高层建筑设计论文

1、高层建筑结构设计学习报告学号：2008202100044姓名：祁林攀学院：土木建筑工程学院一、高层建筑结构概述高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有100余年的历史。由于在轻质高强材料、抗风抗震结构体系、施工技术及施工机械等方面都取得了很大进步以及计算机在设计中的应用，使得高层建筑飞速发展。城市中的高层建筑是反映整个城市经济繁荣和社会进步的重要标志。多少层的建筑或多少高度的建筑为高层建筑，不同国家有不同的规定。我国高层建筑混凝土结构技术规程规定，10层及10层以上或房屋高度超过28m的建筑物为高层。建筑物高度超过100m时，不论住宅建筑或公共建筑，均为超高层。二、高层建筑结构特点

2、2.1高层建筑结构基本特点1.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。2.动力反应不可低估；3.结构轴向变形、剪切变形以及温度、沉降的影响加剧；4.材料用量、工程造价呈抛物线关系增长。2.2高层建筑结构受力特点高层建筑结构受力特点与多层建筑结构的主要区别，是侧向力(风或地震作用)成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要 因素。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；在多层结构中，水平荷载的效应 (内力和位移)逐渐增大；而到高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。2.3高层建筑分类2.3.1 钢结构优点：强度高、韧性大、抗震性能好、易于加工，能缩

3、短现场施工工期，施工方便。缺点：用钢量大，造价很高，而且耐火性能差。2.3.2钢筋混凝土结构优点：造价较低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可以组成多种结构体系；可节省钢材，承载能力较高，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。缺点：构件断面大，占据面间大，自重大。2.3.3 组合结构优点：在钢筋混凝土结构基础上，充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能进一步减轻结构重量，提高结构延性类型：1)用钢材加强钢筋混凝土构件，包括钢骨钢筋混凝土构件和钢管钢筋混凝土构件。2)部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构，或部分采用钢骨钢筋混凝土结构。目前大多数高层建筑采用混合结构

4、，即钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的混合结构体系。框架柱多采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱，框架梁多采用型钢混凝土梁或钢梁。为加强结构承载力与抗侧刚度，混合结构中还经常采用加强层、巨型支撑、伸臂桁架等结构形式。 按照承重结构材料类型可分为钢结构与钢筋混凝土结构两种。高层钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工方便快捷等优点，但缺点是造价高、耐火性能差，大量防火涂料的使用也影响工期与造价。钢筋混凝土结构具有造价低、耐火性能好、侧向刚度大、截面形式多样等优点，缺点是构件尺寸较大、自重大、使用空间受限。三、各种高层建筑结构高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、框剪、筒体等，由它们可以

5、组成多种结构体系。主要结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构框架-核心筒结构 、束筒及巨型框架，带加强层的高层建筑结构。高层建筑的结构类型3.1框架结构主要承重构件由梁、柱组成的结构。 按施工方法不同，框架结构可分为现浇式、装配式和装配整体式三种。在地震区，多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制的方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。 优点：建筑平面布置灵活，能提供较大的室内空间（特别适用于商场、餐厅等），也可按需要隔成小房间，易于满足多功能的使用要求。建筑立面容易处理；结构自重较轻；计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。在结构受力方面，框架结构自振

6、周期长，地震反应小，经合理设计后可具有良好的延性。缺点：侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，易使填充墙开裂，并引起非结构构件的破坏。建筑高度不能过高，一般在15层以下。如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较大。受力变形特点： 框架结构的侧移一般由两部分组成： 1）水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形Us； 2）由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩）形成框架结构的整体弯曲变形Ub； 当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。框架结构受力及设

7、计要点1.全部荷载由梁柱承担；2.框架侧向变形由梁柱弯曲变形与柱轴向变形两部分组成；3.整体侧向变形呈剪切型变形；4.应设计为双向框架结构；5.隔墙应采用轻质隔墙或轻质填充材料。6.宜采用现浇混凝土楼盖。3.2剪力墙结构剪力墙结构就是利用钢筋混凝土墙体作为承受竖向、水平荷载的结构。墙体本身也可作为维护和房间分隔构件，该结构形式主要应用于高层住宅和旅馆。 受力变形特点：在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱；在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱。剪力墙结构属于刚性结构，对于高宽比较大的剪力墙，侧向变形呈弯曲型。剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。当剪力墙的高宽比

8、较大时，可视为一个受弯为主的悬臂构件，其侧向变形是弯曲型。优缺点： 优点：整体性好、刚度大、承载力高、水平荷载下的侧向变形小；房间墙面及天花板平整，层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑。（结构高度：几十米 100多米） 缺点：结构自重较大；建筑平面布置局限性大，墙体间距不能过大，平面布置不灵活，结构自重大，材料强度无法充分发挥，不能满足公共建筑使用要求。框支剪力墙结构：框支剪力墙结构将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，这种结构亦称为带转换层高层建筑结构。破坏特点：带转换层高层建筑结构在其转换层上、下层间侧向刚度发生突变，形成柔性底层或底部，在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。布置原则：在底部大

