高层建筑的结构方案设计说明.docx
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高层建筑的结构方案设计说明
高层建筑的结构方案设计
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高层建筑结构方案设计
1.1概述
高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活需要的产物，是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。
科学技术的进步、经济的发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。
自从第一栋高层建筑以来，当今世界的高层建筑发展
改革开放以来，我国高层建筑如雨后春笋迅速发展。
据资料统计，建设部系统国有建筑企业逐年竣工10层以上建筑，从1984年的263万m2,猛增至1995年的1841万m2；1995年竣工面积为1993年的2.12倍。
见表1：
表1建设部系统国有建筑企业19841995年10层以上建筑竣工简表
年份
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
累计
面积
263
386
536
646
775
888
878
841
928
867
1376
1841
10225
栋数
303
381
514
618
711
702
655
590
653
828
1021
1259
8235
占全部面积%
5.1
6.5
9.1
10.5
13.2
15.5
14.7
14.1
13.1
10.9
15.7
20.1
12.4
到1999年末，全国国有和集体建筑企业累计建成10层以上建筑估计在3亿m2左右（不包括香港、澳门、台湾地区）。
当今国内最高100栋建筑中，1985年建成的仅1栋（深圳国贸大厦，159m，50层），19891995年建成的有14栋，而19961998年建成的有85栋。
1990年建成的北京京广中心是我国大陆首栋突破200m的超高层建筑，1996年的深圳地王大厦其高度已达325m、81层，1998年的上海金茂大厦又有突破，达421m、88层。
国内已建成最高100栋建筑见附录（截至1998年末）。
对高层建筑的界定，目前全世界还没有一个统一标准。
例
根据联合国科教文组织所属的世界高层建筑委员会的建议，一般将9层以上（含9层）称为高层建筑，并划分为以下四类：
916层，高度不超过50m；
1725层，高度不超过75m；
2640层，高度不超过100m；
40层以上，高度超过100m；
我国«高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）»第1.0.2条规定10层及10层以上或房屋高度超过27m为高层建筑；«高层民用建筑设计防火规范（GB50045-95）»2001年版规定10层及10层以上的居住建筑、建筑高度超过24m的公共建筑为高层建筑；
1.2高层建筑结构作用效应的特点
1.2.1高层建筑结构的受力特点
建筑结构所受的外力（作用）主要来自垂直方向和水平方向。
在低、多层建筑中，由于结构高度低、平面尺寸较大，其高宽比很小，而结构的风荷载和地震作用也很小，故结构以抵抗竖向荷载为主。
也就是说，竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素。
建筑结构的这种受力特点随着高度的增大而逐渐发生变化。
在高层建筑中，首先，在竖向荷载作用下，由图1.2.1-1所示的框架可知，各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为：
边柱N=wlH/2h
中柱N=wlH/h
即框架柱的轴力和建筑结构的层数成正比；边柱轴力较中柱小，基本上与其受荷面积成正比。
就是说，由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大，建筑物层数越多，底层柱轴力越大；顶、底层柱轴力差异越大；中柱、边柱轴力差异也越大。
其次，在水平荷载作用下，作为整体受力分析，如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁，那么由图1.2.1-2、图1.2.1-3所示其底部产生的倾复弯矩为：
水平均布荷载Mmax=qH2/2
倒三角形水平荷载Mmax=Qh3/3
