受力特点及结构体系

第1章受力特点及结构体系第一章受力特点及结构体系

第一节概述第二节结构受力特点第三节框架结构第四节剪力墙结构第五节框架一剪力墙结构第六节筒体结构返回第一节概述一高层建筑的发展概况

二高层建筑的结构类型三高层建筑结构体系

返回一高层建筑的发展概况

现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。一方面城市人口集中、用地紧张、地价高涨促使了建筑向高空发展；另一方面技术的进步又为高层建筑的发展提供了保证。▲施工机械、施工技术、新材料、新的设计方法和手段；▲城市化水平、地价、竞争；▲防灾手段进步，交通设备完备。返回第一节概述一高层建筑的发展概况（一）国内高层建筑的发展国内最早的高层建筑主要是一些寺、塔，大都采用木结构或砖结构。如建于公元524年的河南嵩山寺塔，为砖砌单筒结构；建于公元1056年的山西应县木塔，为一内外两环柱网结构。近代中国高层建筑的发展经历了一个从缓慢到迅速的过程，特别是改革开放的深入，外商投资的增多，加快了我国高层建筑的发展。表现在：返回第一节概述一高层建筑的发展概况▲

新的设计方法引进；▲新结构体系引进：▲资金投入。金茂大厦上海环球金融中心深圳地王大厦香港中环广场

香港国际金融中心九龙站第7期返回第一节概述一高层建筑的发展概况（二）国外高层建筑的发展国外高层建筑的发展经历了三个阶段：▲19世纪中期之前，一般只能建6层左右的建筑；▲

20世纪50年代高381m的帝国大厦建成，标志着现代高层建筑的开始；▲20世纪50年代后高层建筑发展加快。西尔斯大厦世界贸易中心石油大厦自由之塔

返回第一节概述一高层建筑的发展概况（三）高层建筑的发展方向▲多功能、多用途；▲体型复杂；▲结构体系多样化。（四）高层建筑的划分高层建筑是相对而言的，在国际上至今尚无统一的划分标准，在不同国家，不同时期，其规定也不同：返回第一节概述一高层建筑的发展概况

美国：高度在22～25m以上或7层以上建筑为高层建筑；日本：高度在31m以上或8层以上建筑为高层建筑；中国：住宅10层及以上为高层建筑，其他民用建筑高度超过24m为高层建筑。GB50096-1999:低层住宅1～3层；多层住宅4～6层；中高层住宅7～9层；高层住宅10层及以上；返回第一节概述二高层建筑的结构类型

目前钢和钢筋混凝土两种材料都是建造高层建筑的重要材料，他们有着不同的特点。如何正确选用材料，充分利用其优点、克服弱点，就成为经济合理建造高层建筑的一个重要方面。

钢材强度高、韧性大、易于加工；高层钢结构具有结构断面小、自重轻、抗震性能好等优点；钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方使。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且钢材耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。返回第一节概述二高层建筑的结构类型

钢筋混凝土结构造价较低，且材料来源丰富，并可浇注成各种复杂断面形状，还可以组成多种结构体系；可节省钢材，承载能力也不低，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因而，在发展中国家，大都采用钢筋混凝土建造高层建筑。钢结构钢筋混凝土结构劲性钢筋混凝土结构组合结构返回第一节概述三高层建筑结构体系

结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，抵抗水平力成为设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问题。高层建筑常用的结构体系有：框架结构剪力墙结构框架—剪力墙结构筒中筒结构框架—筒体结构框筒结构巨型框架结构巨型桁架结构悬挂结构返回第一节概述三高层建筑结构体系框架结构：由梁、柱构件组成的结构称为框架。

框架结构的特点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、营业室、教室等。需要时，可用隔断分隔成小房间，因而使用灵活。返回第一节概述三高层建筑结构体系剪力墙结构：利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷裁的结构，称为剪力墙结构体系。返回第一节概述三高层建筑结构体系框架—剪力墙结构：在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，取长补短，共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架—筒体结构体系。返回第一节概述三高层建筑结构体系筒中筒结构：由内外两个筒体组成的结构，外部为框筒内部为实腹筒。返回第一节概述三高层建筑结构体系框架—筒体结构：在框架结构中设置部分筒体结构，使框架和筒体两者结合起来。返回第一节概述三高层建筑结构体系框筒结构：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。返回第一节概述三高层建筑结构体系巨型框架结构：利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨形梁相连，筒体和巨形梁即形成巨形框架。返回第一节概述三高层建筑结构体系巨型桁架结构：由巨型斜杆组成巨型桁架，作为高层建筑的主体结构。返回第一节概述中国银行大厦三高层建筑结构体系悬挂结构：以核心筒、钢架等为主要承重结构，将水平构件通过吊索悬挂其上的结构。返回第一节概述第二节结构受力特点一水平荷载影响二整体工作特性三多种变形影响返回一水平荷载影响

