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1、第十一章 高层建筑结构,建筑力学与结构,11.1 国内外高层建筑的发展,1 我国古代高层建筑的发展公元524年在河南建造了嵩岳寺塔(15层筒结构，高50m)公元704年在西安建造了大雁塔(7层砖木结构，总高64m),公元1055年在河北定县建造了料敌塔(11层筒体结构，高82m)公元1056年山西建造了应县木塔(9层，高67m)，堪称世界木结构的奇迹,2 我国近代高层建筑的发展,第一阶段从新中国成立到60年代末初步发展，20层以下的框架结构1959年建成的北京民族饭店(12层，高47.4m)1964年建成了北京民航大楼，(15层，高60.8m)1966年建成了广州人民大厦(18层，高63m),
2、第二阶段为70年代,2030层，主要用于住宅、旅馆、办公楼 1974年建成的北京饭店新楼(20层，高87.4m，是当时北京最高的建筑)1976年建成的广州白云宾馆(33层、高114.05m)上海漕溪路20幢1216层剪力墙住宅楼；北京前三门40幢916层大模板施工的剪力墙住宅楼),北京饭店新楼,广州白云宾馆：,33层，112.45米，剪力墙结构，1976年建成，国内首栋百米高层。,广州白云宾馆：,第三阶段为80年代,仅19801983年所建的高层建筑就相当于1949年以来30多年中所建高层建筑的总和。,深圳发展中心大厦，(43层，高165.3m，加上天线的高度共185.3m)，是我国第一座大型
3、高层钢结构建筑。,广州国际大厦，(63层，高200m),北京京广中心大厦，(57层，高208m),上海新锦江宾馆是一座现代化的高级宾馆，(总建筑面积66060m2，共43层，总高153.52m)静安希尔顿饭店，(建筑面积69224m2，包括塔楼43层，总高143.62m),第四阶段从90年代开始,（1）高层建筑兴建速度加快19901994年间，每年建成10层以上建筑在1000万平方米以上，占全国已建成的高层建筑的40%（2）超高层建筑的发展高层建筑的发展及层数和高度增长更快，建成了多座200米以上的高层建筑,上海明天广场：60层，238m，最高的框架剪力墙结构，98年建成。,上海金茂大厦，(钢
4、结构，88层，高420m),金茂大厦内部结构,二 国外现代高层建筑的发展,第一阶段是19世纪中期以前，由于主要建筑材料是砖石和木材，以及设计手段和施工技术的限制，欧美国家一般只能建造6层及以下的建筑。,第二阶段是19世纪中期开始的20世纪50年代初,1855年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能家庭保险公司大楼(Home Insurance Building)，11层，高55m，建于18841886年，采用铸铁框架承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构体系的诞生从1884年到19世纪，高层建筑已经发展到了采用钢结构，建筑物的高度越过了100m大关。1898年建成的纽约Park
5、Row大厦（30层，118m）是19世纪世界上最高的建筑。,世界上最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼，16层，高64m。1931年美国纽约曼哈顿建造了102层、高381m的著名的帝国大厦(Empire State Building)，它保持世界最高建筑达41年之久这一时期,虽然高层建筑有了比较大的发展,但受到设计理论和建筑材料的限制,结构材料用量较多、自重较大，且仅限于框架结构，建于非抗震区,第三阶段从20世界50年代开始,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美国
6、是世界上高层建筑最多的国家,1972年在纽约建造了世界贸易中心大楼(World Trade Center Towers)，110层，高402m，钢结构,1974年美国在芝加哥又建成了当时世界最高的西尔斯大厦(Sears Tower)，110层，高443m，钢结构。,进入90年代，亚洲成为经济发展最快的地区，西太平洋沿岸的日本、朝鲜、韩国、中国大陆、台湾、新加坡和马来西亚等国家和地区，陆续建成了超过200m、300m的高层建筑。1990年至今，世界上新建的最高建筑，几乎全部集中在这一地区。一般高度的高层建筑（80150米）更是大量兴建朝鲜平壤市的柳京饭店，地面以上101层，高305.4m，钢筋混
