高层建筑结构设计：第四章 高层建筑结构设计要求

1、高层建筑结构设计要求内容提要建筑性能高层建筑结构性能安全性适用性舒适性耐久性整体性防火性环境和资源性建筑要满足的要求安全:如住宅性能评定技术标准耐久:如住宅性能评定技术标准适用:如住宅性能评定技术标准美观:经济：健康:如健康住宅建设技术要点环保:如绿色建筑评价标准 社会发展:如可持续建筑Design Objectives of Building Design Accessible: the specific needs of disabled people. Aesthetics: the physical appearance and image of building elements a

2、nd spaces . Cost-Effective: on the basis of life-cycle costs Functional/Operational:spatial needs and requirements, system performance as well as durability and efficient maintenance of building elements. Historic Preservation: preservation, rehabilitation, restoration, or reconstruction. Productive

3、: physical and psychological comfort. Secure/Safe: the physical protection of occupants and assets from man-made and natural hazards. Sustainable: environmental performance of building elements and strategies. 住宅性能评定技术标准中华人民共和国国家标准住宅适用性能 residential building applicability ：由住宅建筑本身和内部设备设施配置所决定的适合用户使用

4、的性能。住宅安全性能 residential building safety，security：住宅建筑、结构、构造、设备、设施和材料等不形成危害人身安全并有利于用户躲避灾害的性能。住宅耐久性能 residential building durability：住宅建筑工程和设备设施在一定年限内保证正常安全使用的性能。住宅环境性能 residential building environment：由住宅周围人工和自然环境所营造的外部居住条件。住宅经济性能 residential building economy：在住宅建造和使用过程中，节省和降低资源消耗的性能。 住宅性能评定指标 绿色建筑评价标

5、准 GB50378-2006用于评价住宅建筑和办公建筑、商场、宾馆等公共建筑。绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源(节能、节地、节水、节材)、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。 评价指标体系包括以下六大指标：1）节地与室外环境；2）节能与能源利用；3）节水与水资源利用；4）节材与材料资源利用;5）室内环境质量；6）运营管理（住宅建筑）、全生命周期综合性能（公共建筑）。每类指标包括控制项、一般项与优选项。按满足一般项数和优选项数的程度，绿色建筑划分为三个等级 健康住宅建设技术要点（2004年修订版）健康住宅是在满足住宅建设基本要素的基

6、础上，提升健康要素，保障居住者生理、心理、道德和社会适应等多层次的健康需求，促进住宅建设可持续发展，进一步提高住宅质量，营造出舒适、健康的居住环境。 居住环境的健康性 住区环境 住宅空间 空气环境 热环境 声环光环境 水环境 绿化环境 环境卫生健康住宅建设技术要点（2004年修订版）社会环境的健康性 住区社会功能住区心理环境健身体系保健体系公共卫生体系文化养育体系社会保险体系健康行动健康物业管理 工程结构功能要求工程结构可靠性设计统一标准GB 50153-2008 提出的结构功能要求可概括为结构的可靠性要求，包括安全性、适用性、耐久性等要求。安全性包括能承受在施工和使用时可能出现的各种作用、当

7、发生火灾时在规定的时间内可保持足够的承载力、当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时结构保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。适用性为保持良好的使用性能。耐久性为具有足够的耐久性能。提出要使结构符合可持续发展要求。建筑结构性能要求建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068-2001也指出，结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求:1 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用2 在正常使用时具有良好的工作性能3 在正常维护下具有足够的耐久性能4 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。混凝土结构的性能要求混凝土结构设计规范GB

8、 50010-2010 混凝土结构的极限状态设计应包括：1 承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或结构局部破坏而引发的连续倒塌；2 正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。要求结构方案应符合节省材料、降低能耗与保护环境的要求，体现四节一环保要求，即节能、节水、节地、节材、环保。混凝土结构的承载能力极限状态混凝土结构设计规范GB 50010-2010混凝土结构的承载能力极限状态计算应包括下列内容：1 结构构件应进行承载力（包括失稳）计算；2 直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算；3 有抗震设防要求时，应

9、进行抗震承载力计算；4 必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算；5 对于可能遭受偶然作用，且倒塌可引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。混凝土结构构件正常使用极限状态混凝土结构设计规范GB 50010-2010混凝土结构构件应根据其使用功能及外观要求，按下列规定进行正常使用极限状态的验算：1 对需要控制变形的构件，应进行变形验算；2 对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；3 对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；4 对有舒适度要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。混凝土结构耐久性设计混凝土结构设计规范GB 50010-2010混凝土结构应根据设计使用年限和环境类别

