高层建筑结构的受力特征和结构的概念设计

1、高层建筑结构设计主 讲 人：谢 孝 副教授后勤工程学院建筑工程系结构教研室 CHAPTER Two1CHAPTER Two高层建筑结构受力特点和结构概念设计2.1 高层建筑的特点2.2 高层建筑的结构形式2.3 高层建筑的结构体系2.4 高层建筑结构体系的选择 2.5 结构总体布置 2.6 缝的设置和基础8/28/202222.1 高层建筑的特点 1、水平荷载成为决定因素说明：(1)、竖向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向构件中所引起的轴力与H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考

2、虑竖向地震作用外），水平荷载（风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。 M 均布荷载倒三角荷载轴力 N=f(H) 弯矩 M=f(H2)变形（侧移）f(H4) 公式水平荷载8/28/202232、竖向构件的轴向变形不容忽视 (1)、对连续梁弯矩的影响中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差异(2)、对预制构件下料长度影响美国休斯顿75层汉克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合体系。根据计算，中心钢柱由于受荷面积大，重力荷载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多260mm，总下料多260mm，并且要逐层调整高层建筑的特点 8/28/2

3、02242、竖向构件的轴向变形不容忽视 (3)、对构件剪力和侧移的影响一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，在高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不考虑结果相差30以上，结构顶点侧移减小一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大） 高层建筑的特点 8/28/202253、侧移成为主要控制指标之一 结构侧移已经成为高层结构设计中的关键，侧移f(H4) 要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作用下产生的侧移. 高规P30 4.6.3条规定限值（钢筋混凝土结构）层间位移 楼层层间最大位移与层高之比的限值U/h： 结构类型U/h限值框架1/550框架剪力墙、框架核心筒、板柱剪力墙1/800筒中筒 1/10

4、00框支层 1/1000高层建筑的特点 8/28/20226说明：过大的侧移使人有一种不安全感、不舒适感过大的侧移会使隔墙、围护结构以及装修损坏，使电梯轨道变形高楼重心位置较高，过大侧移使结构因P效应而产生较大的附加应力， 甚至导致恶性循环直至倒塌。 高层建筑的特点 8/28/20227高层建筑的特点 4、结构延性是重要设计指标 与较低层建筑相比，高层建筑较柔，地震作用下变形较大，为使结构在进入塑性变形阶段后仍然具有较强的变形能力，避免倒塌，需要在构件上采取恰当的措施，保证结构具有足够的延性 5、构件的基本形式 线形构件具有较大的长细比的细长构件 梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆 线性构件是组成框架

5、体系、框撑体系、框墙体系或板柱体系的基本构件 8/28/20228高层建筑的特点 平面构件具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构件 楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，结构分析中常常忽略 面构件是组成全墙体系、框墙体系、框托墙体系和叠和体系的基本构件 立体结构由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸和较小壁厚的整体筒状构件 框筒梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、抗扭刚度 立体构件是框筒体系、筒中筒体系、筒体体系、框筒束体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体系中的基本构件 8/28/202292.2 高层建筑的结构形式 结构方案选择：在满足建筑使用要求的前提下，选择结构形式、结构

6、体系和结构布置1、砖石结构缺点：自重大，强度低，抗震性能差，施工难以机械化，工人劳动强度高，工期长和结构面积大，难以用于高层房屋，国内目前砖石结构房屋只建到19层左右新型砌体结构配筋砌体 10曾以上采用， 北京（八度区）拟建30层 2、钢筋混凝土结构优点：结构强度较高，抗震性能较好，并具有良好的可塑性缺点：自重大 8/28/202210高层建筑的结构形式 3、钢结构钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够满足建筑上对大跨度、大空间的要求抗震性能优于钢筋混凝土结构：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迅速降低，钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、

