高层建筑的一般知识及结构类型教材汇编.doc

高层建筑的一般知识及结构类型教材汇编第一章 高层建筑的一般知识第一节 高层建筑的定义高层建筑与单多层建筑的区别在于其层数多、高度大。联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会曾经将9层和9层以上的建筑定义为高层建筑，并建议按建筑高度将高层建筑分为四类：第一类：916层（最高到50m）；第二类：1725层（最高到75m）；第三类：2640层（最高到100m）；第四类：40层以上（高度在100m以上，为超高层建筑）。尽管如此，一些国家根据建筑类别、材料品种以及防火要求等因素，对高层建筑的层数或高度界线有自己的规定，表1-1所示为国外部分国家对高层建筑起始高度的规定情况。表1-1 国外部分国家对高层建筑起始高度的规定国名起始高度前苏联住宅为10层及10层以上，其他建筑为7层及7层以上美国2225m，或7层以上法国住宅为8层及8层以上，或31m英国24.3m日本11层，31m德国22m（从室内地面起）比利时25m（从室外地面起）我国对高层建筑的界线规定如下：1、我国高层民用建筑设计防火规范第1.0.3条规定高层民用建筑包括：十层及十层以上的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）；建筑高度超过24m的公共建筑。2、民用建筑设计通则中第1.0.5条规定民用建筑高度与层数的划分：一、住宅建筑按层数划分为：13为低层；46为多层；79为中高层；10层以上为高层。二、公共建筑及综合性建筑总高度超过24m者为高层（不包括高度超过24m单层主体建筑）。三、建筑物高度超过100m时，不论住宅或公共建筑均为超高层。3、高层建筑混凝土结构技术规程规定为十层及十层以上或房屋高度超过28m的民用建筑结构。4、高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程规定为十层及十层以上或房屋高度超过28m的高层建筑钢-混凝土混合结构。结构设计一般以十层或房屋高度超过28m为界限。十层及十层以上或房屋高度超过28m的建筑结构为高层建筑，十层以下除单层以外的其他建筑结构为多层建筑。超过100m为超高层建筑。第二节 高层建筑的优点我国高层建筑的自行设计和建造，最初只是在北京、上海和广州等少数几座大城市开始。而如今在全国各地，各大、中、小城市及城镇都建成了或正在建造大量的高层房屋建筑。目前每年以数千万平方米面积的速度在发展。可以说高层建筑房屋已在全国普及。与单多层建筑相比，高层建筑具有以下突出的优点：1、占地面积小，节约建设用地随着生产的发展，经济的繁荣，城市人口将迅速增加。城市人口的迅速增长，带动了住宅、商店、办公楼、旅店等各种生产性建筑和生活性建筑的飞速发展，而城市的范围不可能随人口发展速度一样扩大，因此，城市的地价日渐提高。高层建筑朝高空发展可以少占用地面面积，因而节省了城市建设用地。同时，高层建筑的容量达，各种设施比较完备，便于人们交往。2、城市道路及各种管线设施的长度缩短，节约了城市基础设施的总投资由于建筑物向高空方向发展，城市的布置可以比较紧凑，范围可以有效控制，城市道路和给水排水管网、煤气管道、供电电缆、电话和有线电视等的线路长度可以缩短，因而可以节约大量的城市基础设施的总投资。3、城市的面貌得到改变建筑是建筑师和各工种设计与施工人员劳动的结晶。歌德说：建筑是凝固的音乐。一幢好的建筑不单是一幢建筑物，而且是一尊工艺品，给人以美的享受。高层建筑以其高度和体量给人以宏伟的感觉，加之建筑师巧妙的造型设计和各种装饰材料的运用，使其更为壮观。高层建筑直插云霄使城市呈现出现代化风貌。由于建造高层建筑需要有较大的投资和需要运用较高的科学技术手段以及现代化的设备，因此它又是一个国家或地区经济繁荣和科技进步的标志。第三节 高层建筑设计中的问题1、要求外形美观，平面和空间划分合理，能与周围环境相协调建筑设计是一种创作。它需要遵循一些基本的原则，但是没有固定的模式与形式。千篇一律的基座、塔身、尖顶的三段式以及方盒子、大裙房，只能给人以单调乏味的感觉。在进行建筑设计时，应力图使所设计的高层建筑做到造型新颖，外型简洁，色彩调和，与周围的建筑群体和自然环境协调一致，使其给人以美的享受。2、对结构的安全与稳定性有更高的要求任何建筑结构的安全与稳定性问题都必须得到保证，不允许发生倾斜、破坏或倒塌。但是，对于单层或多层建筑而言，由于它所受到的荷载较小，高度又不大，其安全与稳定问题比较容易得到保证。高层建筑的情况则不同。对高层建筑而言，由于其高度较大，所受竖向何水平荷载都很大，如果设计时考虑不周或处理不当，容易使建筑物发生倾斜、破坏或倒塌。地震对高层建筑的不利影响更加严重，在地震区设计建造高层建筑时，对结构的安全与稳定性问题更应加以重视。3、要按防火规范要求进行防火设计高层建筑的使用功能复杂，煤气、电气设备等引发火灾的因素很多，各种易燃的合成材料也很多，加之人员比较集中，管理工作难度较大，稍有不慎便可能失火，也有极少数是人为的纵火。高层建筑一旦失火，烟雾和火势将沿着楼梯间、电梯间、各种电气井、管道井和通风管道迅速蔓延到其它各层。人员疏散和灭火工作的困难程度将随着房屋高度的增加而加大。历史上由于高层建筑失火造成生命财产损失的教训是屡见不鲜的。对高层旅馆失火时死亡人数和死亡原因的分析和统计表明，有50%左右的人是由于失火时浓烟中的一氧化碳中毒或窒息而死。