高层建筑结构设计绪论

绪论高层建筑结构设计第1章概述1.1高层建筑结构特点定义高层与多层没有严格公认的界限。将10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑混凝土结构称为高层建筑。不同国家有不同的定义：美国：22~25m（7层）英国：24m日本：31m（8层）我国有关规范对高层的定义：

《民用建筑设计通则》

1住宅建筑按层数分类：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层；2除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)；3建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。《高层民用建筑钢结构技术规程》12层以上的钢结构建筑高层建筑结构的内力与变形

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侧移成为高层建筑结构设计的主要控制指标，水平荷载(风、地震)成为控制结构设计的主要因素。高层建筑结构的侧移要限制在一定的范围内，因为：（1）过大的侧向变形使人不舒服（2）过大的侧向位移会使填充墙及结构开裂，使电梯轨道变形。（3）过大侧移使结构产生附加内力,即P-△效应。高层建筑是随着社会生产发展和人类活动的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。高层建筑的出现满足了以下要求：（1）人口城市化：用地紧张（2）缩短交通距离（3）增加绿地、改善环境1.2高层建筑的历史与现状（1）19世纪末-20世纪50年代前世界第一幢高层是1884年在美国芝加哥建造的家庭保险公司大楼，11层，55m，铸铁和钢框架承重。1931年美国纽约帝国大厦，102层，381m高，保持世界最高建筑纪录达41年。由于当时的理论仍停留在平面结构，使建筑用钢量较大。如帝国大厦用钢量为206kg/m2帝国大厦（TheEmpireStateBuilding）位于纽约市，共有102层，381m高,钢结构，建成于1931年。它的名字来源于纽约州的别称TheEmpireState（帝国之州）。帝国大厦原本共381米，20世纪50年代安装的天线使它的高度上升至米。根据估算，建造帝国大厦的材料约有33万吨。大厦总共拥有6500个窗户、73部电梯，从底层步行至顶层须经过1860级台阶。它的总建筑面积为万平方米。1931年5月1日，帝国大厦正式落成，但许多办公室在40年代之前一直空置，使它在早期被戏称为EmptyStateBuilding（空国大厦）。（2）二次大战后

计算机的应用，结构计算理论由二维平面结构理论发展到三维空间结构理论，使高层建筑结构体系得到发展。1972年：纽约世贸中心大厦，110层，402m高。1973年：西尔斯大厦，110层，443m高。1998年：吉隆坡石油双塔大楼，88层，452m高。2003年：台北101大楼，地上101层，地下3层，508m高。2007年：迪拜塔。台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，台北101的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101必须克服的两大难题。为了评估地震对台北101所产生的影响，地质学家通过勘探，发现距建筑200米左右有一处10米厚的断层。依据这些资料，国家地震工程研究中心建立了模型，仿真地震发生时大楼可能发生的情形。为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．大楼内设置了调质阻尼器，是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。防震措施方面，台北101采用新式的“巨型结构”，在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3公尺、宽公尺，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。整个大厦平面随层数增加而分段收缩。在51层以上切去两个对角正方形，67层以上切去另外两个对角正方形，91层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶。哈利法塔（迪拜塔）

哈利法塔(迪拜塔)有160层，总高828米，比台北101大楼足足高出320米。迪拜塔2004年9月21日开始动工，2010年1月4日竣工启用。哈利法塔拥有56部电梯，速度最高达每秒米，这是世界速度最快且运行距离最长的电梯。艾尔马地产公司的销售经理纳曼·阿塔拉说：“这一设计将触及技术所能达到的巅峰，在此之前没有一座建筑能修那么高。人们不得不开发能适应这种高度的新型电梯。日本东京千年塔日本东京千年塔高约840米，外观呈现圆锥形，1989年是由福斯特建筑事务所最早提出，用以解决东京开发用地短缺和人口过剩问题。按计划，千年塔将建在距东京湾英里处的海岸边，有170层楼那么高，占地面积平方英里，可用于商业和居住。千年塔可以容纳6万人，有一条高速地铁网，每次载客量为160人，保证当地居民正常出行。千年塔每隔13层都设有一个交通中转站，公交系统连接这些交通枢纽，乘客可在这些中转站上下车，或转乘电梯和移动人行道。千年塔的风力涡轮机和安装在上层的太阳能电池板可以为整栋建筑提供可持续能源，是目前提出的最环保的理想城市设计方案之一。此建筑被构思为一根巨大的“定海神针”，包裹在螺旋线形的金属框架内，矗立于游艇码头之中。（3）我国高层建筑的发展

