高层建筑结构设计.ppt

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高层建筑结构设计,孙勇土木工程系,第一章高层建筑结构概述第二章高层建筑结构布置第三章高层建筑结构荷载与作用第四章高层建筑结构分析第五章框架结构设计第六章剪力墙结构设计第七章框架剪力墙结构设计第八章筒体结构设计第九章复杂高层建筑结构设计第十章高层建筑结构基础第十一章高层建筑钢-混凝土混合结构第十二章高层建筑结构性能与控制,第二章高层建筑结构布置,高层建筑最突出的外部作用是水平荷载，故其结构体系常称为抗侧力体系。

基本的抗侧力结构单元有框架、支撑、剪力墙、筒体等，由它们可以组成各种结构体系。

在高层建筑结构设计中，正确地选用结构体系和合理地进行结构布置是非常重要的。

第一节结构体系,高层建筑结构是由水平构件和竖向构件组成的空间结构，它们不同的组成方式和荷载传递途径，构成了不同的结构体系。

图2-1典型平面抗侧力机制,一、框架结构体系框架结构体系是指由梁和柱通过节点连接而成的结构体系。

图2-3框架结构典型平面,1普通框架结构,图24框架结构的几种平面布置形式,图25北京长城饭店平面,图2-6北京长富宫饭店平面,2异形柱框架结构当框架柱为混凝土异形柱时，结构体系就变为异形柱框架结构。

异形柱是指截面几何形状为L形、T形和十字形，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。

图2-7异形柱框架结构平面示例,3支撑框架结构支撑框架结构是指在普通框架中增加斜撑，使结构承载能力增强、抗侧刚度增大、延性改善的结构形式。

图2-8北京京广中心大厦结构平面示意（a）638层；（b）4052层,根据结构形式和受力性能可分为中心支撑和偏心支撑。

图2-9深圳发展中心结构平面,二、剪力墙结构体系用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构体系。

剪力墙指的是竖向的钢筋凝土墙板，水平方向是一层层的钢筋混凝土楼板，搭在墙上，这样构成一个空间结构体系。

当水平荷载作用时，沿每层楼板处产生一个相对的抵抗力，这样在竖向墙体上就会有一对相互作用力，正好相当于受到剪切，因此把这种墙体称为剪力墙。

1普通剪力墙结构,图2-11北京国际饭店（34层，104m）,图2-12广州白天鹅宾馆（36层，100m）,图2-13广州白云宾馆（33层，114.05m）,2短肢剪力墙结构短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为58的剪力墙,图2-14短肢剪力墙较多的剪力墙结构,3框支剪力墙结构为了扩大剪力墙结构的应用范围，在城市临街建筑中，可将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，形成框支剪力墙。

图2-15部分框支剪力墙结构,图2-16底部大空间剪力墙结构（a）结构底部；（b）结构上部,图2-17底部大空间楼层剪力墙的最佳布置方案,图2-18北京中国大饭店（a）421层结构平面；（b）13层结构平面,三、框架剪力墙结构体系,为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系，称为框架-剪力墙结构。

当楼盖为无梁楼盖，由无梁楼板与柱组成的框架称为板柱框架，而由板柱框架与剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构，称为板柱-剪力墙结构，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构类似。

1框架剪力墙结构,图2-19上海宾馆平面布置图,图2-20北京饭店东楼（19层，87.15m）,2板柱剪力墙结构板柱-剪力墙结构是由楼板、柱、剪力墙共同组成的结构体系，楼板直接搁置在柱或剪力墙上，结构中一般没有梁构件，是一种无梁楼盖体系。

四、筒体结构体系,图2-21筒体的基本形式（a）实腹筒；（b）框筒；（c）桁架筒,1框筒结构,图2-22美国纽约世界贸易中心框筒体系示意,图2-23芝加哥标准石油公司怡安中心框筒体系,2筒中筒结构,图2-24广东国际大厦主楼标准层结构平面,图2-25上海国际贸易中心大楼结构示意,（a）平面图（b）剖面图图2-26广州中信广场,图2-27香港中环广场（a）标准层平面；（b）底层平面；（c）立面,图2-28深圳国际贸易中心大厦（50层，158.65m）,3束筒结构,图2-29束筒平面,图2-68美国OneMagnificentMileBuilding结构平面,4框架核心筒结构,图2-30上海联谊大厦,图2-31北京新世纪饭店,五、巨型结构,巨型框架结构,第二节结构选型,结构选型就是根据建筑的功能要求，确定一个与其匹配的安全可靠、经济合理的结构体系，使结构效能得到充分发挥，建筑材料得到充分利用。