9、空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并将纵、横向墙围成筒体；另外，还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度，使上、下部侧向刚度差别尽量小。（上部可采用短肢剪力墙） 短肢剪力墙结构： 这种结构体系一般是在电梯、楼梯部位布置剪力墙形成筒体，其他部位则根据需要，在纵横墙交接处设置截面高度为2左右的、十、形截面短肢剪力墙，墙肢之间在楼面处用梁连接，并用轻质材料填充，形成使用功能及受力均较合理的短肢剪力墙结构体系。3.3框架-剪力墙结构为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框

10、架和剪力墙共同工作的结构体系。 受力变形特点：框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。 在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而下逐层增大；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐层减小。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。优点： 兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于

11、 1020 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置： 剪力墙的数量：不宜过多，以满足位移限值为宜。 剪力墙的布置：不宜过长；不宜少于3道，最好作成筒体；对称布置；在纵横向数量接近；应贯通全高，上下刚度连贯而均匀。 框架-剪力墙是指由框架和剪力墙共同承受荷载的结构体系。即保留了框架结构布置灵活、使用方便的特点，又具有剪力墙结构抗侧刚度大，抗震性能好的优点。在该结构体系中，剪力墙承担绝大部分的水平荷载，是主要抗侧力体系。框架则主要承担竖向荷载，以及少量的水平作用。框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形，而剪力墙则呈弯曲型变形，当二者通过楼盖协同工作时，变形必须协

12、调，侧向变形将呈弯剪型。根据以上分析的受力特点，框架-剪力墙结构无论是承载力还是侧向变形都较纯框架有较大的提高，剪力墙的布置原则1.剪力墙宜沿主轴方向或其它方向双向布置，墙肢截面简单规则；2.剪力墙应尽量布置在结构区段的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；3.纵、横剪力墙宜组成L、T、形等型式；4.剪力墙应贯通建筑物全高，避免刚度突变，洞口应尽量做到上下对齐；5.抗震设计时，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50；6.较长的墙肢宜开设洞口将其分成长度均匀的若干墙段，墙段之间用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于

13、2，墙肢截面高度不宜大于8m。3.4筒体结构筒体结构是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系，筒体结构可分为实腹筒、框筒和桁架筒。钢筋混凝土剪力墙围成的筒体称为实腹筒。在实腹筒的墙体上开出许多规则排列的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。如果筒体的四壁是由竖杆和斜杆形成的桁架组成，则称为桁架筒。两个以上框筒（或其它筒体）排列在一起形成的束状结构称为成束筒。例如美国西尔斯大厦就是9个框筒组成的正方形筒体。成束筒结构的刚度和承载能力比筒中筒又有提高。受力变形特点： 筒体最主要的受力特点是它的空间性能，在水平荷载作用下，筒体可

14、视为下端固定、顶端自由的悬臂构件。筒体结构具有很大的侧向刚度及水平承载力，并具有很好的抗扭刚度。 剪力滞后现象：对于框筒结构，在翼缘框架中，远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小；在腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。上述现象称为剪力滞后。产生剪力滞后现象的原因是因为框筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形，从而使柱之间的轴力传递减弱。框筒中剪力滞后现象愈严重，参与受力的翼缘框架柱愈少，空间受力性能愈弱。筒中筒结构 一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过

15、楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。框筒结构 框筒也可作为抗侧力结构单独使用。为了减小楼板和梁的跨度，在框筒中部可设置一些柱子。这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。多筒结构成束筒成束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。巨型框架 利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型框架连接，筒体与巨型梁之间即形成巨型框架。由于巨型框架的梁、柱截面很大，巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度，它的抗侧刚度比一般框架大很多。由于

16、它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。巨型框架平面宜简单、规则、对称，减少偏心，平面长度不宜过长，突出部分不宜过大，不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面。框架-核心筒结构体系 由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构叫框架核心筒结构。筒体主要承担水平荷载，框架主要承担竖向荷载。结构兼有框架结构与筒体结构两者的优，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较大的侧向刚度和水平承载力，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构类似。3.5带加强层的高层

17、建筑结构体系 带加强层的高层建筑结构体系指可沿框架核心筒结构房屋的高度方向，每隔 20 层左右，于设备层或结构转换层处，由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连，并沿外围框架设置一层楼高的带状水平梁或桁架。受力变形特点：与框架-核心筒结构相比，伸臂-核心筒结构具有更大的侧向刚度和水平承载力，从而适用于更多层数的高层建筑。其外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力，故增大了整个结构抗力偶矩的等效力臂L,另一方面设置加强层相当于在结构上施加了反力矩，它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。水平荷载和地震作用成为高层建筑的控制因素。高层结构设计不仅需要较大的承载能力，还需要较大的刚度控制水