7、抗拉和抗剪强度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，钢结构因良好的延性，不仅能够减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力减轻结构自重，降低基础工程造价：两类结构的结构自重的比例为2：1，荷载减小，基础处理的难度和基础工程的造价均下降减少建筑中结构所占的面积施工周期短：工厂制作，现场安装，无须大量脚手架，压型钢板可以作为混凝土楼板的永久模板，可节约20%30%的施工时间 8/28/202211高层建筑的结构形式 4、组合结构 综合钢框架与钢筋混凝土筒体，具有二者的优点侧向刚度大于钢结构结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间施工速度比钢筋混凝土结构加快结构面积小于

8、钢筋混凝土结构 发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用 结构形式选择的基本要求经济性（必要时考虑综合经济效果）技术条件（包括设计技术、施工技术等等）材料供应情况受力特点 8/28/2022122.3 高层建筑的结构体系 现代高层建筑 结构体系分类框架体系（含板柱体系）框架剪力墙体系（含框架筒体体系）剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系8/28/202213高层建筑的结构体系 结构抵抗外部作用的构件组成方式1、框架结构（由杆件梁、柱组成） 图 特点：结构布置灵活，较大的室内空间，使用方便分类：（按照施工方法） 现浇框架 装配整体式框架 装配式框架 8/28/2

9、02214高层建筑的结构体系 抗侧刚度：梁柱，但梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，限制使用高度缺点：抗震性能差，刚度较低，地震中填充墙损坏严重，修复费用高适用范围：非抗震地区和层数较少的建筑，1520层以下较适宜框架结构8/28/202215高层建筑的结构体系 框架结构8/28/202216高层建筑的结构体系 8/28/202217高层建筑的结构体系 框架结构受力变形特点8/28/20221819高层建筑的结构体系 2、剪力墙结构（纵横方向的墙体组成抗侧力体系 ） 8/28/202220剪力墙结构的平面形式21高层建筑的结构体系 剪力墙结构 特点：结构刚度很大，空间整体性好，水平荷载作用下侧向变

10、形小，用钢量较省，抗震性能好，剪力墙的间距取决于楼板跨度38m，适于小开间建筑，例如住宅、旅馆建筑，房间不外露梁柱棱角，整体美观，可以适用于较高的高层建筑缺点：自重大，基础处理要求较高，不利于布置大开间房间，不能满足公共建筑的使用要求。8/28/202222高层建筑的结构体系 解决方法： 底部大空间剪力墙结构（框支剪力墙） 底部若干层部分剪力墙取消刚度差异（限制落地剪力墙的比例和剪力墙之间的间距）转换层（板式转换和梁式转换）8/28/2022232425高层建筑的结构体系 3、框架剪力墙（筒体）结构8/28/202226高层建筑的结构体系 3、框架剪力墙（筒体）结构8/28/20222728高

11、层建筑的结构体系 3、框架剪力墙（筒体）结构特点：剪力墙（核心筒）承担大部分水平力(8090)，是主要的抗侧力构件，框架承担竖向荷载，提供较大的空间，既具有框架结构布置灵活、方便使用的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，适用于公共建筑和旅馆建筑8/28/202229高层建筑的结构体系 3、框架剪力墙（筒体）结构8/28/202230高层建筑的结构体系 （1）剪力墙数量以满足位移限制为依据设置剪力墙数量（2）剪力墙的布置及间距宜分散不宜集中满足建筑使用要求和结构刚度的要求纵横向剪力墙布置均应满足要求布置应均匀、对称、周边，使刚度中心和质量中心尽量接近，避免扭转效应剪力墙的间距不宜过大，保证楼盖

12、刚度足够剪力墙应贯通全高，结构上下刚度连贯均匀8/28/202231高层建筑的结构体系 框架筒体结构：利用剪力墙筒体作电梯、楼梯和竖向管道，便于采用钢筋混凝土内筒和钢框架的混合结构板柱剪力墙结构：剪力墙承担全部水平力，但控制板柱部分能够承担20水平力8/28/202232高层建筑的结构体系 4、筒体结构 （空间受力体系）一个或多个筒体来抵抗水平力的结构为筒体结构（筒体由剪力墙组成空间薄壁筒体或框架柱形成密柱框筒） 8/28/202233高层建筑的结构体系 4、筒体结构 （空间受力体系）（1）框筒结构：内筒承受竖向荷载，外筒承受水平荷载，柱距一般在3m以内，框筒梁比较高，开洞面积在60%以下 1