高层建筑结构选型的主要内容包括：

选择合适的抗侧力体系；选择合适的楼面结构；选择合适的基础形式。

一、抗侧力体系的选择选择结构体系通常应考虑两个主要因素：

建筑物的高度及其用途。

不同结构体系的刚度和承载力均不相同，它们的适用高度也不一样。

图2-32各种结构体系可能达到的楼层高度,1适用高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度分为A级和B级两种，其最大高度要求见表2-1：

表2-1钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）,钢结构房屋适用的最大高度（m）表2-2,钢-混凝土混合结构房屋适用的最大高度（m）续表2-2,钢结构和混合结构房屋的最大适用高度如表2-2。

2高宽比高层建筑中侧向位移控制是结构设计中的主要矛盾，而且随着高度增加，倾覆力矩也将迅速增大。

因此，建造宽度很小的建筑物是不适宜的。

一般应将结构的高宽比（H/B）控制在56。

表23钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比,钢结构房屋适用的最大高宽比表2-4,钢-混凝土混合结构房屋适用的最大高宽比表2-5,在复杂体型的高层建筑中，如何确定高宽比是比较困难的问题。

一般情况，可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比，但对于凸出建筑物平面很小的局部结构（电梯间、楼梯间等），一般不应包括在计算宽度之内。

对于不宜采用最小投影宽度计算高宽比的情况，应根据实际情况确定合理的计算方法。

对带有裙房的高层建筑，当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时，计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。

3、结构体系的选用,在建筑师层出不穷的心方案面前，结构工程师必须响应挑战，不能墨守成规，而又必须稳妥可靠的受力合理、规则可行的结构体系。

规则结构一般指：

体型（平面和立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀、无突变。

实际工程设计中，要使结构方案规则往往比较困难，有时会出现平面或竖向布置不规则的情况。

但无论采用何种结构体系，都应使结构：

具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；对可能出现的薄弱部位，在设计中应采取有效措施，增强其抗震能力；宜具有多道防线，避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受水平风荷载、地震作用和重力荷载的能力。

重庆万豪国际金融中心建筑平面为方形对称，立面规整，位于重庆市解放碑，建成后为西南第一高楼。

因规划变更等原因，先后经过两次设计，两次设计的结构选型各有特点。

图2-33重庆万豪国际金融中心,第一次设计：

地下5层，地上74层，总高319.8m，标准层平面尺寸41m41m，高宽比为7.8，为我国最高的全钢结构。

结构体系为框架-核心筒，外框为钢框架，内筒为钢框架支撑结构构成的桁架筒。

结构设计主要目标之一是保证适宜的侧向刚度和使用者的舒适条件。

为此，采取的措施是：

设置了四道伸臂钢桁架和环带腰桁架作为加强层，可改善周期及位移25%。

经计算，第一周期T1=8.09s，较长，最大层间位移=1/420；在顶部设置制振水箱，经计算可减少风荷载下位移的1/3；地下5层到8层采用钢骨混凝土柱及梁，增加了结构刚度；核芯筒中部分采用了偏心支撑，提高了结构延性。

第二次设计：

地下5层，地上78层，总高352.7m，平面尺寸46m46m，高宽比为7.6，为钢-混凝土混合结构。

结构体系为混合框架-混凝土核芯筒结构，外框40层以下采用钢骨混凝土叠合柱，40层以上采用钢管混凝土柱，直径为1400600，内筒采用混凝土核芯筒。

设置了四道伸臂桁架和环带腰桁架作为加强层。

经计算，第一周期T1=7.30s，最大层间位移=1/688。

（a）（b）图2-34结构布置（a）钢结构标准层；（b）混合结构标准层,经验算，在罕遇地震作用下，全钢结构及混合结构的主要竖向承重构件均未屈服，仅部分梁及支撑发生屈服，可以保证大震不倒的性能目标。