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。对于高层结构，可将其简化为一下端固定的悬臂杆件，其荷载效应如图所示：▲轴力与结构高度成线性比例；▲弯矩与结构高度成二次方关系；▲侧移与结构高度成四次方关系。返回第二节结构受力特点一水平荷载影响

由此可见，高层结构中抗侧力的设计是个关键，水平荷载是决定因素，而侧移是控制指标。返回第二节结构受力特点一水平荷载影响

控制侧移的原因：▲过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用；▲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；▲过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。▲过大的侧向变形会使结构产生附加内力，甚至引起倒塌。返回第二节结构受力特点二整体工作特性

高层建筑结构在水平荷载作用下，楼层的总水平力是已知的，但这水平力如何分配到各片框架、各片剪力墙却是未知的。由于各片抗侧力结构的刚度、形式不相同，变形特征也不一样，所以不能像一般结构简单地按受荷面积大小分配，否则，会使抗侧刚度小的结构所分配的水平力过大，偏于不安全。应整体考虑。返回第二节结构受力特点二整体工作特性

高层建筑结构的整体工作特性，主要是由各层楼板作用的结果，一般都假定其在自身平面内只有刚体位移，不改变形状，并不考虑平面外的刚度。故各抗侧结构都要受到楼板刚体位移的制约，即所谓的位移协调。因此，各抗侧结构按抗侧刚度的大小分配水平力。返回第二节结构受力特点三多种变形影响

结构构件在外力作用下产生的位移，包括弯曲变形、轴向变形和剪切变形三部分。在多层结构的分析中，一般可忽略轴向和剪切项的影响。返回第二节结构受力特点第三节框架结构一定义及分类二构件布置及尺寸

三变形类型

四适用范围及优缺点

返回一定义及分类（一）定义由梁、柱构件组成的空间刚结杆系结构称为框架结构。

一般情况下梁、柱节点被认为是刚性节点，其在外力作用下，节点可发生移动和转动，但梁柱夹角保持90°不变，节点可传递M、N、V，使梁柱整体受力。（二）构件划分根据对框架结构整体的重要程度，可分为：①节点（要害部位）、②柱、③梁返回第三节框架结构二构件布置及尺寸（一）构件布置首先确定柱网，即确定柱距和柱跨，柱网布置必须满足建筑平面及使用要求，同时结构应合理。一般尽量采用规则而简单的形状。柱网要符合模数要求，且每个楼层的柱网应尽量相同。柱网尺寸一般以6～8m为宜，可结合不同的建筑调整尺寸。

返回第三节框架结构二构件布置及尺寸

在具有正交轴线的柱网中，通常可形成很明确的两个方向的框架，矩形平面长向为纵向，短向为横向。对承受竖向荷载，由于楼板布置方式不同，有主要承重框架和次要承重框架之分。对承受水平荷载而言，两个方向的框架分别抵抗与框架方向平行的水平荷载。在非地震区，矩形平面纵向受风面积小，而纵向刚度较横向大，可将纵向梁视为连续梁（排架）。在地震区，双向均系框架梁，且截面高度不能过小。返回第三节框架结构二构件布置及尺寸

梁柱布置时注意点：▲梁、柱轴线宜重合于同一平面内，否则，其偏心宜不大于与梁相垂直的柱截面边长的1/4；▲框架梁应直接支承在柱上，如果不得已也可梁搭梁，但该节点为铰结。返回第三节框架结构二构件布置及尺寸（二）构件尺寸框架梁、柱截面尺寸应由承载力及抗侧刚度要求决定，但在内力、位移计算之前，一般应先估算其截面，满足构造要求，然后通过承载力及变形验算最后确定。

1.梁截面尺寸▲框架梁截面尺寸应根据承受竖向荷载的大小、跨度、抗震设防烈度等综合考虑确定；返回第三节框架结构二构件布置及尺寸▲一般荷载情况下，梁的截面高度可按其（1/8～1/12）计算跨度确定，不小于400mm，也不应大于1/4净跨；▲梁的截面宽度不宜小于其高度的1/4，也不应小于200mm，不小于柱宽的1/2。2.柱截面尺寸一般可根据柱支承的楼面面积计算由竖向荷载产生的轴力计算值N（荷载分项系数可取1.25）及混凝土轴心抗压强度设计值fc按下式估算：返回第三节框架结构二构件布置及尺寸▲无地震作用组合时