因此，高层建筑的防火和防烟问题一定要满足有关规定。4、要设置电梯高层建筑中采用楼梯作为人和物上下的主要垂直运输通道是不合适的。高层建筑中应以电梯作为主要的垂直运输工具，楼梯只是辅助性工具。高层建筑中设置楼梯的主要目的是：1）作为下面几层人员的垂直交通设施；2）作为上面相邻楼层间人员的垂直交通设施；3）作为火灾、停电等紧急情况下的疏散通道。电梯的设置应以方便、安全和经济为标准。目前国际上没有统一的电梯设置数量的计算方法。一些国家以电梯运行的高峰时刻乘客等候电梯时间的平均值作为衡量电梯设置数量是否合适的标准，而且不同国家由于经济水平的不同，衡量的标准也不一致。例如，美国认为在住宅中等候电梯的时间以不超过60s较理想，不超过75s时尚可接受，不超过90s时则较差，超过120s时便不可接受。英国和日本规定可接受的时间在60s-90s之间。我国目前还没有对此作出明确规定。5、要按建筑电气设计技术要求进行防雷设计危害建筑物的雷电是由带电的云层对地面建筑物放电所引起的。放电时，电流可达几十万安，电压可达几百万伏，温度可达2万，在几个微妙的时间内，可以使周围的空气通道烧成白热而猛烈膨胀，并出现耀眼的光亮和巨响，即所谓的闪电和打雷。雷电可以直接打击在建筑物上，称为直接雷击。直接雷击一般发生在建筑物顶部的突出部分和高层建筑的侧面，造成建筑物破坏。雷电也可以打击在架空线路或金属管道上，雷电波将沿着这些管线侵入到建筑物内部，危及人身和设备安全。高层建筑由于高度大，电器设备种类较多，遭雷击的可能性较大。有资料表明，高层建筑中每年每人受雷击的概率是5.510-7，而在高楼中因火灾死亡的概率低于受雷击死亡的概率。因此，高层建筑的避雷装置不可忽视。我国建筑电气设计技术规程（JGJ16）中，根据建筑物的重要性将防雷等级分为三类，对每类防雷等级建筑的防雷要求作了具体规定。6、要保证水、电的供应高层建筑使用功能复杂，人员集中，高度大，对水、电的需求量大。高层建筑的用水可分为生活用水和消防用水，有时还有生产给水系统。生活用水包括厨房用水和卫生间用水。消防用水包括消火栓气体消防、自动喷淋消防、泡沫消防用水。生产用水包括集中空调冷凝水、锅炉房用水以及其他生产工艺所需用水。高层建筑高度大，对自来水公司的要求较高。有时当城市给水管网的供水压力不能满足供水要求时，还需在高层建筑中设置水泵房进行加压。高层建筑中除有给水系统以外，还有排水系统。高层建筑污水管线长，有时不能直接通至房屋底部，因此要注意排水通畅，防止堵塞和臭气外泄。高层建筑中给水和排水管道的数量多、直径大，进行建筑设计时要给它们留出足够的位置，并且要使检修方便。高层建筑的电源分为常用电源和备用电源。常用电源一般都由城市输电网供应，备用电源可以由城市中或城郊另一供电电源供应，也可以是高层建筑中的自备电源。设立备用电源的目的，是要保证当常用电源断电时，高层建筑中的电梯、照明、消防水泵、消防电梯以及其他安全系统能照常运行。7、要求采用现代化的施工机械设备和先进的施工技术高层建筑施工前，施工单位应密切配合设计单位，结合施工技术装备及施工工艺对结构方案、构造处理等进行全面考虑，以保证质量、方便施工和有利于提高综合效益。用于施工吊装和垂直运输的机械要有足够的高度和覆盖面积，以保证施工的顺利进行。混凝土宜采用混凝土泵输送。在基础施工过程中，要注意基坑的支护、地下水位的降低以及基础工程的各项质量要求。高层建筑的测量放线应保证主轴线放线准确，楼层标高符合设计要求，层间标高、垂直度等偏差不超过规范要求。8、要求的投资较大高层建筑投资较大的原因有以下几个方面：1)体量大、总的建筑面积多；2）荷载大，要求的结构构件截面尺寸较大，材料用量较多；3）需要设置电梯以及水加压、空调、防火、防雷和供电等设备；4）装修的标准通常都比较高。一般高层建筑无论从总的投资以及单体造价上都比单层和多层建筑高。有资料表明，高层建筑的造价比多层建筑的造价一般要增加50%-80%。高层建筑虽然要求的投资大，造价高，但是在节约用地以及综合经济效益方面所表现出的经济效果则是相当显著的。因此，在确定高层建筑繁荣方案时，应该权衡各方面的因素，合理地选择建筑物的层数与高度。高层建筑的总投资中，土建费、装修费和设备费之间所占的比例随建筑的用途、高度等不同而不同，而且随着经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，设备费和装修费所占的比例会愈来愈大。我国目前高层综合性建筑的总费用中，设备费约占40%，装修费约占30%，土建费约占30%。有的资料表明，在美国，土建费一般只占高层建筑总费用的12%-15%。第四节 高层建筑结构的特点一、水平荷载成为决定因素在较低楼房中，往往是以重力荷载为代表的竖向荷载控制着结构设计；在较高楼房中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性作用。随着楼房层数的增多，水平荷载愈益成为结构设计的控制因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中所引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值；而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。在高楼结构中，竖向荷载在竖构件中引起的轴力N(图1-1），水平荷载q对结构产生的倾覆力矩M（图1-1），与房屋高度H存在着如下关系式。