7、凝土结构位于马来西亚吉隆坡的双塔高层建筑，85层，高450m，钢筋混凝土结构预期21世纪，亚洲将成为新的高层建筑中心,马来西亚双塔楼：88层，450米，框筒结构，1996年建成。,台北101 101层，508米。,(1)世界高层建筑委员会1972年建议，将高层建筑划分为以下四类：第一类：916层，高度不超过50m;第二类：1725层，高度不超过75m;第三类：2640层，高度不超过100m;第四类：40层以上，高度100m以上。,13-2 高层建筑的特点,1、高层建筑的分类：,我国民用建筑设计通则(JGJ37-87)中规定：10层及10层以上的民用建筑和总高度超过24m的公共建筑及综合性建筑为
8、高层建筑。建筑高度超过100m的建筑均为超高层建筑。,(2)我国对高层建筑的分类：,2 高层建筑的特点,A.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。,B.动力反应不可低估；C.结构轴向变形、剪切变形以及温度、沉降的影响加剧；D.材料用量、工程造价呈抛物线关系增长。,荷载效应的最大值(轴力N、弯矩M和位移)可用下列式子表达：N=WH=f(H)M=qH2/2=f(H2)=qH4/8EI=f(H4),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。,内力或位移=f(H4)M=f(H2)N=f(H)H 结构内力、位移与高度H的关系,13-3高层建筑的结构类型,1 钢结构2
9、钢筋混凝土结构3 组合结构,1、钢结构的特点,钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成。与其他材料的结构相比具有以下优点：（1）材料强度高，钢材质量轻。（2）韧性、塑性好。（2）材质均匀。（3）制造简单，施工周期短。（4）密封性好。,钢结构的缺点有：（1）耐热但不耐火 150摄氏度时强度无变化，600摄氏度时强度约为0。（2）钢材耐腐蚀性能差，维护费用高。,2、钢结构的应用,高层建筑 80年代我国建造的11栋高层钢结构基本上都是国外设计、施工承建。,上海环球金融中心,由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构
10、日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。,上海金茂大厦,金茂大厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。,央视新台址,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心
11、地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,230m。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币。,大连远洋大厦,大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。,台北101,长宽各150m，总面积30277m2，塔高508m，世界第一高，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m
12、。,直径5.5m，重670t的阻尼器,（4）高耸建筑 电视塔、微波塔、通讯塔等,东方明珠电视塔,东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于1991年3月开始建造，1994年11 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。,一.世界贸易中心简介（1）,1.世界贸易中心的建筑形式,1.撞机1,2.撞机2,1.倒塌瞬间1,二、世界贸易中心倒塌过程（7）,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
13、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，自重大广州广东国际大厦(63层，200.18m)底层柱尺寸已达1.8*2.2m,2 钢筋混凝土结构,（1）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（2）类型1)用钢材加强钢筋混凝土构件钢骨钢筋混凝土构件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）,3组合结构,钢骨钢筋混凝土构件,组合结构,钢管混凝土结构 工程实例（1）,美国西雅图双联广场大厦58层四根大钢管混凝土柱混凝土抗压强度133Mpa直径3.0