我国自行建造高层建筑是从20世纪50年代开始的。1959年，北京建造了几幢钢筋混凝土高层建筑：m）m）1975m）标志我国高层建筑突破100m1985年以前主要为钢筋混凝土结构，之后钢结构得到应用。1998年，上海金茂大厦（88层421m）采用钢-砼混凝土组合结构。主楼结构的地上部分为中央钢筋混凝土剪力墙组成的八边形核心筒体和外框的八个钢骨混凝土巨型组合柱、八根钢巨型柱及钢梁。核心筒体的厚度由下至上逐步减小，从850mm到450mm。楼板为钢梁、金属压型钢板组合楼板，一般跨度为在24层至26层、51层至53层和85层至87层三个部位设置两层的钢桁架，作为水平刚度加强层，使中央钢筋混凝土核心筒体与外周均布置的八个钢骨混凝土巨型组合柱组成“核心筒体-钢巨型桁架-钢骨混凝土巨型组合柱”的高效率抗侧力系统，是典型的钢-混凝土混合结构。。上海金茂大厦塔楼核心筒和巨型柱施工世界先进

超高层建筑施工采用自行开发研制的整体提升钢平台模板体系和进口的液压自动爬模体系，在上海环球金融中心塔楼核心筒和巨型柱结构施工中发挥了独特作用。混凝土一次泵送至492米

高强度、高耐久、高流态、高泵送混凝土技术在上海环球金融中心施工中见奇效，刷新了一次连续40个小时浇筑主楼底板3万余立方混凝土的国内房建领域新纪录和混凝土一次泵送至492米高空的世界纪录。

吨可吊至500米高空

采用了2台M900D塔吊，是目前国内房建领域中起重量最大、高度可达500米的巨型变臂塔吊，塔吊总重量达吨。大厦封顶后，该塔吊将在500米高空拆卸，这在世界范围内尚无先例。遭遇强台风不会引起摇晃

为提高遭遇强风时大厦酒店和办公人员使用环境的舒适性，上海环球金融中心在90层安装了2台用来抑制建筑物由于强风引起摇晃的风阻尼器，这是中国大陆地区首座使用风阻尼器装置的超高层建筑。该装置通过使用传感器，能够探测强风时建筑物的摇晃程度，抑制建筑物的摇晃。上海环球金融中心

世界贸易中心—钢结构世界贸易组织大厦(世界贸易中心大厦)，1973年建成，位于曼哈顿市区南端，由5幢建筑物组成，是美国纽约市最高、楼层最多的摩天大楼。自1973年启用以来即成为纽约的地标之一，主楼呈双塔形，各高412米、110层，钢结构，四周均是玻璃外墙，有“世界之窗”之称。2001年9月11日遭受恐怖袭击。美国东部时间2001年9月11日上午8时45分，一架起飞重量达160吨的波音767型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔；9时03分，又一架起飞重量为100吨的波音757型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。10时05分，南楼倒塌10时37分，北楼倒塌由贝聿铭建筑师事务所设计。建成于1990年，总建筑面积12.9万平方米，地上72层，总高367.4米(其中建筑高度315.4米，顶层天线高度52米)。香港中国银行大厦香港中国银行大厦采用由八片平面支撑和五根型钢混凝土柱所组成的混合结构“大型立体支撑体系”。采用几何不变的轴力代替几何可变的弯曲杆系，来抵抗水平荷载，更加经济有效。利用多片平面支撑的组合，形成一个立体支撑体系，使立体支撑在承担全部水平荷载的同时，还承担了高楼的几乎全部的重力，从而进一步增强了立体支撑抵抗倾覆力矩的能力。将抵抗倾覆力矩用的抗压和抗拉竖杆件，布置在建筑方形平面的四个角，从而在抵抗任何方向的水平力时，均具有最大的抗力矩的力偶臂。利用立体支撑及各支撑平面内的钢柱和斜杆，将各楼层重力荷载传递至角柱，加大了楼层重力荷载作为抵抗倾覆力矩平衡重的力偶臂，从而提高了作为平衡重的有效性。约翰·汉考克大厦