竖向荷载 水平均布荷载 水平倒三角形荷载 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。二、轴向变形不容忽视1、对连续梁弯矩的影响采用框架体系和框-墙体系的高楼中，框架的中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值增大（图）。在图中，a图表示未考虑各柱差异压缩时梁的弯矩分布，b图表示各柱差异压缩后梁的实际弯矩分布。在较低楼房中，因为柱的总高度较小，此种效应不显著，所以未曾考虑过。2、对预制下料长度的影响在高楼中尤其是特高楼房中，柱的负载很重，柱的总高度又很大，整根柱在重力荷载下的轴向变形有时达到数百毫米，对建筑物的楼面标高产生不可忽视的影响。因此在预制构件制作时，应根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。美国休斯顿的75层得克萨斯商业大厦，采用型钢混混凝土墙和钢柱组成的混合结构体系。据计算，中心钢柱由于负荷面积大，截面尺寸小，重力荷载下的轴向压缩变形，要比型钢混混凝土剪力墙多260mm，这就要求该钢柱在下料时总共要加长260mm，并需逐层加以调整。3、对构件剪力和位移的影响楼层平面如图2-3所示的某17层框-墙体系楼房，在水平荷载作用下，采用同一个矩阵位移法程序，按考虑与不考虑竖向杆件轴向变形（由倾覆力矩引起）的两种方法，分别计算其剪力和位移。对比计算结果表明，与考虑竖杆件轴向变形的剪力相比较，不考虑竖杆件轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30%以上；结构顶点侧移减小一半以上，具体数值分别列于图2-3和表2-1中。三、侧移成为控制指标与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大。从下式中可以看出，结构顶点侧移与建筑高度H的四次方成正比。水平均布荷载 水平倒三角形荷载 为直观起见，将上式表达的荷载效应与建筑物高度的关系示于下图。从图中可见，随着建筑物高度的增大，位移增加最快。设计高楼结构时，不仅要求结构具有足够的强度，还要求结构具有足够的抗推刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内。这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：1、结构在阵风作用下的振动加速度超过0.015g时，就会影响楼房内使用人员的正常工作与生活。从关系式=A（2f）又可以看出，当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度与结构侧移幅值A成正比，因此侧移幅值的大小成为关键因素。2、过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。3、高楼的重心位置较高，过大的侧向变形使结构因p-效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。四、结构延性是重要设计指标相对于低层建筑而言，高层建筑结构相对较柔，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。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。结构的延性一般是指结构破坏时的变形与结构屈服时的变形的比值。它反映了结构塑性变形（非弹性变形）能力的大小。对于地震作用，利用结构的塑性变形能力来抵抗（吸收）地震作用的能量，就可以降低地震作用在结构上所产生的效应。五、高层房屋中结构设计与其他专业设计关系更为密切由于高层房屋由开始的单一用途的房屋，如住宅、办公楼旅馆等向多种功能的房屋发展，甚至有的已成为一个综合使用系统，例如芝加哥110层的西尔斯大厦。大厦的电力系统可为15万人口的城市服务，空调设备可冷却6千户住房，有102部电梯，组成垂直和水平向德三维交通网络，这许多电梯相当与一条条有尽端的街道系统。空中电梯间好似广场，人们在其中既可以乘直达的双层快速电梯从大楼的这一部分到另一部分，也可乘局部的，低速区间电梯到任何别的空中电梯间。大楼内还设置所有必须的服务行业和福利设施，从理论上讲，人们一生可一直生活在大楼里。大楼的附属设施能解决如购物、宴会、卫生、教育、安全、运输、停车、公用事业、垃圾和污水处理等所有问题，它就相当与一个小城市。这样规模的大楼成为城市中的城市。设计这样复杂的综合使用体系，结构不仅仅只是与建筑、设备、水、电等专业的配合，而是要求同几乎所有专业密切配合、协调和统一。设计中还需要系统分析社会的、生态的、经济的和政治的错综复杂的关系。第二章 高层建筑的结构类型高层建筑结构的类别常采用两种方法进行分类，一种方法是根据主要结构所用的材料或不同材料的组合进行分类，由此可将结构划分为各种类型和类别；另一种是根据抗侧力结构的力学模型及其受力特性进行分类，由此可将结构划分为各种结构体系和类别。第一节 结构类型的分类一、多高层房屋的各种结构类型多高层房屋的结构类型主要有：钢结构、钢筋混凝土结构，同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构等三种类型。1、钢结构钢材具有强度高、自重轻、延性好、抗震性能好、易加工制作和施工速度快等优点。