10、进行耐久性设计，耐久性设计包括下列内容：1 确定结构所处的环境类别；2 提出对混凝土材料的耐久性质量要求；3 确定构件中钢筋的混凝土保护层厚度；4 不同环境条件下耐久性技术措施；5 提出结构使用阶段检测与维护的要求。混凝土结构防连续倒塌设计混凝土结构设计规范GB 50010-2010混凝土结构防连续倒塌设计宜符合下列要求：1 采取减小偶然作用效应的措施；2 采取使重要构件及关键传力部位避免直接遭受偶然作用的措施；3 在结构容易遭受偶然作用影响的区域增加冗余约束，布置备用传力途径；4 增强疏散通道及避难空间等重要构件及关键传力部位的承载力和变形性能；5 配置贯通水平、竖向构件的钢筋，并与周边构件

11、可靠地锚固；6 设置结构缝，控制可能发生连续倒塌的范围。高层建筑结构的结构体系要求 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010，高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求： 1 应具有必要的承载能力、刚度和变形能力； 2 应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力； 3 对可能出现的薄弱部位，应采取有效的加强措施。高层建筑结构的性能指标 高层建筑结构的性能要求高层建筑结构的安全性包括了结构的承载力、连接、稳定、变形能力以及结构转变为机动体系、过大变形、倾覆、滑移及漂浮等要求。结构抗震性能设计.高层建筑结构的适用性包括了结构的变形、抗裂及裂

12、缝宽度等方面。高层建筑结构的舒适性主要是控制高层建筑结构在风荷载作用下过大的振动加速度，以免使人们感觉不舒服，甚至不能忍受。楼盖结构应具有适宜的舒适度，楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz，楼盖竖向振动加速度不超限值。高层建筑结构的耐久性是指在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。高层建筑结构的整体性是指结构的局部破坏不应导致大范围倒塌，或部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。抗连续倒塌设计.高层建筑结构的防火性：在规定的时间内可保持足够的承载力安全性 安全性涵盖了结构的承载力、连接、稳定性、变形能力、过大变形以及倾覆

13、、滑移及漂浮等方面的要求。不同结构或构件的安全性通过安全等级体现，安全等级分为一级、二级、三级。防火性能: 在规定的时间内可保持足够的承载力承载力验算/抗震调整系数连接稳定性 稳定性包括构件的稳定性和整体结构的稳定性。过大变形和过大压力都会引起结构或构件的失稳破坏。 钢筋混凝土构件采用与构件长细比相关的稳定系数修正承载力的方法。支撑杆件和钢结构梁柱构件通过长细比和细部尺寸保证整体和局部稳定。剪力墙的稳定通过墙肢厚度和长度与作用荷载等计算确定其稳定。型钢混凝土构件通过钢板的宽厚比要求满足局部稳定。 高层结构稳定性高层结构在竖向重力荷载作用下很少发生失稳，主要的危险是水平地震、风等作用下竖向重力荷

14、载产生重力二阶效应引起失稳破坏。 用刚重比可以综合反映二阶效应大小。一方面要满足最小刚重比的要求，另一方面，当刚重比在一定范围内时，要计算二阶效应对内力和位移的影响。高层结构的剪重比与刚重比和侧移限值 结构的稳定性验算框架为剪切型变形，按每层的刚重比验算结构的整体稳定剪力墙为弯曲型变形，按整体的刚重比验算结构的整体稳定 不满足整体稳定的结构，必须调整结构方案，减少结构的高宽比，调整结构布置，提高结构的整体刚度变形能力 结构的变形能力一方面要看组成构件的变形能力，另一方面看结构本身的变形能力。构件的变形能力从构件变形性质、破坏方式、材料等方面控制。通过尺寸的规定和划分，区别变形性质。控制破坏形态

15、，获得有利的延性特征。结构的变形能力从组成结构构件的布置、不同构件的比例和破坏方式进行控制。如框架的梁铰机构比柱铰机构好等。 过大变形 过大变形不仅引起稳定等问题，更会引起倒塌。过大变形主要包括弹塑性状态的侧移、薄弱层或局部变形、扭转等。高层建筑层数多、高度大，为保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小控制的一个相对指标。倾覆、滑移及漂浮 高层建筑抵抗倾覆、滑移及漂浮等的能力与高层建筑基础的埋置深度有直接关系。确定高层建筑的基础埋置深度时，应综合考虑建筑物的高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素，满足抗倾覆和抗滑移的要求。抗震设防区天然