Ac≥（1.05～1.1）N/fc▲有地震作用组合时返回第三节框架结构抗震等级外柱内柱一级Ac≥1.4N/0.7fcAc≥1.3N/0.7fc二级Ac≥1.3N/0.8fcAc≥1.2N/0.8fc三级Ac≥1.2N/0.9fcAc≥1.1N/0.9fc三变形类型

由于控制框架侧移刚度的梁、柱截面尺寸较小，故属柔性结构。在水平荷载的作用下，结构的侧移曲线分为剪切型与弯曲型两种。返回第三节框架结构剪切型弯曲型三变形类型

剪切型—由梁、柱弯曲变形产生的侧移，类似悬臂构件。弯曲型—由柱的轴向变形所引起的侧移。框架结构变形属于剪切型类型。返回第三节框架结构四适用范围及优缺点

（一）适用范围（最大高度m）（二）优缺点

优点：空间大、延性好、造价低。缺点：承载力低、刚度小、侧移大、缺少二道防线。返回第三节框架结构6度7度8度9度60554525第四节剪力墙结构一定义及抗震性能二构件布置及尺寸三变形类型四适用范围及优缺点返回一定义及抗震性能（一）定义空间钢筋混凝土板系结构，其墙体既能承受竖向荷载，也抵抗水平荷载。剪力墙又叫抗震墙。由于整体性强、侧移小，故具有较高的抗震能力，属刚性结构。（二）抗震性能剪力墙结构具有多道防线，在遭遇地震时，连梁为第一道防线，消耗一部分地震能量，连梁破坏后，墙肢作为第二道防线继续抵抗地震力。返回第四节剪力墙结构二构件布置及尺寸（一）构件布置☆剪力墙应双向布置；☆沿建筑物整个高度剪力墙应贯通，上下不错层、不中断、门窗洞口应对齐；☆较长的剪力墙宜开设洞口，将一道剪力墙分成长度较均匀的几段，洞口连梁的跨高比宜大于6，各墙段的高宽比不应小于2。☆对底部为大空间的剪力墙结构，底部的部分剪力墙做成框支剪力墙，底部另一部分剪力墙做成落地剪力墙。间距一般3~8m。返回第四节剪力墙结构二构件布置及尺寸框支剪力墙：结构上部各层采用剪力墙结构，结构底部一层或几层采用框—剪结构或框—筒结构为了防止刚度突变引起破坏，框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支层楼层侧向刚度的50％，框支层落地剪力墙间距不宜大于24m。☆不落地框支结构在震区不允许采用。☆9度区不应采用。返回第四节剪力墙结构二构件布置及尺寸（二）构件尺寸剪力墙的厚度，一、二级时不应小于层高的1/20，且不小于160mm；底部加强部位的墙厚，一、二级时不应小于200mm且不小于层高的1/16，当无端柱或翼墙时不小于层高的1/12。三、四级剪力墙的厚度不应小于层高的1/25，且不小于140mm，其底部加强部位的墙厚不宜小于层高的1/20，且不小于160mm。返回第四节剪力墙结构三变形类型

一般其墙体高宽比大于4，变形类型以弯曲型为主，总体水平位移曲线与弯曲型悬臂构件类似。返回第四节剪力墙结构四适用范围及优缺点（一）适用范围（最大高度m）（二）优缺点优点：抗侧移刚度大、变形小、延性好、抗震性能好。缺点：平面布置不够灵活，大空间受到限制，结构自重大、刚度大、周期短、所受地震力大。返回第四节剪力墙结构6度7度8度9定义及抗震性能

二构件布置及尺寸

三变形类型

四适用范围及优缺点返回第五节框架－剪力墙结构（一）定义指由框架和剪力墙共同承受荷载的空间杆板组合体系。它结合了二者的优点，弥补了缺点。当将剪力墙布置成筒体时，一般称为框－筒结构。框－剪结构属半刚性结构，是一种经济实用的结构体系。返回一定义及抗震性能第五节框架一剪力墙结构（二）抗震性能

框－剪结构具有多道防线，剪力墙为第一道防线，承受大部分地震力，框架为第二道防线，承担一部分地震力。返回一定义及抗震性能第五节框架一剪力墙结构（一）构件布置剪力墙应在纵、横两个方向均设置，两个方向墙量应大体相当。剪力墙的布置应遵循“对称、均匀、周边、分散”的原则。均匀、分散－防止整体破坏。对称、周边－减少结构的扭转效应。▲剪力墙的数量应适度，在满足侧移的前提下，墙量应少一些。▲剪力墙宜贯通房屋全高，且横向与纵向的剪力墙宜相连。返回二构件布置及尺寸第五节框架一剪力墙结构▲剪力墙之间的楼盖的长宽比不宜超过2～4，超过时应考虑楼盖平面内变形的影响。▲楼梯间、电梯间。（二）构件尺寸