即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。
就是说，建筑结构的高度越大，由水平作用对结构产生的弯矩就更大，较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加更快，其产生的结构内力占总结构内力的比重越大，从而成为结构强度设计的主要控制因素。
1.2.2高层建筑结构的变形特点
在竖向荷载作用下，高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。
由于各竖向构件的应力大小不同，因而其压缩变形大小也不同。
在钢筋混凝土结构中，由于在施工过程中的找平，
同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同，若不对基底应力进行调整，也可能导致基础产生不均匀沉降。
在水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：
水平均布荷载△max=qH4/8EI
倒三角形水平荷载△max=11qH4/120EI
式中EI为结构的
从以上可看出,结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。
则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，这就说明，高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。
水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。
结构应具备较大的抗侧刚度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。
在地震区，还要求建筑物能抗震。
由于地震是一种瞬时作用，但作用所产生的效应非常强烈，故结构的过大变形是不可避免的（这种变形在不发生地震时是不允许的），这就要求结构有较好的延性，能在强烈地震作用下结构虽产生较大变形而不破坏。
基础的转动
1.2.3高层建筑结构的P-Δ效应
如上所述，高层建筑结构在水平荷载作用下将产生侧移，由于侧移而引起竖向荷载的偏心又使结构产生附加内力，这个附加内力反过来又又使结构的侧移进一步加大。
对非对称结构，平移与扭转耦联，当结构产生扭转时，竖向荷载的合力和抗侧力构件的形心将产生偏心也会产生附加内力。
这种由于竖向荷载作用下所产生的内力和侧移增大的现象称之为P-Δ效应。
1.2.4高层建筑结构构件的受力特点
构成高层建筑结构的主要受力构件有剪力墙、框架柱、梁和楼板。
剪力墙、框架柱是竖向构件，它们是形成结构抗侧力刚度的最主要构件，承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载；框架梁、楼板是水平构件，结构各楼层的竖向荷载通过楼板传至框架梁再传给竖向构件，同时，对结构抗侧力刚度也有贡献颇的框架梁，还和竖向构件一起承担整个结构的荷载水平荷载；次外，有些高层建筑结构还有斜向构件，它们对结构抗侧力刚度贡献很大，对构件之间的传力起着重要作用，除自重外，一般不直接受荷。
1.2.5高层建筑结构的设计要求
强度
刚度
稳定性
2.2控制结构侧移大小保证建筑使用功能和安全的主要相关因素。
1.结构在水平阵风作用下，当振动加速度α超过0.015G时会使人的正常生活受影响，因为加速度α=A（2πf），当频率f为定值时，α与振幅A成正比，因此结构的侧移幅值的大小要受限制。
2．过大的侧移易使隔墙、围护结构以及高级装修受损，地震或阵风引起的过大变形也会造成电梯轨道无法使用。
3．结构过大的变形会引起结构的二阶效应，造成结构杆件产生附加内力，影响结构承载力。
虽然受上述因素的影响，但考虑到钢结构自身具有很强的变形能力而且在钢结构中采用的隔墙、装饰材料又多为较轻，采用的幕墙、悬挂板、铝板等变形能力较强，所以钢结构JGJ99-98标准中规定的限值标准要比钢筋混凝土结构规定的限制标准宽松。
2.3我国现行规范中规定的主要限定标准
1．风荷载作用下房屋顶点质心位置的侧移应H/500（总高），各层质心层间位移H/400（总高）且结构平面端部构件的最大侧移值不得超过质点侧移值的1.2倍。
2．地震作用下，第一阶段抗震设防时在多遇地震作用下结构层间位移应≤h/250，且结构平面端部构件最大侧移值不得超过质心位置侧移的1.3倍。