13、931年102层帝国大厦：钢框架剪力墙体系，用钢量2.06kN/m21972年110层世界贸易中心：筒中筒结构体系，用钢量1.81kN/m21974年110层西尔斯大楼：钢成束筒结构体系，用钢量1.61kN/m28/28/202234高层建筑的结构体系 （2）桁架筒结构：桁架形成的筒体，钢材，节省材料实例：芝加哥的约翰汉考克大厦，100层，用钢量1.45kN/m2 香港中国银行，钢斜撑、钢梁、钢骨组合混凝土柱的空间桁架体系.8/28/202235高层建筑的结构体系 （3）筒中筒结构： 薄壁内筒和密柱外框筒（桁架筒）组成，抗风、抗震能力好深圳国际贸易中心大厦，50层，158m，钢筋混凝土筒体，外

14、筒由钢骨混凝土和钢柱组成8/28/202236高层建筑的结构体系 广东国际大厦，63层，200m，钢筋混凝土内筒体，外筒由钢骨混凝土和钢柱组成8/28/202237高层建筑的结构体系 上海金贸大厦 框架筒体结构，共88层，高420.5米，用于办公、宾馆。8/28/202238内筒为八角形钢筋混凝土核心筒，外筒由八根复合巨型柱、8根钢柱，用钢量0.7kN/m2 上海金贸大厦8/28/202239 上海金贸大厦8/28/202240高层建筑的结构体系 筒体结构的布置原则：减少剪力滞后密柱深梁：柱中距为1.2m3.0m，横梁跨高比为2.54长宽比不宜大3，高度不宜低于60m选择合适的楼板体系，楼板具

15、有足够的刚度8/28/202241高层建筑的结构体系 筒体结构的布置原则：设置刚度很大的转换层（实腹梁、空腹钢架、桁架、拱），以提供底层使用空间8/28/202242高层建筑的结构体系 （4）成束筒结构：超高层，若干筒体并联而成，强度、刚度均很大 （美国希尔斯大厦，109层，443m，框筒由钢柱和桁架梁组成） 多筒体结构：多个钢筋混凝土剪力墙筒体，适应于复杂平面的布置要求8/28/202243芝加哥西尔斯大厦共80层，高322米，混凝土结构，商用办公楼高层建筑的结构体系 8/28/202244（5）巨型结构体系 ： 高层建筑的结构体系 8/28/202245（5）巨型结构体系 ： 由两级结构组

16、成 一级为：跨越若干楼层的巨梁、巨柱（超级框架）或巨型桁架，提供较大的抗侧刚度和承载力承受水平力和竖向荷载； 二级：其它楼层梁柱，承受竖向荷载并将荷载产生的内力传递到一级结构上 高层建筑的结构体系 8/28/202246高层建筑的结构体系 框架体系（含板柱体系）框架剪力墙体系（含框架筒体体系）剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系8/28/2022472.4 高层建筑结构体系的选择 (一)、结构抗侧力体系的选择 根据建筑高度选择抗侧力体系A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度 结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架剪

17、力墙14013012010050剪力墙全部落地15014012010060部分框体框架心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱剪力墙704035308/28/202248高层建筑结构体系的选择 B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度 结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度框架剪力墙170160140120剪力墙全部落地180170150130部分框支150140120100筒体框架核心筒220210180140筒中筒300280230170房屋高度：室外地面至檐口高度，不包括局部突出屋面的水箱、电梯间等部分的高度8/28/20224

