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1、高 层 建 筑 结 构 设 计,讲授者：余佳力2013.09,第1章 高层建筑结构概述,本章内容,1.1 高层建筑的一般概念1.2 高层建筑结构的特点1.3 高层建筑结构的发展1.4 高层建筑结构分析方法1.5 本课程的教学内容和要求,1.1 高层建筑的一般概念,1. 高层建筑的范围（我国标准）：习惯上，12层称低层；39层称多层；10层及以上称高层防火规范（GB500162006）规定10层及10层以上的居住建筑、或高度超过24m的公共建筑为高层建筑高层规程（JGJ3-2010）规定10层及10层以上，或房屋高度超过28m的住宅和高度超过24m的其他建筑为高层建筑对钢结构房屋,抗震规范GB
2、50011-2010规定的抗震措施，一般以50m为界区分。所以习惯上称超过50m为高层建筑,2. 高层建筑的范围（其他国家）：美国 7层以上或H2225m；英国 H24.3m；法国 住宅H50m，其他H28m；德国 H22m；日本 H31m（11层）；比利时 H25m；俄罗斯 住宅10层及以上，其他7层以上,3. 高层建筑的分类：第一类高层建筑：916层 （最高到50m）第二类高层建筑：1725层 （最高到75m）第三类高层建筑：2640层 （最高到100m）第四类高层建筑（超高层建筑）：40层以上（高度100m以上）,4. 高层建筑的优缺点优点： 集中人员、提高土地利用率 减小城市通勤压力
3、节省市政投资缺点： 造价高、管理复杂 对周边环境影响大（通风、采光、无线电通讯等） 发生灾害时的疏通、逃生不易，损失大,1.2 高层建筑结构的特点,1.2.1 荷载效应轴向力主要由垂直荷载qv引起：N=qvHB/hH 底部倾覆力矩主要由水平荷载qH引起：M=0.5qHH2H2顶点水平位移主要由水平荷载qH引起：=qHH4/8EIH4,1.2.2 受力特点水平荷载为主导作用(风荷载、地震作用)水平侧移作为结构设计的控制指标,1.2.3 设计要求（1）较大的承载力（2）较大的刚度 保证正常使用 防止装修损坏 防止主体结构开裂 防止过大附加内力导致建筑物倒塌（3）稳定和抗倾覆（4）抗震概念设计,1.
4、3 高层建筑的发展概况,1.3.1 古代高层建筑：塔木结构、砖结构纪念性建筑实用空间小墙壁厚度大高度限制,1.3.2 现代高层建筑： 发展大体经历了三个时期：酝酿成形期（整个19世纪）发展成熟期（20世纪初到第二次世界大战）繁荣时期（第二次世界大战以后现在）,1. 酝酿成形期（整个19世纪）18841986年，美国芝加哥建成家庭保险公司大楼，11层，55m，铸铁框架，该大楼被认为是的一栋现代高层建筑。1895年，奥提斯(OTIS)安全电梯首次用于美国纽约某16层宾馆1898年，美国建成了19世纪最高建筑纽约PARK ROW大厦，30层，高118m，钢结构这一时期高层建筑的特点是：采用传统材料，
5、截面尺寸大，延性差现代材料开始应用,2. 发展成熟期（20世纪初到第二次世界大战）1931年，美国纽约建成了Empire State Building(帝国大厦) 钢结构，102层，高381m。该大楼保持世界最高建筑记录长达41年之久。(直到1972年美国纽约建成110层、高412m的世界贸易中心为止。)1903年，美国辛辛那提城建成INGALLS(英格尔斯大楼)16层，高度64m，首次采用钢筋混凝土结构这一时期高层建筑的特点是：钢结构的大量采用，使建筑的层数、高度大增钢筋混凝土结构也开始用于高层建筑中,3.繁荣时期(第二次世界大战以后现在)数量迅速增加，层数、高度大幅度提高,结构体系新颖多变
6、，建筑材料丰富多彩筒体结构：框架筒体结构；筒中筒结构(纽约世界贸易中心，412m)；成束筒结构(西尔斯大厦443m)；桁架筒结构(约翰考克大厦，384m)悬挂结构：南非约翰内斯堡标准银行(悬挂37层)；幕尼黑广播中心(悬挂17层)巨型结构：新加坡华侨银行(巨型框架)；香港中国银行(巨型桁架)，72层，368m应力蒙皮结构：美国费城One Mellon银行大厦，56层，242m,抗震设计水平大幅度提高美国颁布了一系列抗震设计的法规，建成了地震区最高的钢筋混凝土建筑落杉矶的加利福尼亚联合银行大厦(62层，262m)日本在冲破31m限制高度后，全力进行钢结构和型钢混凝土结构的抗震设计方法研究，建成了