所以高层钢结构是许多国家广为采用的高层建筑结构类型。特别是在一些发达国家和地区，大多数的高层建筑都是采用钢结构的。由于钢结构具有以上优良的力学特性和施工优点，所以在高层建筑中，钢结构的建造层数及总高度，均可高于钢筋混凝土结构。设计中对水平位移的限值条件，钢结构比钢筋混凝土结构也可宽一些。在钢结构的高层建筑中，为了跟主体结构工业化施工的高速度同步，以及适应主体结构在地震作用下产生较大的层间位移，所以围护外墙、内部隔断等一些次要结构应具备高度轻质化、装配化，以及要与主体做成可动连接等特点。但是高层钢结构于钢筋混凝土结构相比也有其不足之处：其用钢量大、造价高、需经常维修、耐火性能差。所以在我国，一般仅在层数较多、高度较大且抗震要求较高的高层建筑中采用钢结构。2、钢筋混凝土结构钢筋棍凝土结构具有较高的强度，良好的结构刚度，很好的耐火性和可模性，且材料来源丰富、用钢量省、造价低等优点。只要经过合理设计，可获得较好的抗震性能。它所表现出来的重量大、抗裂性能差、施工速度慢和木模耗用量大等缺点，正在不断被轻质高强混凝土、预应力混凝土及工业化施工技术所克服和改进。在发展中国家和我国，钢筋混凝土结构是高层建筑的主要类型。3、钢和钢筋混凝土的混合结构在当前发展趋势中，更为合理的是同时采用钢和混凝土材料的组合结构。这种结构类型可以使以上两种材料互相取长补短，取得结构性能优良而又经济合理的效果。目前有以下几种组合方式：一是用结构型钢加强钢筋混凝土构件。把型钢放在构件内部，外部由钢筋混凝土做成，称之为钢骨（型钢）钢筋混凝土，也称为劲性钢筋混凝土。这样既充分利用外包混凝土的刚度、耐火性能和耐久性能，又充分利用钢骨减少构件截面、减轻自重和改善了其抗震性能。现在应用较为普遍。二是钢管混凝土组合结构。钢管混凝土结构（简称CFT结构）是指在钢管内填充素混凝土所形成的组合结构，由钢管和混凝土组成。根据钢管的截面形式的不同，主要可以分为圆钢管混凝土结构、矩形钢管混凝土结构等。这种结构具有承载力高、延性好、耗能容量大、钢板薄、用钢量少、耐火性能好、施工简单等优点，是目前应用最为普遍的结构类型。三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。这种结构多数情况下是用钢筋混凝土做筒或剪力墙，用钢做框架。上述结构类型中，除钢筋混凝土结构外，其余均可归属于高层建筑钢结构范围。在实际工程设计中，对上述四种结构类型常结合工程的具体情况在进行组合，也可在一同工程中对一些主要抗侧力构件采用不同的材料，形成派生的多种结构类型。注：组合结构与混合结构的区别所谓组合结构，其实更准确的讲应该是组合构件，就是有多种材料组合在一起共同承受外力的构件。如我们常见的型钢混凝土梁、柱，钢-混凝土组合梁，钢管混凝土柱等，这些构件都是由两种材料，钢和混凝土组成的，充分发挥了不同材料的长处。所以我们为明确区分，将构件层次的组合称为组合构件，或称为组合结构。严格来讲，钢筋混凝土构件也是一种组合构件，但因其应用的广泛与成熟，往往被人们排除在组合构件之外了。所谓混合结构，就是由不同材料的构件共同组成的结构，如砖与混凝土混合而成的砖混结构，钢（或其他组合构件）与钢筋混凝土组成的钢-混凝土混合结构。第二节 确定结构类型的基本要素高层建筑采用的结构类型可分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-混凝土混合结构等类型。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。在较低的楼房中，水平荷载处于次要地位，结构的负荷，主要是以重力荷载为代表的竖向荷载。由于较低楼房的层数较少，建筑总重较小，对结构材料的强度要求不高，因而在结构类型的选择上比较灵活，制约的条件较少。高楼结构则不同，层数多，总重大，每个竖向构件所负担的重力荷载很大，而且水平荷载又在竖构件中引起较大的弯矩、水平剪力和倾覆力矩。为使竖向构件的结构面积在使用面积中所占的比例不致过大，要求材料具有较高的抗压、抗弯和抗剪强度。对位于地震区的高楼结构，还要求结构材料具有足够的延性，这就使得强度低、延性差的砌体结构，在高楼中的应用受到很大的限制。不过，在砌体内配筋，即采用配筋砌体结构，可以提高砌体的抗震能力，扩大砌体结构在高楼中的应用范围。层数较多的高楼，就需要采用钢筋混凝土结构，层数更多的特高楼房则宜采用钢结构、钢-混凝土混合结构或型钢混凝土结构为宜。概括起来，结构材料具有匀质、高强、轻量、良延等性质，是选定高楼结构类型的基本要素。第三节 钢结构、钢管砼结构、钢骨砼结构及钢-砼混合结构的应用我国的高层建筑结构，以前主要采用钢筋混凝土结构，这既符合我国国情，可适应使用要求和降低工程造价，也符合规范关于适用高度的规定。目前，随着经济的发展、技术的进步，高层建筑钢结构的优点日益显露出来，不足之处正在减退。从用钢量、面积利用系数、基础费用、工期等多方面的综合经济效益来看，在高层建筑这一领域，钢结构与钢筋混凝土结构的差距正在缩小，即使在我国当前的经济和技术条件下，高层建筑钢结构也存在着较大、较快发展的可能。同时对于建于抗震设防区的超高层建筑，由于国内外对钢筋混凝土结构的实践经验还较少，因此在考虑结构方案时，主要关注钢结构、钢管混凝土结构和钢骨混凝土结构等方案是符合当前技术条件的，而且这类结构还有其他方面的优点。现就高层建中钢结构、钢管混凝土结构、钢骨混凝土结构及钢-混凝土混合结构等四类结构的主要优缺点作一初略分析。