约翰-汉考克大厦以其100层、344米的高度至今名列世界十大最高建筑物。建筑师法责勒-凯恩借助电脑软件设计汉卡克大厦，开创电脑在设计运用的先河，是芝加哥建筑史上又一个划时代的进步。汉卡克大厦就像一个被无限拉高的埃及金字塔，借助三面的锥体设计，使所有倾斜度对角线全部与建筑呈圆筒状的中心对准，有效地阻挡四面八方的强风。深圳地王大厦325/384米69层建成于1996年广州中信广场

322/391米80层19971.3高层建筑结构的发展

一、钢结构：设计实例：西尔斯大厦、帝国大厦、纽约世贸中心、约翰·汉考克大厦。优点：1、自重轻：高层钢结构的自重（钢骨架及楼板）约为6-8kN/m2。仅为混凝土高层自重12-14kN/m2的一半，相当于建75层的高层钢结构的上部结构重力荷载，可等同于50层高层混凝土结构的重量。地震作用小、可减小基础的负荷。2、结构面积小

由于钢结构强度高、钢柱截面的外轮廓面积仅为钢筋混凝土柱的1/3。据统计钢柱和混凝土柱的结构面积分别占建筑面积的3%和7%。现以8万平米的建筑为例，如采用钢结构，可比采用钢筋混凝土结构增加楼房有效使用面积3200平米。3、工期短

钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构约快1.5倍，一般钢结构多高层建筑，每4天完成一层；钢筋混凝土高层建筑，每6天才能完成一层。40层楼房，如采用钢结构可节省工期3个月4、降低层高

多高层建筑内管道较多，而钢梁的腹板上允许开洞，可降低层高。在建筑总高不变的情况下、采用钢结构可增加层数5、延性好

历次证明钢结构具有较强的抵抗强烈地震的变形能力，其破坏率明显低于钢筋混凝土结构。根据我国某些多高层建筑的经济分析、对于50层左右的高层建筑，考虑自重、截面小、施工速度快等综合因素，采用钢结构与采用钢筋混凝土结构两者的工程造价基本持平。层数再高，钢结构较经济缺点：防锈、防火性能差，需特别处理防护。钢材自身的防火极限仅为15min，在应用中应按设防标准采用防锈及防火涂料。二、钢筋混凝土结构：设计实例：目前世界上最高的混凝土结构是香港的中环大厦，374米。优点：

价格低、材料来源丰富、防火性能好、刚度较大

三、钢-混凝土组合结构(钢骨砼、钢管砼)设计实例：台北101大厦、吉隆坡双塔、金茂大厦、香港的中国银行、深圳地王大厦包括：钢管混凝土、钢骨混凝土、部分钢材、部分混凝土的混合结构钢管混凝土结构赛格广场,深圳(1998）武汉国际证券大厦，武汉(2004）钢骨混凝土结构钢——混凝土组合结构1、截面尺寸小钢筋混凝土柱由于受到轴压比及配筋率的限制，提高承载力的唯一途径只有加大截面面积，而型钢混凝土柱可以不受含钢率的限制。2、构件延性好由于柱内有型钢的作用，延性远高于钢筋混凝土结构3、耐火防腐性高由于型钢外包有混凝土，因而耐火极限和防腐性能均高于钢结构钢骨混凝土优点：1、承载力高钢管混凝土构件的受压承载力可达到钢管和混凝土单独承载力之