对于框架—支撑（剪力板）体系中总框架所承担的地震剪力不得小于结构底部总剪力的25%，当对结构平面的两个主轴方向分别计算水平地震效应时，要求角柱和两个方向的支撑（或剪力墙板）所共有的柱构件应在这地震剪力的基础上再将杆件内力提高30%进行设计。
3．在第二阶段抗震设计时结构层间位移应≤h/70，层间侧移延性比（指结构层间最大侧移与其弹性侧移之比）不得超过下表中限值：
结构种类
结构体系
层间侧移延性比
全钢结构
框架体系
3.5
框架偏心支撑
3.0
框架中心支撑
2.5
钢骨结构
型钢—混凝土框架
2.5
钢—混凝土混合
2.0
4．风荷载作用下顺风和横风向顶点最大加速度应满足以下要求：
对公共建筑aw（或atr）≤0.20m/s2
对公寓建筑aw（或atr）≤0.28m/s2
5．园筒形平面的高层建筑容易因横向风引起的涡流共振，为防止横风向引起共振，因此JGJ99-98中采用房屋顶部风速来限制要求：
顶部风速VnVcr=5D/T1（T1为直径D的结构基本自振周期）
当满足不了Vn6．为了较合理选择适宜的结构方案规范对不同的结构种类提出了结构高宽比限值。
1.3高层建筑的作用
1.3.1高层建筑的静荷载
1.3.2高层建筑的活荷载
1.3.2.1楼面和屋面活荷载
第3.1.1条民用建筑楼面均布活载的标准值及其组合值，频遇值和准永久值系数，应按《建筑结构荷载规范》GBJ50009-××××（以下简称《荷载规范》）的第4.1.1条的规定采用，该条无规定者，可按本规定表3.1.1采用。
民用建筑楼面均布活载表3.1.1
项次
类别
标准值
（kN/m2）
组合值系数φc
频遇值系数φf
准永久值系数φg
一
酒吧间、展销间
3.0-4.0
0.7
0.6
0.5
二
体操房、娱乐室
3.5-5.0
0.7
0.6
0.5
三
宾馆、饭店建筑
1
宴会厅
3.0-4.0
0.7
0.5
0.5
2
厨房：
中小型
4.0-5.0
0.7
0.6
0.5
大型
6.0-8.0
0.7
0.6
0.5
3
洗衣房
4.0-5.0
0.7
0.6
0.5
4
贮藏室
5.0-8.0
0.7
0.6
0.8
四
电子计算机房
1
一般微机
3.0
0.7
0.6
0.5
2
网络中心
4.5
0.7
0.6
0.5
五
电梯间机房
6.0
0.7
0.6
0.6
六
图书馆档案的书库和档案
1
一般排列时
5.0-7.0
0.7
0.6
0.8
2
密集排列时
≥10.0
0.7
0.6
0.8
七
电话交换机房
6.0
0.7
0.6
0.6
八
多层停车库的车道
5.5
0.7
0.6
0.6
九
医院建筑
注
（1）本表所列各项活载适用于一般的使用条件，当使用荷载较大时，应按实际情况采用。
（2）第五项活载应按电梯产品规格规定采用。
（3）第八项活载只适用于停放轿车的车库。
（4）医疗建筑的活载按实际情况采用。
（5）本表各项活载未包括隔墙自重。
第3.1.2条设计楼面梁、墙、柱及基础时，民用建筑楼面均匀活载标准值的折减系数应按《荷载规范》第4.1.2条规定。
表3.1.1中的楼面活载标准值按下列规定乘以相应的折减系数。
一、设计楼面梁时的折减系数
1．第一～七项和第九项，当楼面梁的从属面积超过50m2时取0.9。
2．第八项取0.8。
二、设计墙、柱及基础时的折减系数采用与其楼面梁相同的折减系数。
第3.1.3条工业建筑楼面活荷载的标准值及其系数，应按《荷载规范》第4.2.1～第4.2.3条及附录C采用。
当设计楼面梁、墙、柱及基础时，其楼面活载标准值的折减系数，按表3.1.3的规定采用。
工业楼面活荷载标准值折减系数表3.1.3
类别
折减系数
备注
生产车间
＞10kN/m2
0.6～0.8
≤10kN/m2
0.7～0.8
折减后不少于4kN/m2
仓库
按实际情况定
第3.1.4条楼面的附加悬挂管道荷载标准值，应按实际情况确定，当缺乏资料时，对一般管道采用0.5～1.0kN/m2，其组合值系数Фc=0.7，频遇值系数Фf=0.6；准永久值系数Фg=0.6
第3.1.5条作用在多层工业建筑的板面和次梁（肋）上的非承重隔墙荷载，可按等效均布荷载的确定方法，求得构件上的隔墙荷载增值标准值，为了简便计算，可根据隔墙重量和楼面活载标准值，按表3.1.5确定隔墙荷载增值标准值，并应注意下列条件要求：
一、任何情况下，布置在板面和次梁（肋）上的隔墙宜采用轻质隔墙；应尽量不采用重隔墙。
二、适用于现浇板或具有良好整体作用的装配整体式楼板。
三、双向板及无梁楼板等上的隔墙荷载增值标准值，应按等效原则另行计算。
四、隔墙尽量布置在次梁（肋）上，或布置在距次梁（肋）中线左右1/5板跨范围内（即避免在板跨中3/5的范围内布置）