一、高层建筑钢结构1、主要优点1.1抗震性能优于钢筋混凝土结构相对于钢材来说，混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，延性也差，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低。钢材基本上属各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，更重要的是它具有良好的延性。在地震作用下，钢结构因有良好的延性，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震变形的能力。1.2减轻结构自重，降低基础工程造价一般钢筋混凝土框-剪结构和框架-筒体结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙，内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为1517KN/m2，其中梁板柱及剪力墙等结构的自重约为1012KN/m2。相同条件下采用钢结构时，全部重力荷载约为1012KN/m2，其中钢结构和混凝土楼板的结构自重约为56KN/m2。由上述可知，两类结构的结构自重比例为2：1，全部重力荷载的比例约为1.5：1，这相当于75层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于50层高的钢筋混凝土结构高层建筑。荷载值得很大差异，相应的地震作用数值也大为减小，基础荷载大为减轻，基础技术处理的难度，以及基础工程造价等均将受到很大影响。1.3减少建筑中结构所占的面积对于3040层的钢筋混凝土结构的高层建筑建于地震区时，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值而达到1.8m1.8m2.0m2.0m，核芯筒在底部的壁厚将达到0.6m0.8m,以符合结构抗侧刚度和层间位移的要求，这两项结构面积约为建筑楼层面积的7%。如采用钢结构，柱截面大为减小，核芯筒采用钢柱及钢支撑时，包括它外侧的装修做法，其厚度仍比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑楼层面积的3%，比钢筋混凝土结构可减少约4%，这对投资方来说，将产生不小的经济效益。1.4施工周期短钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，然后在现场安装。钢构件安装时，一般不搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行。钢筋混凝土结构除钢筋可在车间内下料外，大量的支模、钢筋绑扎和混凝土浇筑等工作均需在现场进行。因此，钢结构的施工速度常可快于钢筋混凝土结构约20%30%，相应的施工周期也缩短，能早日投入使用，使投资方在经济效益上获得早回报。2、存在的主要问题2.1钢结构的耐火性能差钢结构是不耐火的结构。钢结构在火灾烈焰下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350及500时，其强度可分别下降30%及50%，至600时结构完全丧失承载能力，变形迅速增大，导致结构倒塌。因此，相关规范规定对钢结构中的梁、柱、职称及作承重用的压型钢板等要采用喷涂防火涂料保护。2.2造价高。根据我国某些高层建筑钢结构的经济分析，对于50层左右的高层建筑钢结构，考虑综合经济效益后，采用钢结构与采用钢筋混凝土结构，两者的工程投资基本上持平。层数再多，钢结构将显现出更加经济。二、钢管混凝土结构钢管混凝土结构由于在钢管内填充了混凝土，结构性能有了较大的改善，填充的混凝土具有改善柱子的强度、刚度以及变形性能的效果，特别是在反复荷载作用下能够改善结构的抗震性能，是一种组合结构。钢管混凝土柱中的钢管由于混凝土的约束效应能够抑制钢管的局部屈曲，以及改善局部屈曲后的性能。反之，由于钢管的约束效应，能够提高混凝土的强度，改善延性。由于承载力高，延性好，钢管混凝土柱对轴压比可不做限制，通过控制管内混凝土承担系数限值来保证。1、主要优点1.1高强混凝土可以安全地使用高强混凝土。钢管内的混凝土已成为一种改性混凝土，由于钢管的约束，使脆性的高强混凝土变成延性材料，从而可以安全地用于地震地区的高层建筑。1.2截面小受压、受剪承载力高，而且轴压比不受限制，可以减小柱的截面尺寸，减少结构占用面积，建筑有效使用面积得以相应增大。框架柱截面尺寸的减小，还可以减少短柱的出现。并能减轻建筑自重，降低软弱地基上的基础造价。1.3耗能多钢管混凝土结构的延性高、耗能容量大，耐震性能好，若因地震遭到损坏，修复、加固构造也简单。1.4钢板薄高层建筑钢结构的构件钢板厚度多为6080mm，需要采用厚度方向性能优良的钢板，焊接要求也高；若采用钢管混凝土结构，钢板厚度多为14-40mm,用以卷制钢管的钢板厚度多在25mm以下，加工和焊接均较简易。1.5混凝土级差不限框架梁与柱的混凝土不必连续浇灌，两者混凝土强度等级的差别也不受限制，柱可以采用更高强度等级的混凝土，而不必相应提高梁的混凝土强度等级。1.6耐火性好混凝土的比热远大于钢材。火灾时，管内混凝土能够吸收较多的热量，使钢管表面温度降低，耐火时间延长，从而节省防火涂料。