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高层建筑结构和结构设计案例 天津国土资源和房屋职业学院井云 一 高层建筑的定义 高层建筑是一种它的高度强烈地影响其规划 设计 构造和使用的建筑 高层建筑是一种它的高度产生不同于某一时期某一区域的 普通 建筑所具有条件的建筑 就结构特征而论 高层建筑可以定义为必须着重考虑侧向荷载和重力荷载组合影响的建筑物 二 高层建筑结构体系 按受力情况区分 承受重力的结构体系 包括承受所有楼层 含屋顶层 重力荷载的楼屋盖 以及将这些重力荷载传给地基的柱 墙 基础等 承受侧力的结构体系 包括承受所有侧向荷载的框架 墙体 撑系结构等 承受侧力结构系统影响因素有 1 侧向设计荷载 主要是风荷载和水平地震作用 2 使用形式 单用途或多种用途 3 使用标准 侧移控制值 摇晃感觉等 4 建筑尺度 建筑物的长宽比 结构的高宽比等 5 建筑形式 指建筑外形 如棱柱形 锥形 圆筒形 阶梯形等 6 地基的土层分布和地质 地下水情况 以及相应基础形式 7 地区耐火等级的考虑 8 材料的选择及其供应和价格 9 施工方式 方法的取用 10 抗震设防要求和震后维修的需要 按使用材料区分为 钢结构和钢筋混凝土结构钢结构 1 框架结构体系 即刚性连接的梁柱体系 它的侧向刚度小 一般来说这种结构体系的有效性只限于中层建筑结构 2 框架剪力桁架结构体系 兼有框架和抗侧力桁架的结构体系 后者围绕核心区设置 大部分由侧向荷载产生的剪力由后者承受 3 框筒结构体系 围绕建筑物四周设置密柱深梁形成有洞口的筒体结构 它能在很大程度上增加建筑物的抗倾覆能力 且对室内空间布置的影响最小 4 成束筒结构体系 将几个单独筒体捆束在一起形成的结构体系 它能在很大程度上减小简体的剪力滞后效应 太大加强结构的抗侧向荷载能力 5 对角支撑筒体结构体系 在外框筒结构上增加交叉斜支撑形成的结构体系 它利用结构杆件的轴向承载力和剐度来传递侧向荷载和重力荷载 因而有效性很高 它还能使外筒的柱间距变宽 加大窗洞面积 6 空间桁架结构体系 由三维空问桁架组成的结构体系 它有很大的侧向剐度 它所承受的重力荷载和侧向荷载都会通过桁架结构寻找自己传给角柱的途径 因而角柱所需的截面往往较大 7 内部对角支撑桁架结构体系 它实际上也是一种空间桁架结构体系 由4片巨型桁架组成 每片桁架占有建筑物全宽 这些桁架的弦杆构成建筑物的外立柱 钢结构高层建筑各种结构体系可能达到的楼层高度 钢筋混凝土结构1 框架结构体系 同前 但由钢筋混凝土材料做成 中高层的办公楼结构往往采用这种结构体系 2 剪力墙结构体系 利用建筑墙体作为竖向承重和抵抗侧向荷载的结构 高层住宅结构多采用这种结构体系 3 框架一剪力墙结构体系 兼有钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两种结构的体系 前者抗侧向荷载的能力弱但有平面布置灵活 立面处理易于变化等优点 后者相反 两者结合可取长补短 是钢筋混凝土高层建筑中应用面最广的结构体系 4 框筒 同前 但由钢筋混凝土材料做成 此外还可以做成内筒外框 即核心区为钢筋混凝土筒体 主要用它承受侧向荷载 核心区以外设置钢筋混凝土框架 用它承受楼盖的重力荷载 5 筒中筒结构体系 由钢筋混凝土内外两简体组成 但要使钢筋混凝土外框筒与用剪力墙组成的实腹内筒结合 