14、5m管壁厚30mm承受60%竖向荷载,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）上海静安希尔顿饭店（钢筋混凝土筒体，钢框架）香港中国银行(钢骨钢筋混凝土角柱，横梁及斜撑为钢结构),将筒的四壁做成桁架，就形成桁架筒。桁架为轴向受力，与框架相比，更节省材料香港的中国银行采用了钢斜撑、钢梁以及钢骨钢筋混凝土柱组成的空间桁架体系，建成后在世界高层建筑中高度名列第五。,桁架筒的受力特点,上部为四个三角形巨型空间桁架平面52m52m第二层为转换层，设置跨度为52m的周边空腹桁架和中部四角锥桁架作为巨型框架梁，最后传递给四根巨型角柱,香港中国银行,图例：巨型结构（
15、香港中国银行）,香港中国银行大厦结构形式,1。地上70层，315m，底平面正方形52*52m2。沿对角线分四各三角形，每隔若干层切去一各三角形。3。44层以上平面为三角形。4。主体结构为8榀巨型桁架5。各巨型桁架交点设型钢混凝土大型立柱，四角立柱底面尺寸4.8*4.1m6。正方形中心立柱从屋顶向下通到25层。,2 结构体系结构抵抗外部作用的构件单元组成方式,13-4 高层建筑结构的结构体系,框架,剪力墙,筒体,1 高层建筑的基本的抗侧力单元,2 类型框架结构体系剪力墙结构体系框架剪力墙结构体系筒中筒结构体系多筒体系,由梁、柱构件通过结点连接组成的结构称为框架框架结构体系纯框架结构,框架结构体系
16、,剪力墙结构体系,自底层向上，位移增量 越来越大，与悬臂梁的弯曲变形曲 线类似。故称“弯曲型”,图例：弯、剪变形特点,1、概念利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构。,优点:整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力(强度)要求也容易满足，房间内无梁柱外露。缺点:剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求,结构自重往往也较大。适用范围：较小开间的住宅及旅馆建筑，高层建筑。,2、剪力墙的优缺点及适用范围,框支剪力墙结构,底层作商店或停车场而需要大空间的旅馆或住宅,缺点：房屋刚度突变,1。把框架层扩展到23层，层高逐渐变化，使刚度逐渐减弱而
17、避免突变2。在框架的最上面一层设置设备层，作为刚度的过渡层3。尽可能把一部分剪力墙伸到底层以加强整个房屋的刚度,避免房屋刚度突变的措施：,结构转换层：水平结构，梁很大，一两个楼层高作用：过渡，改变下方楼层柱子的排列，或者过渡上下层剪力墙的不同位置，以此获得特别的楼层柱网创造大空间并将上部荷载传递到下面相对少而大的几根柱或几片墙上,框架剪力墙结构体系,概念：在框架体系的房屋中设置一些剪力墙来代替部分框架特点：以框架结构为主，以剪力墙为辅助补救框架结构的不足的半刚性结构。剪力墙承担大部分的水平荷载，框架以负担竖向荷载为主,框架-剪力墙结构,受力变形特点,、框架剪力墙结构的类型,(1)框架剪力墙结构
18、,适用范围：层，H/B不宜大于45,适用范围：25层以下的房屋，最高不宜超过30层地震区的五层以上的工业厂房由于剪力墙的存在，一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性，这种体系用于旅馆、公寓、住宅等建筑最为适宜,适用范围：25层以下的房屋，最高不宜超过30层地震区的五层以上的工业厂房由于剪力墙的存在，一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性，这种体系用于旅馆、公寓、住宅等建筑最为适宜,筒体结构,.特点：将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂空心柱体，结构空间刚度极大，抗扭性能也好剪力墙集中布置不妨碍房屋的使用空间，建筑平面布置灵活，适用于各种高层公共建筑和商业
19、建筑,筒体结构体系,实腹筒 框筒 桁架筒 筒中筒,2 筒体的基本形式,3 筒体结构的类型,根据建筑高度不同，可采用不同筒体结构形式内筒体：将电梯井、楼体井、管道井、服务间等集中成为一个核心筒体。外筒体：四周外墙由密排窗框诸与窗间墙梁组成-多孔墙体。建筑物内部可不设剪力墙。筒中筒：内筒体与外筒体相结合多筒体组合：根据建筑平面要求可采用：多重套筒，组合筒-几个筒体由楼板联合束筒-若干个筒体成束状结构，筒体可错落不齐。,内筒体,中央核心筒式利用房屋中的电梯井、楼梯间、管道井以及服务间作为核心筒体,尽端核心筒式利用房屋中的电梯井、楼梯间、管道井以及服务间作为核心筒体,外筒体,利用四周外墙作为外筒体，形