7、大批100m以上的高层建筑。1991年建成东京市府大厦，48层，243m，钢结构。1993年建成横滨标志大厦，71层，296m，钢结构，带阻尼减震器,1.3.3 我国高层建筑的发展,起步较晚、发展迅速,1. 地位和现状1992年，国际高层建筑与城市住宅委员会（CTBUH）发布全球100幢最高建筑，中国大陆没有，当时排名第100位是美国洛杉矶的大西洋里奇菲尔德大厦，高213m，而当时中国的北京京广中心大厦最高，为208m1995年，该组织公布全球100幢最高建筑中，中国大陆占3席。第一，上海金茂大厦，88层、高421m，排名第4（实际第3，石油双塔楼占2席）；第二，深圳地王大厦，8l层、高325
8、m，排名第13；第三，广州中天大厦，80层，322m，排名第14,2. 我国高层建筑发展的几个特点（1）层数增多，高度加大至1986年，我国建成100m以上的高层建筑14幢至1990年，我国建成100m以上的高层建筑已达78幢，其中120m以上的已超过了20幢到1998年，超过200m的高层建筑已达20幢，最高建筑上海金茂大厦达88层、高421m，排名第4（2）平面布置和立面体型日益复杂在80年代之前，体型大多规则，平面多为矩形，少量为L形、槽形，一般比较简单近年来，结构的平面形状日趋复杂，立体体型也较多外挑,（3）向多用途、多功能发展早期多为单一用途，如高层住宅，高层旅馆、高层办公楼等到70
9、年代末期，上层为住宅、下层为商店的商住楼开始在上海、北京兴建高层综合大厦：它的上部为旅馆、住宅；中层部分为办公用房；而下层和裙房则布置商店、餐厅、银行和娱乐设施；地下部分为停车场或地铁车站。这样在一条垂直线上就可以满足用户各种需要。例如，深圳发展中心大厦(43层，160m)、广州国际大厦(63层，200m)、北京京广中心大厦(53层，208m)、京城大厦(50层，185m)等,（4）结构体系多样化1980年以前，基本上是钢筋混凝土三大常规体系：框架结构，剪力墙结构和框架剪力墙结构进入80年代，筒体结构得到了广泛应用最近几年，一些更新颖的结构型式已经得到应用深圳亚洲大酒店(33层，114m)采用
10、了巨型框架结构上海锦江饭店(44层，154m、钢结构)、北京京城大厦(50层，185m，钢结构)、深圳发展中心(43层，160m，钢结构)都在顶层和中部楼层设置了刚性水平桁架广州国际大厦(63层，200m，钢筋混凝土结构)在62层，43层、22层分别设置了三道水平桁架,（5）钢结构高层建筑兴建1984年以前建成的近千幢高层建筑结构中，没有采用钢结构1985年以后，陆续兴建了一些钢结构高层建筑预计，今后高层建筑仍将以钢筋混凝土结构和钢钢筋混凝土组合结构为主,（6）结构设计水平提高自上世纪70年代开始，根据我国自己的科研成果编制了三批规范，如钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JZ102-79)
11、、钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）、高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-98）等编制了一批适合中国国情的结构分析程序，如PKPM系列；TBSA；GSCAD；FBCAD等等到1998年，超过200m的高层建筑已达20幢，最高建筑上海金茂大厦达88层、高421m，排名第4,哈利法塔,162层，828m，2010年建成,台北101大厦,101层，508m，2004年建成,上海环球金融中心,101层，492m，2007年建成,香港九龙站第7期,102层，480m，2007年建成,吉隆坡佩特钠斯大厦,88层，452m，199