18、平荷载作用下结构的侧向位移。控制侧向位移的原因：1）过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用；2）过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损 坏，也会使电梯轨道变形；3）过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝甚至损坏；4）过大的侧向变形会使结构产生附加内力甚至倒塌。四、高层建筑结构结构布置4.1高层建筑结构体系与布置原则 高层建筑结构体系都是空间结构体系，这类空间体系可以进一步划分为竖向结构 体系和水乎结构体系。对于高层建筑结构来说，侧向力和侧向位移是是结构设计的主 要控制因素，因此，竖向承重结构体系不但要承受与传递竖向荷载、还要抵抗侧向力的 作用，故竖向结构也称为抗侧力结构。水平结构即日常所说的

19、楼盖及屋盖结构，在高层 建筑中，楼(屋)盖结构除承受与传递楼(屋)面竖向荷载以外，还要协调各榀抗侧力结 构的变形与位移，对结构的空间整体刚度的发挥和抗震性能有直接的影响。4.2平面布置 高层建筑的结构平面布置，应有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力直接，力求均匀 对称，减少扭转的影响。1) 在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。 不应采用严重不规则的平面布置。2）高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状。对抗风有利的平面形状是简单、规则的凸平面。例如：圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面。对抗风不利的平面是有较多凹、凸的复杂平面形状，如形，形、形

20、、弧形等平面。 3）抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心；平面长度 L 不宜过长，突出部分长度 l 不宜过大；不采用角部重叠或细腰形平面图形。4)抗震设计的级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。B级高度钢筋混凝土高层建筑和混合结构高层建筑的最大适用高度较高，复杂高层建筑的竖向布置已不规则，这些结构的地震反应较大，故对其平面布置的规则性应要求更严一些。5)结构平面布置应减少扭转的影响。平面不规则、质量中心与刚度中心偏心较大和抗扭刚度太弱的结构，其震害严重。对结构的扭转效应限制结构平面布置的不规则性，避免质

21、心与刚心存在过大的偏心，另外，结构的抗扭刚度不能太弱。4.3结构竖向布置 高层建筑结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化宜均匀、连续,不应突变。竖向布置应符合下列要求：1.竖向宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收；侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化；不应采用竖向布置严重不规则的结构。2. 抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 70%或其上 相邻三层侧向刚度平均值的 80%。3.为防止结构出现 薄弱层，A 级高度高层建筑楼层层间的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的 65%；B 级高度高层建筑楼层层间的受剪承载力不宜小于其上

22、一层受剪承载力的 75%。4.抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。5.当结构上部楼层相对于下部楼层有收进、或外挑时，应满足：当上部楼层有收进，且 H1/H之比大于 0.2 时，B1宜小于B的 0.75 倍；当上部楼层有外挑时，B不宜小于上部楼 层水平尺寸B1的 0.9 倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。6.结构顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，其楼层侧向刚度和承载力与其下部楼层相 差较多，形成刚度和承载力突变，此时应进行详细的计算分析，并采取有效的构造措施。如用弹性动力时程分析进行补充计算、沿柱子全长加密箍筋、大跨度屋面构件要考虑竖向地震作用效应等。7.高层建筑设置地下室，可利用土

23、体的侧压力防止水平力作用下结构的滑移、倾覆，减轻地 震作用对上部结构的影响；还可降低地基的附加压力，提高地基的承载能力。震害经验也表明，有地下室的高层建筑，其震害明显减轻。因此，高层建筑宜设地下室，而且同一结构单元应全部设置地下室，不宜采用部分地下室，地下室应有相同的埋深。五、高层建筑结构结构防震5.1高层建筑地震震害规律5.1.1地基方面1、砂土液化引起地基不均匀沉陷，导致上部结构破坏或整体倾斜。2、在具有深厚软弱冲击土层的场地土，高层建筑的破坏率显著曾高。3、当高层建筑的基础周期与场地自振周期相近时，破坏程度因共振效应而加重。5.1.2房屋体形方面1、L形等复杂平面房屋破坏率显著增高。2、

24、有大地盘的高层建筑群房顶面与主楼相接处楼 板面积突然减小的楼层破坏程度加重。3、房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏。4、防震缝处多因缝的宽度太小而发生碰撞。5.1.3结构体系方面1、相对框架体系而言，采用“框墙体系”（框剪体系）的房屋破坏程度轻，特别有利于保护填充墙和装饰免遭破坏。2、采用“填充墙框架”体系的房屋，在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时，柱上部易发生剪切破坏，外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏。3、采用“钢筋混凝土板柱体系”的房屋，或因楼板冲切破坏，或因楼层侧移过大 柱顶、柱脚破坏，各层楼板坠落，重叠在地面上。4、采用“框托墙”体系（框支剪力墙）的房屋，相对柔弱的底层，