力导致建筑物倒塌（3）稳定和抗倾覆（4）抗震概念设计1.3高层建筑的发展概况1.3.1古代高层建筑：塔木结构、砖结构纪念性建筑实用空间小墙壁厚度大高度限制1.3.2现代高层建筑：发展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（第二次世界大战以后～现在）1.酝酿成形期（整个19世纪）1884～1986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。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PARKROW大厦，30层，高118m，钢结构•这一时期高层建筑的特点是：①采用传统材料，截面尺寸大，延性差②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EmpireStateBuilding(帝国大厦)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：①钢结构的大量采用，使建筑的层数、高度大增②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)数量迅速增加，层数、高度大幅度提高建成年份建筑名称层数高度结构形式1972纽约世贸中心110412~417m钢结构1974芝加哥希尔斯大厦110443m钢结构1990平壤柳京饭店101319.8m钢筋混凝土结构1993香港中环大厦75368m钢筋混凝土结构2003台北101金融大厦101508m钢筋混凝土结构2009迪拜塔800m+钢筋混凝土结构结构体系新颖多变，建筑材料丰富多彩①筒体结构：框架—筒体结构；筒中筒结构(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)②悬挂结构：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)③巨型结构：新加坡华侨银行(巨型框架)；香港中国银行(巨型桁架)，72层，368m④应力蒙皮结构：美国费城OneMellon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100m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起步较晚、发展迅速年代建筑物名称层数高度结构形式1950s北京民族饭店1247.4m装配式框架-剪力墙结构1960s广州宾馆2788m现浇剪力墙结构1970s广州白云宾馆33114m现浇剪力墙结构1980s广州国际大厦63200m北京京广中心大厦53208m1990s深圳地王大厦81325m钢-混凝土组合结构上海金茂大厦88421m钢-混凝土组合结构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142.我国高层建筑发展的几个特点（1）层数增多，高度加大至1986年，我国建成100m以上的高层建筑14幢至1990年，我国建成100m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（2）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（3）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（4）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最近几年，一些更新颖的结构型式已经得到应用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（5）钢结构高层建筑兴建1984年以前建成的近千幢高层建筑结构中，没有采用钢结构1985年以后，陆续兴建了一些钢结构高层建筑预计，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（6）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（JGJ3-2002）》、《高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）》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哈利法塔162层，828m，2010年建成台北101大厦101层，508m，2004年建成上海环球金融中心101层，492m，2007年建成香港九龙站第7期102层，480m，2007年建成吉隆坡佩特钠斯大厦88层，452m，1996年建成芝加哥西尔斯大厦108层，443m，1974年建成，钢结构上海金茂大厦88层，421m，1998年建成，钢——混凝土组合结构香港国际金融中心88层，415m，2003年建成1.3.4高层建筑发展展望1.酝酿高度上的突破俄罗斯莫斯科“俄罗斯大厦”，高648米，115层日本“DIB---200”大厦，高800米，200层日本空中城1000（又名千禧大厦），高1000米，200层；外形为圆锥形，地面直径为400米，顶端直径为160米；在这栋建筑就业的人有10万人，居住的人有3.5万人，宛如一座小城市已制定工程计划的高度大于1000米的高楼美国休斯顿高1500米、500层的“超级”摩天大楼，能容纳一个中等城市的人口美国芝加哥高1609米、528层的“超级”摩天大楼，能容纳13万人日本东京“航空城邦2001”，高2001米，500层；居住人口为14万人，就业人口为30万人，有效面积为1100万平方米日本“TRY---2004”，高2004米；外形像金字塔，每条底边长350米；可容纳100万人英国“摩天城市”，850层，可居住50万人日本X---CEED4000，高4000米，是迄今为止已知最高的；它的外形像富士山，工程期为30年。它的内部面积为5000至7000公顷，可居住50-70万人，就业人口可达30万至50万人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应用•巨型组合柱的应用（上海金茂大厦已经采用）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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5.耗能减震技术的应用将得到发展1.4高层建筑结构分析方法手算为基础的近似计算方法杆件为单元的矩阵位移法结构分析通用程序高层建筑的专用程序结构的动力分析手算为基础的近似计算方法计算机条件有限结构体系为三大常规体系框架结构：竖向荷载——分层计算法水平荷载——D值法剪力墙结构：划分剪力墙种类，材料力学（整体墙）或连续化方法（联肢墙）框架剪力墙结构合并框架和剪力墙，按弹性地基梁的概念计算以杆件为单元的矩阵位移法将各构件简化为杆件利用结构力学的矩阵位移法进行求解矩阵位移法本身计算值是精确值但确定计算简图时，杆件单元有时并不能完全真实反映构件的受力变形状况，特别是剪力墙简化为杆件有时候并不合理结构分析通用程序sap系列，ANSYS，ANDINA，ABAQUES等矩阵位移法——线性方程组求解空间（平面）块体——弹性力学方法分析——偏微分方程组——有限单元法求解（有限差分法、边界单元法、离散单元法）三大模块：前处理有限元计算后处理高