12、6年建成,芝加哥西尔斯大厦,108层，443m，1974年建成，钢结构,上海金茂大厦,88层，421m，1998年建成，钢混凝土组合结构,香港国际金融中心,88层，415m，2003年建成,1.3.4 高层建筑发展展望,1. 酝酿高度上的突破俄罗斯莫斯科“俄罗斯大厦”，高648米，115层日本“DIB-200”大厦，高800米，200层日本空中城1000（又名千禧大厦），高1000米，200层；外形为圆锥形，地面直径为400米，顶端直径为160米；在这栋建筑就业的人有10万人，居住的人有3.5万人，宛如一座小城市,已制定工程计划的高度大于1000米的高楼,美国休斯顿高1500米、500层的“超
13、级”摩天大楼，能容纳一个中等城市的人口美国芝加哥高1609米、528层的“超级”摩天大楼，能容纳13万人日本东京“航空城邦2001”，高2001米，500层；居住人口为14万人，就业人口为30万人，有效面积为1100万平方米日本“TRY-2004”，高2004米；外形像金字塔，每条底边长350米；可容纳100万人英国“摩天城市”，850层，可居住50万人日本X-CEED4000，高4000米，是迄今为止已知最高的；它的外形像富士山，工程期为30年。它的内部面积为5000至7000公顷，可居住50-70万人，就业人口可达30万至50万人,2. 新材料的开发和应用高性能混凝土材料高强度且具有良好可
14、焊性的厚钢板耐火钢材FR钢3. 组合结构高层建筑将增多采用组合结构可以建造比混凝土结构更高的建筑。外包混凝土组合柱的应用钢管混凝土组合柱应用外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱的应用巨型组合柱的应用（上海金茂大厦已经采用）,4. 新型结构形式的应用将增多桁架筒体已建成的香港中国银行大厦和正在筹划中的芝加哥532m高的摩天大楼方案，都采用了桁架筒体，并将全部垂直荷载传至周边结构，特别节省钢材。预计这种结构体系今后在300m以上的高层建筑中将得到更多的应用多束筒体系已表明在适应建筑场地、丰富建筑造型、满足多种功能和减小剪力滞后等方面具有很多优点，预计今后也将扩大应用巨型框架体系由于其刚度大，便于在内部
15、设置大空间，今后也将得到更多的应用5. 耗能减震技术的应用将得到发展,1.4 高层建筑结构分析方法,手算为基础的近似计算方法杆件为单元的矩阵位移法结构分析通用程序高层建筑的专用程序结构的动力分析,手算为基础的近似计算方法,计算机条件有限结构体系为三大常规体系框架结构：竖向荷载分层计算法水平荷载D值法剪力墙结构：划分剪力墙种类，材料力学（整体墙）或连续化方法（联肢墙）框架剪力墙结构合并框架和剪力墙，按弹性地基梁的概念计算,以杆件为单元的矩阵位移法,将各构件简化为杆件利用结构力学的矩阵位移法进行求解矩阵位移法本身计算值是精确值但确定计算简图时，杆件单元有时并不能完全真实反映构件的受力变形状况，特别
16、是剪力墙简化为杆件有时候并不合理,结构分析通用程序,sap系列，ANSYS，ANDINA，ABAQUES等矩阵位移法线性方程组求解空间（平面）块体弹性力学方法分析偏微分方程组有限单元法求解（有限差分法、边界单元法、离散单元法）三大模块：前处理有限元计算后处理,高层建筑专用程序,特点：针对性强一般情况下，前后处理功能较为薄弱但核心计算内容更符合高层建筑结构分析的特点,结构动力分析,我国房屋建筑采用3水准抗震目标：小震不坏对小震作用计算弹性位移和极限承载力中震可修概念设计及构造措施大震不倒概念设计及大震作用进行弹塑性变形的验算规范规定，某些情况下，需采用动力时程分析的方法验算变形，一般选用两组天然
17、波和一组人工波验算,1.5 本课程的教学内容与要求,1. 主要内容结构的体系和布置结构的荷载作用及其组合结构的设计原则和设计方法结构的静力和动力分析方法以及实用简化分析方法结构的抗震分析和抗震设计框架梁、柱和剪力墙等抗侧力构件的性能和设计结构的节点构造和设计等,2. 要求了解高层建筑结构的常用结构体系、特点以及应用范围熟练掌握风荷载及地震作用计算方法掌握框架结构、剪力墙结构、框剪结构三种基本结构内力及位移计算方法，理解这三种结构内力分布及侧移变形的特点及规律，学会这三种结构体系中所包含的框架及剪力墙构件的配筋计算方法及构造要求掌握高层钢筋混凝土结构的抗震设计原则及方法，区别抗震设计与非抗震设计的不同要求,课程结束，谢谢听讲！,高层建筑结构设计,湖北工业大学土木工程与建筑学院,