1.7混凝土后期强度高钢管相当于管内混凝土的永久性模板，可以防止混凝土中水分的逸散，有利于混凝土后期强度的提高，并减小混凝土的收缩和徐变。1.8减小竖构件压缩差采用“混凝土芯筒钢框架”混合结构体系的高楼，由于外圈框架钢柱截面尺寸小，竖向压缩变形大，混凝土芯筒与钢柱之间较大的压缩差，给结构带来不利影响。若采用钢管混凝土柱取代钢柱，可以显著减小芯筒与框架柱的竖向变形差。1.9施工方便钢管兼有纵向钢筋和箍筋的功能，管内无需设置钢筋骨架，便于混凝土的浇灌，而且有利于采用先进的泵灌顶升混凝土工艺。此外，钢管可取代模板，简化施工工序，加快施工进度。1.10逆作业法施工对于多层地下室的深基坑，钢管混凝土柱还有利于地下楼层的逆作业法施工和兼作深基坑的自支护系统。大楼地上结构和地下结构可以同时施工，从而使大楼能提前使用，增加经济效益。2、与钢结构相比的优势2.1钢管内灌混凝土增加了结构的阻尼及结构的刚度。2.2可减薄钢板厚度，截面可以做的比较伸展。钢板减薄后，可以大大降低了焊接工作量和制造安装的难度，材料采购容易，造价低；同时由于钢管的重量小，也大大减轻了运输和吊装的难度。2.3用钢量比钢结构少。由于柱子内加入了混凝土，柱子用钢量一般较钢结构要少20-60%。2.4防火性能比钢结构好。火灾时，由于钢管内比热较大的混凝土能吸收较多的热量，从而使钢结构的耐火极限时间延长，为抗火而增加的保护材料比钢柱少。截面越大少的越多，与钢结构相比，达到相同耐火极限，矩形钢管混凝土构件可节约防火涂料60%以上。2.5可以增强节点域的承载能力与刚度。3、与型钢混凝土结构相比的优势3.1一般情况下，钢管混凝土柱中的钢管用量与型钢混凝土结构中的型钢用量差不多；并且由于矩形钢管混凝土柱截面是将钢材放在柱的最外侧，使钢材能够比较容易发挥其强度，并且不控制轴压比，所以能够减小柱的截面。3.2结构节点连接简单，节点处不需要穿钢筋，便于制造安装，节省工期。3.3省去了绑扎钢筋、支模、拆模等工序，同时也不必担心浇混凝土时发生漏浆现象，施工方便，并且施工质量比较容易保证。另外，对于地下室结构还可以采用逆作业法施工，进一步缩短工期。一般来说矩形钢管混凝土结构具有与钢结构相同的施工速度。3.4能减轻结构自重，降低基础工程造价，减小地震作用；柱截面可减小，从而减少建筑中结构所占的面积。4、矩形钢管与圆钢管混凝土结构相比的优势4.1具有较强的抗弯能力；4.2节点制作与连接方便；4.3有利于建筑师的设计。三、钢骨混凝土结构国内外高层建筑中，完整地对梁、柱、支撑及剪力墙等均采用钢骨混凝土的工程实例尚属很少，它主要用于下列情况：1、作为上部钢结构向下的过渡层。上部钢结构通过钢骨混凝土结构向下部钢筋混凝土结构过渡时，不仅在构造上较为方便，更主要的是使结构传力特性、结构延性和结构刚度方面起到具有连续性及缓变的作用。2、作为与地下室或裙房结构的连接层。工程中层数不多的地下室或裙房结构常采用钢筋混凝土结构，当其与高层部分的结构相连而不设缝时，如高层部分在地下室或裙房结构高度范围内采用钢钢骨混凝土结构，则两者之间的连接是较为方便的。3、提高下部几层的侧向刚度。高层建筑的下部几层，由于建筑设计要设置门厅、中厅和其他公共的建筑用房，其层高约为上部标准层层高的1.5-2倍，由此导致上下层侧向刚度突变，层间位移也有较多的增大，但如在这些部位采用钢骨混凝土结构，则对此将有所改善。4、提高下部几层的防火能力。一般高层建筑的下部几层为公共的建筑用房，地下室又为机电设备和车库等用房，如采用钢骨混凝土结构，则可更好的适应这类用房的防火要求。5、用作钢-混凝土混合结构的外框架柱或外筒结构的柱子。1、主要优点1.1可用作良好的结构过渡层。1.2造价低于钢结构，防火、防腐能力高于钢结构。钢骨混凝土柱可发挥混凝土的受压强度，截面小于钢筋混凝土柱，用钢量小于钢柱，相应的可降低造价。钢骨混凝土有很好的防火能力，可避免采用昂贵的防火涂料。钢骨混凝土柱比钢柱便于建筑装修。1.3延性优于钢筋混凝土结构，刚度大于钢结构。钢骨混凝土与钢筋混凝土的阻尼比基本相等，但延性有一定程度的提高，滞回曲线丰满些。由于钢骨混凝土柱截面大于钢柱，相应的刚度也大。1.4施工速度可快于钢筋混凝土结构。2、存在的主要问题2.1钢骨混凝土梁柱的连接构造复杂已建的高层建筑中，在标准层部位采用钢管混凝土柱及剪力墙时，很少采用钢骨混凝土框架梁及次梁。其原因有三：一是梁柱连接构造复杂；二是未能减小梁的截面高度，从而不能增加建筑楼层的有效净高；三是影响施工速度。采用钢管混凝土框架梁时，该梁的上下层纵向钢筋要穿越十字形钢骨柱在两个方向上的腹板，梁柱节点处柱箍筋要穿越柱侧2-4根钢骨梁的腹板，构造很复杂。尤其是框架梁柱非正交连接时，不仅十字形钢骨柱为一异形截面，而且在柱腹板上要留斜向穿筋孔，施工相当困难。主次梁连接时，次梁下筋要与主梁的连接板焊接。2.2钢骨混凝土梁影响压型钢板的采用高层建筑钢结构之所以能快速施工，原因之一在于采用无需支模的压型钢板上浇筑混凝土楼板的方法。但是，当采用钢骨混凝土梁时，就难以采用压型钢板的做法，需要对梁自身和混凝土楼板支模施工，而且梁柱节点处要穿筋，从而减慢了施工速度，甚至与钢筋混凝土结构的施工速度相近。四、高层建筑钢-混凝土混合结构1、主要优点1.1侧向刚度大于钢结构钢-混凝土混合结构由于采用钢筋混凝土剪力墙或核芯筒作为主要抗侧力结构，其侧向刚度大于一般钢结构，相应的水平位移也小，这在一些工程实例中已得到证实。