第二次设计侧向刚度比第一次设计有较大提高。

工程第一次设计后钢结构安装到地上8层时拆除，后仍在原位置按第二次设计进行重新建设。

二、楼盖结构1楼盖结构选型高层建筑的楼面体系可看成二维的整体构件。

在竖直方向，它通过抗弯起着支承楼面和屋面荷载的作用；在水平方向，它起着隔板和连接竖向构件的作用，并成为抗侧力体系中的一部分。

图2-35楼盖的主要结构形式（a）肋梁楼盖；（b）井式楼盖；（c）无梁楼盖；（d）密肋楼盖,肋梁楼盖由梁和板组成，梁的网格将楼板划分为一个一个的板块，通常为矩形板块。

每个板块由周边的梁支承，即楼面荷载由板块传递到梁，再由梁传到柱或墙等竖向承重构件（竖向结构体系）。

按照梁格边长的长宽之比，肋梁楼盖又分为单向板肋梁楼盖和双向板肋梁楼盖。

单向板楼盖,双向板楼盖,井式楼盖中两个方向梁的截面相同，且梁的网格基本接近正方形，即板块均为双向板。

通常，两个方向梁将板面荷载直接传递给结构周边的墙或柱，中部一般不设柱支承，其跨越的平面空间较大。

无梁楼盖是将楼板直接支承于柱上，荷载由板直接传给柱或墙，柱网尺寸一般接近方形。

无梁楼盖的结构高度小，楼板底面平整，支模简单，但楼板厚度大、用钢量较大。

因为楼板直接支承于柱上，板柱节点处受力复杂，柱的反力对楼板来说相当于集中力，容易导致楼板的冲切破坏。

密肋楼盖是采用密排布置的小梁（称为肋），由于肋的间距很小，楼板厚度可以做得很薄，一般公3050mm厚，因此楼板重量较轻，有较好的经济性。

表26高层建筑楼盖结构选型,图2-36刚性与柔性楼盖,在钢结构的高层建筑中，最常用的楼盖结构是在主、次钢梁上铺设压型钢板，然后在压型钢板上面浇筑轻质混凝土的钢-混凝土组合楼盖体系。

它的最大优势是楼盖的自重轻。

图2-37西尔斯大厦楼盖体系（a）桁架楼盖平面图；（b）复合桁架组件,在大跨度的高层建筑中，采用钢桁架来取代实腹梁是很经济的。

虽然桁架的结构高度要比实腹梁高，但由于通风管道等能很方便地从桁架的结构高度（即斜腹杆之间的空隙）内穿越，而不用在桁架的下面再预留空间。

所以其所需要的层间结构高度不见得比采用实腹钢梁的大。

2、竖向荷载传递原则楼面结构的一项重要功能是将竖向荷载分配传递到楼板周边的竖向承重构件上。

图2-38交叉梁的荷载传递（a）集中荷载下的交叉梁；（b）短向L1梁的受力；（c）长向L2梁的受力,（a）（b）（c）,根据两个梁跨中交叉点坚向挠度的变形协调条件有由此可得代入跨中位置的受力平衡方程P1+P2=P，可以得到,两个荷载传递原则：

荷载沿短跨方向的传递大于沿长跨方向的传递，且随长短跨比的增大，荷载沿短跨方向梁传递的荷载与沿长跨方向梁传递的荷载之比P1/P2迅速增长，这就是荷载最短路径传递原则。

荷载沿刚度大的方向传递大于沿刚度小的方向传递，两个方向荷载传递比例与两个方向梁的抗弯刚度基本成正比，即荷载按刚度分配原则。

（a）（b）图2-39（a）EI1=EI2时，P1/P和P2/P随跨度比L1/L2的变化；（b）L1=L2时，P1/P和P2/P随抗弯刚度比EI1=EI2的变化,两条重要结论：

楼板短跨方向及楼面结构刚度较大方向的竖向承重构件将承担较大的竖向荷载，对主要竖向承重构件应予加强，并控制轴压比，以保证结构在水平力作用下具备必要的延性变形能力。

通过调整楼板跨度和楼面结构刚度来调整竖向荷载在竖向承重构件中的分配，使抗倾覆力矩较大的竖向构件承受较多的竖向荷载，这样就能以预压力来平衡（或减小）倾覆力矩所产生的轴向拉力