20、成外筒的墙是由外围间距较密的柱子与每层楼面处的身量刚性连接在一起组成矩形网格样子的墙体框架筒外围柱距：深梁高度：层以下,外筒体,五 筒中筒结构,层以上，不宜超过层,筒中筒结构：薄壁内筒与密柱外框筒相结合内筒体：筒体与竖向通道结合外筒体：密柱外框筒，与建筑立面结合,大筒体地震后连梁破坏,形成四个小筒体,筒中筒结构体系,深圳发展中心大厦,多筒结构体系,成 束 筒,优点：结构的刚度和承载能力比筒中筒结构有所提高，沿高度方向，还可以逐个减少筒的个数，分段减少建筑平面尺寸，结构刚度逐渐变化有效地减少外筒翼缘框架中的剪力滞后现象，使内筒或内部柱子充分发挥作用,巨型结构体系,特点：超越一般结构概念一般结构的
21、截面尺寸与层高相关 巨型结构：由两级结构组成第一级：结构超越楼层划分，形成跨越几个楼层的巨柱以及一层空间的巨梁巨型框架结构巨型桁架结构第二级：巨型框架或桁架间为一般框架结构（小型柱、梁与楼板）。在巨型层底下，可设无柱大空间。,巨形框架结构,巨型结构外露与建筑立面相结合空间利用灵活施工速度快，巨型主框架施工后，各层可同时施工巨型框架-巨型开洞形成气流通道，减小风压,新加坡华侨银行,巨型框架结构,新加坡华侨银行,巨型框架结构,东京市政厅大厦 台湾高雄银行,上海证券大厦位于浦东新区陆家嘴金融贸易区，是一个多功能性质的综合建筑，主要由证券交易厅和综合办公楼以及其他商业、服务设施等组成，地上建筑30层，
22、地下3层，总高120m，总投资1.48亿美元，地上建筑面积为79086m2，地面以下建筑面积16753m2，为巨型框架-支撑外露体系。,上海证券大厦,图例：巨型结构（深圳亚洲大酒店）,深圳大酒店结构形式,1 地下一层、地上33层，高114。1m2 建筑平面中心部位的三角形芯筒与三个翼肢的端筒形成主框架立柱。3 每隔6层设置主框架箱型大梁。4 次框架6层、顶层为无柱空间、其它柱距4。0m。,图例：深圳大酒店大厦结构平面,图例：巨型结构（深圳新华大厦）,深圳新华大厦结构形式,1。正方形平面，地上35层。2。主体结构芯筒与外圈大型框架组成。3。平面四角大截面双肢柱作为四边主框架四根角柱在主框架大梁间
23、设置310层次框架。,高层建筑结构的特殊布置,一、带转换层的高层建筑结构二、带水平加强层的高层建筑结构,高层建筑结构的特殊布置,三、悬挂式和悬挑式高层建筑结构,结构体系选择,主要考虑因素建筑物高度-结构抗侧刚度与抗震性能建筑物用途-建筑平面布置，空间利用要求高层的控制因素水平荷载和刚度而不是竖向荷载和强度抗侧移能力砖混结构框架结构框剪结构剪力墙结构框筒结构筒中筒结构成束筒结构巨型框架结构,各种结构体系的适用层数：框架结构15层以下（最经济为10层）框架-剪力墙结构30层以下（最适宜为1125层）剪力墙结构-40层以下（最适宜为1640层）框筒结构30层以下筒中筒结构30层以上的超高层,剪力墙的
24、形状和位置,一、剪力墙的形状剪力墙对水平荷载的反应与其形状有关开口的1型、L型、Z型、槽型、I型、T型封闭的方形、三角形、圆形,剪力墙的布置原则,（一）总则1.房屋平立面体型要简单均匀。2.剪力墙应合理地，应可能地离开房屋重心,3.剪力墙布置要对称，以减少结构的扭转效应。当不能对称时，也要使刚度中心尽量和质量中心接近，以减少地震力产生的扭矩。,4.剪力墙应上下层位置对齐，而且宜贯通房屋全高。5.应尽可能采取措施增加剪力墙承担的竖向荷载。6.在非地震区，可根据建筑物迎风面大小、风力大小设置剪力墙，纵横两个方向剪力墙数量可以不同。在地震区，由于两个方向的地震力接近，在纵、横方向上布置的剪力墙数量要
25、尽量接近。,框-剪体系的剪力墙布置,剪力墙数量 以满足位移限制为宜,剪力墙数量约512cm/m2建筑面积剪力墙的布置及间距 将剪力墙分散一些，当做成单片墙时，不宜少于3道，最好是做成筒体形状剪力墙间距不宜过大：现浇楼板，剪力墙间距L=4B预制楼板，剪力墙间距L=2.5B,Diagrid Structures,奈尔维，集结构工程师与建筑师于一身的伟大建筑家说：基于结构设计领域50年的经验，我敢乐观的宣称：结构的科学设计理论将为建筑设计提供无限可能。借助于新型建材和当代技术，一切新的结构方案都有可能，真可谓不怕做不到，就怕想不到。随着社会和经济的发展，建筑日益复杂庞大，它为结构设计开辟了人类历史上前所未有的广阔天地。然而，如果不从实用、坚固和美观的要求出发，如果不对建筑概念、结构分析、和正确的方案实施这三个与结构密切相关的基本因素进行综合思考的话，那么一切每秒的可能都将化为乌有。,