1.2结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间如上所述，根据我国国情，钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构。钢-混凝土混合结构钢材用量小于钢结构，又可节省部分防火涂料费用，因此，钢-混凝土混合结构的造价基本介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。1.3施工速度比钢筋混凝土结构有所加快钢-混凝土混合结构的施工特点，是常将混凝土核芯筒安排先行施工，随后将筒体施工进度也安排快于周边钢结构的安装，同时在钢-混凝土混合结构中的梁、柱采用钢结构，楼板结构采用在压型钢板上浇筑混凝土。因此，钢-混凝土混合结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构，施工周期也可缩短些。1.4结构面积小于钢筋混凝土结构由于采用钢柱，相应的柱截面小于钢筋混凝土柱，也由于钢-混凝土混合结构中钢柱承担较小的水平剪力，其截面甚至可小于钢结构中的柱子，故与钢筋混凝土结构相比较，可减小柱子所占用的建筑面积，便于使用。1.5发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用近年来，国内部分钢-混凝土混合结构工程中已采用钢管混凝土柱，如深圳的地王大厦和赛格广场大厦，分别采用矩形截面及圆形截面的钢管混凝土柱。由于采用了这种柱，即提高了柱的承载力，又提高了柱的抗推刚度和相应的结构侧向刚度，也有利于提高柱的防火能力。赛格广场大厦采用圆形截面钢管混凝土柱后，避免了柱需要采用厚钢板，圆钢管最大壁厚为30mm。此外，该工程的四角为非正交的斜交柱网，相应地可简化框架中梁柱连接构造，避免箱形截面与非正交梁连接构造的复杂性。2、存在的主要问题2.1混凝土内筒的刚度退化将加大钢框架的剪力钢-混凝土混合结构中现在采用的主要结构体系为钢框架-混凝土内筒体系，其中钢筋混凝土内筒为主要抗侧力结构，钢框架主要承担重力荷载，也承担较小的水平剪力。在水平地震作用下，由于钢框架的抗推刚度远小于混凝土内筒，钢框架承担的水平剪力除顶部几层可为楼层剪力的15%20%，中部及下部约为相应楼层剪力的10%15%。在往复地震动的持续作用下，结构进入弹塑性阶段时，墙体产生裂缝后，内筒的抗推刚度大幅度降低，而钢框架由于弹性极限变形角大于混凝土内筒甚多，虽然此时水平地震作用小于弹性阶段，但钢框架仍有可能要承担比弹性阶段大得多的水平地震剪力和倾覆力矩。因此，为符合结构裂而不倒的要求，需要调整钢框架部分所承担的水平剪力，以提高钢框架的承载力，并采取措施提高混凝土内筒的延性。2.2要进一步分析研究钢-混凝土混合结构的抗震性能由于国外工程在地震区很少采用钢-混凝土混合结构，相应就缺乏这方面的震害资料，国内也无这方面的经验。为使这类结构设计完善些，有必要做一些模型试验，并进行弹塑性分析和结构抗震性能的分析研究。2.3确定适宜的层间位移限值2.4混凝土内筒的施工误差远大于钢结构钢框架-混凝土结构内筒体系中，混凝土内筒的施工进度常先于钢框架。由于支模等原因，现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏移差常大于施工规范的规定，而混凝土施工规范规定的误差限值也已大于钢结构施工规范规定甚多。当钢梁与混凝土采用预埋钢板相连接时，这些钢板埋件在平面和竖向标高的位置，不仅受混凝土墙体偏移的影响，而且受预埋件移位的影响，其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围，常需采取难以另人满意的弥补措施。因此，宜在设计上采用适应性较好的连接方法。第二章 高层建筑的结构体系结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。由前所述，可知在高层建筑中，抵抗水平作用的竖向结构体系（以下简称结构体系）成为设计的主要矛盾。通过研究分析可知高层建筑结构的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量及造价高低与所用的结构体系有着密切的关系。不同的结构体系，在提供高层建筑的层数、总高度及空间大小等方面也不相同。所以研究水平作用与结构体系的关系，选择经济而有效的结构体系便成为高层房屋结构设计中的关键问题，这在结构设计中具有战略和决定性的地位。在高层房屋建筑不断发展过程中，结构体系也经历了一个演变和发展的过程。高层建筑的结构体系总是由若干抗侧力结构单体（简称结构单体）组合而成的。目前常用的结构单体主要有框架、支撑框架、剪力墙和筒体四种。当然结构单体在高层建筑的发展过程中，随着结构工程师和科研人员的不断研究、探索、试验和运用，也在不断地改革和创新，出现一些新颖的形式。目前常用的结构体系一般可以分为如下五类：1、框架结构体系。它指所有结构单体都是框架。有时也称纯框架结构体系。2、剪力墙结构体系。它包括所有结构单体是采用各种剪力墙或壁式框架的结构体系。3、框架-剪力墙结构体系。它指在整个结构体系中，部分为框架单体和部分为剪力墙单体（或筒体）组合而成的结构体系。4、筒体结构体系。它包括单筒体系、筒中筒体系，组合筒体系（或称多束筒，成束筒）等。5、其他结构体系。除上述四类结构体系以外的结构体系。如板柱体系，悬挂结构体系，巨型框架体系等。第一节 结构单体1、框架弯曲杆系框架是由横梁和立柱组成，在多层和高层房屋中，它们形成多层多跨框架。