作用在板面和次梁（肋）上的隔墙荷载增值表3.1.5
隔墙荷载增值
（kN/m2）
隔墙重kN/m
备注
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
楼
面
活
荷
载
（kN/m2）
3.0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
4.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0.5
1.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
6.0
0.5
1.0
2.0
2.5
3.0
3.5
7.0
0.5
1.0
2.0
2.5
3.0
8.0
0.5
1.0
2.0
2.0
9.0
0.5
1.0
1.0
10.0
0.5
第3.1.6条作用在多层工业建筑的主梁或框架梁上的非承重隔墙荷载可根据隔墙重量和作用位置，按等效原则计算确定其隔墙荷载增值标准值。
对直接设置在主梁或框架梁上的隔墙荷载，可不考虑楼板的整体作用，全部由主梁或框架梁承受。
第3.1.7条用等效均布荷载进行计算时，仍可采用实际连续结构的计算简图。
对于仓库及活荷载的分布可能出现较大变化的楼层结构，应考虑荷载的不利布置影响，可以采用简单方法，如对框架梁可将按满载计算的跨中弯矩乘以考虑活载不利布置影响的内力增大系数1.1～1.2。
第3.1.8条高层建筑结构的活荷载在计算内力时，可不作最不利布置，按满载计算。
第3.1.9条居住建筑的非人防地下室顶板，若考虑作为地震时疏散用，其顶板活荷载应按倒塌荷载30kN/m2计算。
第3.1.10条采用钢筋混凝土自防水平屋面，宜考虑有增设防水措施的可能，一般可按0.3kN/m2采用。
第3.1.11条平屋面兼作公共活动场所用途时，其屋面均布活荷载应根据使用性质类别，按相应的楼面均布活载采用，但不应小于2.5kN/m2,组合值系数0.7，频遇值系数0.6，准永久值系数按相应的楼面均布活荷载采用。
第3.1.12条作屋顶花园使用的平屋面
有草皮部份：
其屋面均布活载应按其实际复盖的草皮构造类别，厚度等而定。
除考虑屋面承重构件，建筑防水构造等材料自重外，一般考虑100mm厚卵石滤水层，300～500mm厚浸水饱和土层（或其它轻质培养粉）等材料重。
若无具体资料可按12.0kN/m2采用，其组合值系数0.7，频遇值系数0.6，准永久值系数0.6。
无草皮部份：
屋面均布活荷载可按不小于4.0kN/m2,其组合值系数0.7，频遇值系数0.6，准永久值系数0.6。
第3.1.13条当高层建筑的平屋面作为直升机停机坪时，其直升机平台的活荷载应采用下列两款中能使平屋面产生最大内力的荷载。
一、直升机总重量引起的局部荷载，按实际最大起飞重量决定的局部荷载标准值乘以动力系数1.4确定；当没有机型技术资料时，局部荷载标准值及其作用面积可根据直升机类型按表3.1.13采用。
局部荷载标准值及其作用面积表3.1.13
直升机类型
局部荷载标准值
（kN）
作用面积
（m2）
轻型
20.0
0.20×0.20
中型
40.0
0.25×0.25
重型
60.0
0.30×0.30
二、等效均布活载5kN/m2
第3.1.14条平屋面，雨蓬，屋顶游泳池等应考虑泄水孔有堵塞可能产生的积水重量，积水深可按边缘构件具体情况考虑。
第3.1.15条屋面、楼面活荷载，设备荷载及施工、检修荷载等应在施工设计图上注明。
第3.1.16条对屋面、楼面活荷载不同于设计规范规定值时，可按实际情况，进行调研或可靠依据后确定。
第3.1.17条对于活荷载占总荷载之比例少于25%，以及活荷载不大于0.5kN/m2的构件，宜在设计中适当留有余地。
1.3.2.2施工和检修荷载及栏杆水平荷载
第3.1.18条计算叠合梁的框架第一阶段的内力时，施工荷载一般按1.0kN/m2采用；当为悬挑结构时，按1.5kN/m2采用。
第3.1.19条采用滑升模板工艺施工时的各种滑模装置荷载，建议按下列参考数值采用。
一、操作平台荷载：
模板、围圈、提升架自重1.5～2.0kN/m2;
操作平台自重0.6kN/m2;
吊脚手架自重0.3kN/m2。
二、操作平台上施工荷载：
施工人员、工具和存放材料：
设计平台铺板及檩条2.5kN/m2;
设计平台桁架1.5kN/m2;
设计围圈及提升架1.0kN/m2;
平台上放置设备时，应按实际重量计算确定荷载。
三、振捣混凝土时的侧压力6.0～7.5kN/m2（按模板面积）
四、模板与混凝土的摩阻力：