18、9A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大高宽比 结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架、板柱剪力墙5432框架剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架核心筒6654控制结构高宽比H/B ：控制结构刚度和侧移说明：结构合理，满足侧移和自振周期， 经验算可以适当放宽高层建筑结构体系的选择 8/28/202250非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度876B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大高宽比 高层建筑结构体系的选择 8/28/202251(二)、楼盖体系的选择1、 肋形楼盖（单向板、双向板）梁板式楼盖梁板式肋形楼盖应用最广 现浇楼板最小厚度80mm 实际应100mm以上高层建筑结构体系的选择 8

19、/28/202252(二)、楼面体系的选择2、无梁楼盖层高受限情况下，公共建筑常采用无梁楼盖，最好采用现浇柱帽合适跨度：普通钢筋混凝土楼面6m以内，预应力混凝土楼面9m活荷载较大时比较经济（5kN/m2），多用于仓库、多层厂房等高层建筑结构体系的选择 8/28/202253(二)、楼面体系的选择2、无梁楼盖高层建筑结构体系的选择 8/28/202254(二)、楼面体系的选择3、密肋楼盖跨度较大而梁高受限的情况下，肋距常为0.91.5m，一般为1.2m合适跨度：现浇混凝土密肋楼盖跨度不超过9m，预应力混凝土密肋楼盖跨度不超过12m，适用于大跨度及大荷载 高层建筑结构体系的选择 8/28/2022

20、552.5 结构总体布置(一)、结构平面布置原则 平面布置要求：有利于抵抗水平荷载和竖向荷载，受力明确，传力途径清楚；力争均匀对称，减少扭转影响平面形状宜简单、规则、对称，尽量避免过大的外伸、内收避免地震影响总长度L：避免两端振动不一致使建筑物破坏平面外伸：凹角部分容易产生应力集中（楼板加强，且凹角和端角不宜设楼电梯间抗侧力结构布置时，宜对称、均匀，使刚度中心与荷载作用中心尽量接近避免产生扭矩筒体结构多采用正多边形、圆形、矩形和等边三角形 8/28/202256选择有利于抗震的结构平面结构总体布置8/28/202257抗震不利结构平面不对称突出部分过长L/B过长突出部分过长结构总体布置8/28

21、/202258抗震不利结构平面结构总体布置8/28/202259(二)、结构竖向布置的要求 高宽比限制：保证建筑物在水平力作用下不发生倾覆，保证建筑物的整体稳定性 布置原则：结构的强度、刚度宜均匀、连续、不突变 结构总体布置8/28/202260竖向刚度突变的原因 1、结构竖向体形突变（1）顶部收进形成塔楼，小塔楼因鞭梢效应而放大地震作用，且塔楼的质量和刚度越小，地震放大越明显（2）楼层外挑内收，结构刚度和质量变化大，地震作用下易形成薄弱环节结构总体布置8/28/202261结构竖向布置的要求 2、结构体系的变化（1）底部大空间要求，底层若干层剪力墙不落地，产生刚度突变（措施：尽量增加落地剪力

22、墙、柱、筒体截面尺寸，提高混凝土等级，减少刚度变化）（2）中部楼层部分剪力墙中断不宜超过1/3，不允许超过1/2，墙体加强（3）顶部大空间高振型影响显著结构总体布置8/28/202262结构竖向布置的要求 结构总体布置8/28/202263竖向规则建筑要求：当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的 0.75倍。下部楼层的水平尺寸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。结构总体布置8/28/202264竖向规则建筑要求：结构总体布置8/28/202265选择有利于抗震的竖向布置刚度均匀而连续，避免刚度突变结构总体布置8/28/2022662.6 缝的设置和基础 防止结构因温度变化和混凝土干缩变形产生裂缝（基础以上上部结构断开）不设温度缝的措施：温度影响较大部位提高配筋率阳光直射屋面加厚屋面隔热保温层，或架空通风屋面顶层局部设温度缝后浇带：高标号混凝土；主体混凝土浇注后两个月；贯通结构横截面；位置应为结构受力影响最小，且曲折延伸避免全部钢筋同截面搭接 1、温度伸缩缝温