16、土质地基上的箱形和筏形基础，其埋深不宜小于建筑物高度的/；当桩与箱基底板或筏板连接的构造符合规定时，桩箱或桩筏基础的埋置深度不宜小于建筑物高度的/。 整体倾覆验算 建筑抗震设计规范(GB 500112010)规定：在地震作用效应标准组合(各作用分项系数取1)，对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现脱离区(零应力区)；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区(零应力区) 面积不大于基础底面面积的15。高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ32010)第12.1.7条规定：对高宽比大于4的高层建筑，基础底面不宜出现零应力区；对高宽比不大于4的高层建筑，基础底而零应力区面积不应超过基础底面面积的15。适

17、用性 适用性主要是指变形、裂缝和挠度等影响正常使用的性能。过大变形会导致墙体、门窗及饰面材料开裂，电梯因轨道变形而不能正常运行，过大裂缝会导致材料开裂、外观损坏等，而过大挠度不仅影响使用，也引起内力变化危及安全。 侧移限制使用阶段位移验算 风荷载或多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的层间弹性位移； 计算楼层层高弹性层间位移角限值式中：舒适度要求高层建筑结构的舒适度 高层规程规定，高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，以满足舒适度要求，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度 不应超过下表限值。必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加

18、速度 。楼盖竖向振动加速度限值整体性 结构整体协同受力，合理分配结构中各个构件和楼层的刚度和强度，以实现结构的整体屈服机制，这可以使得整体结构的承载能力和变形能力能够得到最大程度地发挥。对于框架结构，就是要求实现“强柱弱梁”破坏机制。 构件之间的连接构造措施应能保证实现结构直至倒塌破坏仍可保持整体受力，即所有构件应发挥其预定的能力。 足够的构件延性抗震构造措施，保证结构实现整体屈服机制目标时的承载力和变形能力。结构整体的均匀控制结构整体的上下刚度均匀：上下层的侧向刚度比 -刚度比的控制 结构平面布局的合理性 ：侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系 -周期比的控制 结构的扭转效应 控制：楼层竖向

19、构件的最大水平位移和层间位移角与本楼层平均值的比 -位移比的控制 结构承担足够的地震作用 -剪重比的控制 结构薄弱层的验算和控制 -按层刚度比来判断、按楼层承载力比来判断、按楼层弹塑性层间位移角来判断 结构抗震性能设计震害及其分析- 1976年唐山地震1976年7月28日，唐山丰南地区发生了7.9级地震，唐山市市区烈度达10度，天津为8度，北京为6度强。震害及其分析- 1976年唐山地震 1、抗震设计的高层建筑不宜采用单纯框架结构，应优先考虑设有部分剪力墙的框架-剪力墙结构。 2、应当注意防震缝的设计，必须留有足够的宽度。 3、平面形状或刚度不对称，会使建筑物产生显著的扭转，震害严重。 4、凸

20、出屋面的塔楼受高振型影响，产生显著的鞭梢效应，破坏相当严重。 5、楼电梯间破坏一般都比较严重。 6、高层部分与低层部分之间的连接构造不合理，会造成严重震害。7、框架柱截面太小，箍筋不足，柱的延性与抗剪能力不够而发生剪切破坏或柱头压碎。8、由于沿竖向楼层质量与刚度变化太大，使楼层变形过分集中而产生破坏。 震害及其分析-1977年罗马尼亚地震1977年3月5日，罗马尼亚布加勒斯特附近发生7.2级地震，布加勒斯特烈度为8.5度，33座高层框架倒塌，1座11层剪力墙结构倒塌。震害及其分析-1977年罗马尼亚地震 1、体型复杂、柱子刚度相差太大的旧式高层框架破坏非常严重，在33幢倒塌的框架中占了31幢。