共同承受侧向荷载 内外筒之间不再设柱 6 成束筒结构体系 同前 但由钢筋混凝土材料做成 7 内填支撑筒结构体系 类似钢结构中的对角支撑简体结构体系 但斜向支撑是由在框架的不同区格内填满钢筋混凝土墙板后形成的 每层楼要堵满一个窗洞口 在外立面上形成斜支撑 8 巨型柱一核心墙结构体系 将巨型柱 一般采用钢材和钢筋混凝土的组合柱 和钢筋混凝土内筒连系 形成巨型空间框架结构 它有着显著的承受侧向荷载的能力 钢筋混凝土 组合结构采用钢材和钢筋混凝土做成的混合结构体系 既有钢材和混凝土各自的优点 如钢材安装简便 施工速度快 混凝土在提供刚性方面更为有效等 还能减低振动荷载对高层建筑结构的影响 当前已有3种通用的结构体系得到很好的发展 1 在一个钢结构高层建筑中设置钢筋混凝土核心剪力墙 也称核心筒 筒内设置房屋的服务部分如电梯 设备间等 应用它抵抗水平荷载 2 外筒体的密柱深梁采用型钢和混凝土的组合构件 内框架采用钢材 3 混合竖向体系 即建筑物中下部采用钢筋混粘土结构 上部采用钢结构 上海金茂大厦的结构体系就是这种混合竖向体系 三 高层建筑结构受力特征 1 高层建筑结构 可以设想成为一个从其自身地基上升起的竖向悬臂构件 承受着水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用 1 对抗弯曲说 该建筑物的结构系统必须做到 1 不会使建筑物发生倾覆 2 其支承体系 如柱或墙 的某些部位不致被压碎 压屈或拉断 3 其弯曲侧移 和下述剪切侧移的总和 不应超过弹性可恢复极限 2 对抗剪切说 该建筑物的结构系统必须做到 1 不会使建筑物被剪断 2 其剪切侧移 和上述弯曲侧移的总和 不应超过弹性可恢复极限 3 对地基和基础说 该建筑结构系统的各支承点之间不应发生过大的不均匀变形 而且其地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力 并不致引起水平滑移 4 风力和水平地震作用使得建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态 导致建筑物中的人员有振动的感觉 产生不舒适感 如果建筑物晃动得太厉害 还会使非结构的构配件断裂 甚至可能危及屋外行人安全 所以 高层建筑结构必须避免发生过大振动 2 从比较中看高层建筑特点 根据上述对比 可见高层建筑物有以下特点 1 在水平力作用下 其主要承重构件承受着较大的轴力 弯矩和水平剪力 其顶端有较大的侧移 其层间有较大的相对位移 其地基不但在不大的面积上承受着巨大的压力 而且承受着巨大的水平剪力 2 决定高层建筑结构主要受力和变形性能的 是它的主要承重竖向结构体系中的构件 它们材料用量肯定比相应建筑面积的低 中层建筑物要多 3 高层建筑结构的每层楼盖都应起到水平刚性隔板的作用 使得在水平力作用下各层竖向承重构件都能共同工作而不是单独地工作 由此看来 高层建筑结构的有效性和经济性取决于3个因素的作用 A 设置能有效抵抗水平力的结构体系 如设置有很大侧向刚度的剪力墙 框筒 对角支撑筒体乃至巨型柱一核心墙等 也可增加底部结构体系的有效支承长度 以减小结构高宽比 B 将楼盖结构做得经济合理 因为楼盖结构要重复n次 为高层建筑的楼层数 应用 C 采用适宜的基础和地下室结构 如采用桩基础 