剪力墙厚度不应小于160mm，且应不小于层高的1/20，底部加强部位的剪力墙厚度不应小于200mm且应不小于层高的1/16。边框梁截面宽度不小于2倍墙厚，梁高不小于3倍墙厚。返回二构件布置及尺寸第五节框架一剪力墙结构

由于框－剪结构的变形协调要求，整个结构的变形属剪弯型。返回三变形类型第五节框架一剪力墙结构（一）适用范围（最大高度m）（二）适用范围及优缺点优点：侧移小，减轻节点负担，增加超静定次数，保证塑性铰均匀发展，层间变形趋于均匀。缺点：水平方向刚度不均匀。返回四适用范围及优缺点第五节框架一剪力墙结构6度7度8度9六节筒体结构一定义及类别

二构件布置及尺寸三变形类型

四适用范围及优缺点返回一定义及类别（一）定义以封闭的剪力墙抵抗水平力的结构。其水平截面为箱形，如同一个底部固定，顶端自由、竖向放置的薄壁筒，具有很大的抗侧刚度和承受水平荷载的能力。（二）类别

按竖向结构的形成、布置和数量的不同分为：实腹筒—用剪力墙围成的筒体。如电梯间、设备井等。返回第六节筒体结构一定义及类别

框筒（空腹筒）—由“密柱深梁”构成的空间网格式结构。桁架筒—筒体的四壁由竖杆和斜杆形成的桁架组成。筒中筒—由两个以上筒体组成，一般外面用框筒及桁架筒，内筒为实腹筒。成束筒—由两个以上筒体排列在一起成束状结构。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梁相连的结构。返回第六节筒体结构二构件布置及尺寸

框筒一般用于塔式建筑，布置在建筑物的周边，一般外墙面洞口面积不宜大于墙面积的50％，周边柱中距为1.2～3m，窗横梁截面高度为0.6～1.2m，截面宽度为0.3～0.5m,建筑物高宽比宜大于3，长宽比不宜大于2。返回第六节筒体结构三变形类型

在水平力作用下，其变形为剪弯型。返回第六节筒体结构四适用范围及优缺点（一）适用范围（最大高度m）

框架－核心筒时

多筒结构时返回第六节筒体结构6度7度8度9度150130100706度7度8度9用范围及优缺点（二）优缺点优点：承载力高，空间刚度大，抗震性能好，适用于20层以上高层建筑。缺点：计算量大，计算复杂，施工难度大。返回第六节筒体结构六、高层建筑楼盖返回第一节概述

河南登封嵩山嵩岳寺塔是中国现存最早的佛塔，也是唯一的一座十二边形塔，为砖筑密檐式，建于北魏正光四年（524）。塔外壁直径约10.4米，15层，总高约50米。返回第一节概述

山西应县木塔公元1056年建成的山西应县木塔(佛宫寺释迦塔)，塔高67.3米，八角形，底层直径30.27米。该塔共九层，其中八层是用3米左右长的木柱支顶重叠而成，为一内外两环柱网。

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金茂大厦是融办公、商务、宾馆等多功能为一体的智能化高档楼宇。这座中国最高，全球第三高的建筑，坐落在上海浦东陆家咀经贸区。包括一个88层塔楼（高421米），及一个6层基座，占地面积23611平方米，总建筑面积29万平方米。M返回第一节概述

上海环球金融中心工程是一幢以办公为主，集商贸、宾馆、观光、展览及其他公共设施于一体的大型超高层建筑，该楼地下3层，地上101层，净高492米，其中在472米有观光台，（不含楼顶天线等高度），为世界净高第一高楼。该项目的总承包价约为80亿元人民币，位于上海浦东陆家嘴金融贸易中心区，与金茂大厦相距仅40米，地块面积30000平方米，总建筑面积377300平方米。上海环球金融中心屋顶高度492米，混凝土一次需泵送至500米的高空，混凝土一次泵送高度为世界第一。总包选择上海宝达公司为施工电梯服务单位，宝达施工电梯最高可到达94层、419.4米，这一高度为施工电梯到达高度的世界之最。

该项目仅钢结构的安装总重量就达约6.7万吨，钢构件截面大、单件重、连接复杂。而地下埋有2271根桩基，以支撑巨大的建筑物，最长的约78米，重达17吨。这些桩基所用的钢管总重量约为2万吨，如将所有的桩基连接起来，其长度将达88.67公里。大楼中共安装有电梯126台，其中观光电梯的最快速度为10米／秒，超过了金茂大厦9米／秒的速度，为目前国内最快的电梯。

在100层、距地面472米的观光天阁，是世界上人能到达的最高建筑，超过了目前为世界第一观景平台的加拿大CN电视塔（447米