21、2、框架层高、开间大，加上改建时又取消了一些柱子，框架刚度太小，变形太大，使震害很容易发生。尤其在学校、博物馆、文化宫等要求大空间的公共建筑中，框架的破坏十分明显。3、布加勒斯特剪力墙住宅大部分为11层，有些高达20层，在地震中大部分完好，少量产生一些裂缝，只有一幢倒塌，也是由于整体倾覆。4、底层框支，上层剪力墙或砖混的柔性底层结构，破坏相当严重。由于上层刚度大。下层过分柔性，变形集中于底层，使底层柱脚或柱顶破坏。5、无梁楼盖结构如果不设剪力墙则抗侧刚度太低，也容易破坏。其中一座4层的无梁楼盖建筑，柱截面尺寸为700mm700mm，在地震中完全倒塌。 震害及其分析-1985年墨西哥地震 1、场

22、地覆盖层过厚，特征周期长，对刚度较小的框架结构产生严重的震害。 2、地基的稳定性问题要特别注意。这次地震中，由于沙土液化以及地基承载力不足，建筑物发生显著的沉降差，因而使构件严重破坏，其中一幢倾覆。3、框架结构破坏十分严重，主要原因是：框架柱截面小；箍筋配置不足；主筋锚固不良而拨出等。4、无梁楼盖大量破坏，主要表现为柱将楼板冲切破坏后，许多层楼板叠在一起。看来无梁楼盖柱头设置现浇柱帽非常重要。5、平面不规则建筑物产生严重的扭转振动，部分构件受力过大而破坏，角柱破坏十分明显。6、建筑物上部楼层因高振型振动而产生过大地震力而破坏。7、伸缩缝和沉降缝宽度过小，碰撞破坏的很多。8、施工质量差，混凝土强

23、度达不到，钢筋粘结力不足而拨出的很多，另外，钢筋少放、漏放，施工粗情况也加剧了地震灾害。震害及其分析-1988年亚美尼亚地震 1、下层柔性柱，上层剪力墙或砖墙的柔性底层房屋破坏很严重。2、在建筑物端部设置楼梯间，楼板有大洞口，因刚度不均匀而产生扭转；3、外纵墙门窗洞口过大，连梁尺寸太小，容易产生破坏；4、楼板与纵墙之间没有可靠连接，竖向荷载传不到纵墙上，降低纵墙的抗震能力；5、楼板与楼板之间的板缝无连接，楼板整体性差；6、墙体质量差，混凝土和砂浆强度等级太低而降低了抗震性能；7、楼板钢筋没有伸入楼面圈梁，锚固不足；8、楼板板面太光滑，没有设剪力键，因而在地震中楼板错动，整体性差；9、现浇混凝土

24、框架构件内配筋不连续；10、框架混凝土的强度太低；11、框架节点的承载力与延性不足；12、装配式柱接头上、下不对中，接头抗剪构造措施不足。震害及其分析-1995年日本阪神地震 1、许多钢筋混凝土多层框架在一层处柱子数量较少、抗震能力差，承受不了巨大的竖向地需作用而被压碎、倒塌，波及到整座建筑物下坠。2、中间部分楼层破坏是本次地震的另一个特点。许多810层框架结构在第4、5层的部分柱子被压坏，造成上部楼层下落，重叠在一起。其原因可能是中部楼层柱子截面尺寸、材料强度改变或取消了部分剪力墙，在中部楼层产生刚度或承载力突变，形成结构薄弱层。3、20世纪80年代以前建造的钢筋混凝土结构，在抗震体系布置、

25、梁柱抗震承载力和变形能力等方面，都无法抵抗1011度罕遇地震的冲击。4、剪力墙结构的抗震能力明显较优，往往只在窗间墙处产生X形裂缝，并未发生严重破坏或倒塌。5、强震下地基发生液化、不均匀沉陷，导致钢筋混凝土多、高层房屋发生整体倾斜甚至倾覆。震害及其分析-1999年台湾集集地震1999年9月21日，台湾发生了7.3级地震，震中位于南投县日月潭附近，波及台北、台中、南投等城市。这次地震中，钢筋混凝土多、高层建筑震害严重.震害及其分析-1999年台湾集集地震震害及其分析-1999年台湾集集地震震害及其分析-1999年台湾集集地震1、钢筋混凝土框架柱截面过小，混凝土强度低，轴压比过大。台北、台中许多建筑物的底层柱压碎，上部楼层坠落、重叠。2、柱子配筋较弱，箍筋偏少，而且箍筋普遍未设135弯钩，对纵向钢筋约束较弱，柱压碎处纵向钢筋几乎都散开。框架柱延性差，抗震能力弱。3、由于设置窗下墙而形成大量