箱形基础等以加大地基的承压能力 减小不均匀沉降量 同时还要设置有足够深度的地下室 利用其侧壁对土压力的侧向抗力和其基底的抗剪力 来承受高层建筑传递给地基土层的侧向荷载 减少建筑物的整体倾斜 3 高层建筑的风荷载 1 考虑风振系数的风荷载和重力荷载共同作用下结构体系的强度 剐度和稳定性要求 2 起伏的风荷载可能对结构整体和连接以及小构件等引起动力波动荷载和产生疲劳 3 过度的侧向位移 可能引起隔墙 外墙的开裂 机械系统的失调 门的不闭合或产生永久变形 4 引起住户不舒适的摇摆频率和幅度以及听觉上的干扰 5 对电梯运行的影响 6 高层建筑周围的近风气候对路上行人的影响 4 高层建筑承受的地震作用 高层建筑所在地区实际发生的地震运动有可能大于预计的 因而在抗震设计中除结构反应分析外 一个很重要的问题是处理好抗震构造 1 建筑平面的设计目标是使建筑物对称于两个轴线 必要时要放置防震缝 将平面非对称的结构用防震缝分开 2 选用合理的抗侧力结构体系 将柱 墙 桁架类构件结合成整体的体系或单元 也可采用两种结构体系的组合 称为双重支承结构体系 注意结构体系的布置 使它们的刚度中心 即结构体系所受水平剪力的台力作用点 接近整个建筑物的质量中心 即建筑物所受水平力的合力作用点 若两者相距甚远 会产生沿建筑高度分布的扭转效应 它们在设计计算时是不能忽略的 3 楼盖结构在水平地震作用下像一个水平深梁 楼板是它的腹板可以抵抗水平力产生的剪力 周边裙梁或墙是它的翼缘可以抵抗水平力产生的弯矩 设计高层建筑的楼盖要注意以下问题 1 必须有整体性 2 要有能将楼盖中的力传递给抗侧力结构构件中去的构造措施 3 要注意楼盖平面内楼梯间 电梯 天窗等洞口的位置及其周围的构造做法 4 地震运动引起基础间的相对运动是引起高层建筑震害的重要原因 因此要减小高层建筑基础各部分之间以及基础和上部结构之间相对变形的可能性 5 注意做好地震的减灾技术 5 高层建筑结构中力的传递路线 不同结构体系中二维竖向平面结构的传力路线 立柱倾斜时的受力特点 底层柱间距有变化时的结构布置 高层建筑的剪力墙抗剪切体系和斜腹杆抗剪切体系 高层建筑的有斜腹杆和水平腹杆的支撑抗剪切体系 高层建筑中的刚接框架 高层建筑中的刚接框架 香港中国银行大楼 总平面图 香港中国银行外立面 平面示意图 平面示意图 香港汇丰银行大楼香港汇丰银行立面 13 28层平面示意图 美国世界贸易中心 美国芝加哥西尔斯大厦 西尔斯大厦立面效果 较低楼层标准平面 西尔斯标准空中大厅楼层平面 西尔斯较高楼层标准平面 西尔斯顶层平面 西尔斯大厦成束筒横截面在侧向荷载作用下各立柱受力和剪切滞后效应 西尔斯大厦筒壁构件单元组合情况 美国纽约帝国大厦 约翰 汉考克中心 约翰 汉考克中心底层平面 约翰 汉考克中心顶层平面 高效能高层建筑结构 高效能高层建筑结构 高效能高层建筑结构 高效能高层建筑结构 短陀大梁平面 短陀大梁A A剖面示意 短陀大梁空腹桁架分析模型立面平面 短陀大梁分析模型局部详图平面 米格林 拜耳特大厦模型及剖面 米格林 拜耳特大厦标准平面 组合剪力墙结构有钢梁的联肢剪力墙立面 组合剪力墙结构有钢板组合剪力墙剖面 深圳地王商业大厦第117层平面 施工中的深圳地王商业大厦上海金茂大厦外貌 上海金茂大厦剖面和结构体系和标准层示意 核心筒外伸桁架体系受侧向荷载后的变形情况 核心筒外伸桁架体系受侧向荷载和反力偶作用下的复