钢模板1.5～3.0kN/m2;
木模板2.0～3.5kN/m2。
第3.1.20条采用滑模、大模板、全现浇等工艺施工时，材料、构件、施工设备的重量，一般按2.7～3.0kN/m2考虑。
第3.1.21条附墙塔式起重机在建筑物的附着装置所传给结构的水平反力，应考虑非工作状态时的最大风荷载及满载起吊时的两种情况。
此时可视塔式起重机为悬臂连续梁，附着装置为梁的支承点，按此计算图式分别求出、取其较大值。
第3.1.22条高层建筑装饰阶段的施工荷载，建议取2.0kN/m2。
第3.1.23条多层停车库的栏杆水平荷载可取2.0kN/m2,作用于离地（楼）面0.5m处。
1.3.2.3其他荷载
第3.1.24条高层建筑的结构自重（单位面积），在方案或初步设计阶段时，可按表3.1.24估算：
高层建筑的结构自重表3.1.24
结构类型
墙体材料
自重（kN/m2）
框架
轻质墙
8.0～12.0
砖墙
10.0～14.0
框架—剪力墙
轻质墙
10.0～14.0
砖墙
12.0～16.0
剪力墙
混凝土
14.0～18.0
第3.1.25条外围砖墙的重量一般宜按实际情况计算，为简化计算，可将无洞口砖墙（包括内外粉刷）的重量乘以洞口折减系数φ，对于民用建筑，φ取用0.65;对于一般厂房，φ取用0.7；对于仓库，φ取用0.85。
1.3.3高层建筑的风荷载
第3.2.1条垂直于多层和高层建筑表面上的风荷载标准值，当计算主要承重结构时，应按下式计算
βz——高度z处的风振系数；μs——风荷载体型系数
μz——风压高度变化系数W0——基本风压值（kN/m2）
当计算围护结构时应按下式计算
（3.2.1-2）
式中βgz——高度Z处的阵风系数见表3.2.1
阵风系数βgz表3.2.1
离地面高度
m
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
1.69
1.88
2.30
3.21
10
1.63
1.78
2.10
2.76
15
1.60
1.72
1.99
2.54
20
1.58
1.69
1.92
2.39
30
1.54
1.64
1.83
2.21
40
1.52
1.60
1.77
2.09
50
1.51
1.58
1.73
2.01
60
1.49
1.56
1.69
1.94
70
1.48
1.54
1.66
1.89
80
1.47
1.53
1.64
1.85
90
1.47
1.52
1.62
1.81
100
1.46
1.51
1.60
1.78
150
1.43
1.47
1.54
1.67
200
1.42
1.44
1.50
1.60
250
1.40
1.42
1.46
1.55
300
1.39
1.41
1.44
1.51
350
1.38
1.39
1.42
1.47
400
1.38
1.38
1.40
1.45
450
1.37
1.37
1.39
1.43
基本风压值W0按《荷载规范》全国基本风压分布图或附录D.4中给出的风压（1/50）采用，但不得小于0.3kN/m2。
基本风压是以当地比较空旷平坦地面上离地10m高统计所得的。
50年一遇10分平均最大风速U0（m/s）为标准，按W0=1/2ρU02确定风压；ρ为空气密度（t/m3）,可按《荷载规范》附录D第D.2.2条确定。
对风荷载敏感的结构，基本风压W0可适当提高。
风荷载的组合值系数，频遇值系数和准永久值系数分别取
第3.2.2条风压高度变化系数μz，应按地面粗糙度类别按表3.2.2确定，地面粗糙度分为A、B、C、D四类。
A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区。
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。
C类指有密集建筑群的城市市区。
D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
风压高度变化系数μz表3.2.2
离地面或海平面高度
m
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
1.17
1.00
0.74
0.62
10
1.38
1.00
0.74
0.62
15
1.52
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20
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