框架可以是等跨的或不等跨的，层高相等的或不完全相等的。有时因使用和建筑上的要求会在某些局部缺柱或缺梁。对不缺柱、梁的框架我们称为规则框架。其他的称为不规则框架。2、剪力墙平面构件剪力墙是一片巨大的钢筋混凝土墙体。在高层建筑中，它的高度基本上与整个房屋相同，宽达十几米或更大，高达几十米甚至几百米，相对而言，它的厚度则很薄，一般只有几十厘米。剪力墙的横截面（即水平截面）一般是狭长的矩形。有时将纵横墙相连，则形成工字形、王字形，形或T形等。按墙面开洞的多少、大小及排列情况，又可分为整体墙、小开口整体墙、双肢墙、多肢墙、框支墙和开有不规则大洞口墙。它们的受力特点、计算模型及计算方法也各不相同。对整体墙，在垂直荷载作用下，剪力墙是一个受压薄壁柱，在水平力作用下，它则是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁。剪力墙的承载能力大，且侧移量小，其侧移曲线一般呈弯曲型，即层间相对位移ii+1，与框架相比，其抗侧刚度很大，一般称其为刚性结构。剪力墙在荷载作用下将承受轴力、弯矩和剪力，并将引起变形。由于剪力墙及其连梁的截面高度较大，所以其剪切变形的影响显著，所以对它进行内力和位移分析时，应考虑其轴向变形和剪切变形的影响。这里需要指出：作为薄壁柱和悬臂梁作用的剪力墙，各层楼盖对它的横向支撑是必不可少的，否则剪力墙将失稳。剪力墙自重大，自振周期短，因而在地震作用下会产生较大的内力。但由于其抗侧刚度大，截面大的有效工作高度大，所以可以具有较大的承载力，产生的位侧移量也小。国内外震害调查资料表明剪力墙结构的抗震能力较强，有时也称抗震墙。3、筒体立体构件筒体主要有两种形式：一种为实腹筒。它是利用电梯间、设备管井等处，四周设置剪力墙围成的筒体。另一种是空腹筒，也称框筒。它是由密排柱（柱距常为1.5m-4.0m）和高跨比很大的窗裙梁组成的密柱深梁框架，围成的多孔筒体。除此以外，少数桁架筒，即筒体四周是由桁架围成。筒体结构是一种空间受力体系。筒体可以看成固定于基础上的箱形薄壁悬臂梁。在水平力作用下，不但平行于水平力作用方向的墙体或框架（称腹板墙或腹板框架）起作用，而且垂直于水平力作用方向上的墙体或框架（称翼缘墙或翼缘框架）也共同受力。所以它比单片剪力墙或框架具有更大的承载力和抗侧刚度，同时还具有很好的抗扭刚度。但值得指出的是箱形薄壁梁与普通箱形梁的受力特点是不同的。在弯矩和剪力的共同作用下，普通箱形梁的截面变形仍保持平面。所以其截面的应力为直线分布。而箱形薄壁梁的截面变形却已不能保持平截面变形，其截面的应力为曲线分布，。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为剪力滞后。剪力滞后现象愈严重，则参与受力的翼缘墙中部受压区（或翼缘框架中部受压的柱子）受力也越少，即空间受力特性就弱。所以剪力滞后对筒体受力是不利的。设计时要尽量减少筒体的剪力滞后现象。影响筒体剪力滞后的因素很多，主要有筒体的截面形状，矩形截面的长宽比，筒体的高宽比，筒体的柱距及梁柱刚度比等。第二节 钢结构的各类结构体系一、非抗震设防和抗震设防烈度为6度至9度的高层民用建筑钢结构体系适用的最大高度应符合下表的规定。高层建筑钢结构适用的最大高度（m）结构类型6、7度（0.10g）7度（0.15g）8度9度（0.40g）（0.20g）（0.30g）框架11090907050框架-中心支撑220200180150120框架-偏心支撑（延性墙板）240220200180160筒体（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒）和巨型框架、屈曲约束支撑框架300280260240180注：1、房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）。2、超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。二、高层建筑钢结构的高宽比不宜大于下表的规定。高层建筑钢结构适用的最大高宽比烈度6、7度8度9度最大高宽比6.56.05.5注：计算高宽比的高度从室外地面算起。房屋高宽比是指房屋总高度与房屋底部顺风（地震）向的宽度的比值。它的数值的大小直接影响大结构的抗推刚度、风振加速度和抗倾覆能力。如果房屋的高宽比值较大，结构就柔，风或地震作用下的侧移就大，阵风引起的振动加速度就大、结构的抗倾覆能力就低。所以，进行高层建筑钢结构的抗风和抗震设计时，房屋的高宽比应该得到控制。一、框架体系1结构特征（一）结构体系的组成1、框架体系，是指沿房屋的纵向和横向，均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件，所形成的结构体系。2、地震区的高楼采用框架体系时，纵、横向框架梁与柱的连接，一般均采用刚性连接。某些情况下，为加大结构的延性，或防止柱在连接焊缝处脆断，也有采取半刚接连接构造。3、框架的杆件类型少，构造简单，施工周期短，对于层数不太多的楼房，框架体系是一种应用较多的结构体系，需作抗震设防的楼房，采用框架结构体系，房屋的最大高度不应超过结构最大适用高度要求。（二）变形性质1、水平荷载下框架的侧移之中，由梁、柱轴向变形所引起的侧移分量b所占比例较小，由梁、柱弯曲和剪切变形所引起的侧移分量s所占比例较大。所以、高层框架仍属于弯曲杆系。但是，就框架在水平荷载作用下总体变形所产生的侧移曲线形状