高层建筑结构设计 1绪论 高层建筑结构设计 1、学习本门课程的重要性 1)一门主要专业课之 2)与先修课程密切联系 3)与毕业设计和毕业后从事专业工作密切相关; 4)培养实践能力和创新精神。 2、本门课程的主要内容 1)绪论 2)结构体系和结构布置 3)荷载和设计方法 4)剪力墙结构分析与设计 5)框-剪结构分析与设计 6)筒体结构分析与设计 3、学习本门课程中可能出现的几个矛盾? 1)课时少与课程内容较多(抓住内容主线、重点突出) 2)推导多、公式多(掌握思路、理解推导原理) 第1章绪论 1概述 问题:高层建筑的定义? 通常以建筑的高度和层数两个指标来判定,但目前还没有一个统一的划分标准 1)国外: 美国规定:高度22~25m以上或7层以上建筑为高层建筑 英国规定:24.3m以上的建筑; 日本规定:8层以上或高度超过31m的建筑 )我国: 《高层民用建筑设计规范》GB50045-95规定:≥10层的居住建筑或≥24m的公 共建筑 ◆《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002):≥10层或≥28m;(本课程内容 的依据) 3)国际上 1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类: 第一类:9~16层(最高50米) 第二类:17~25层(最高75米) 第三类:26~40层(最高100米) 第四类:40层以上(高于100米) 注:高层建筑的高度般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离,不包括局部突出屋 面的楼电梯间、水箱间、构架等高度 4)超高层建筑 最初来源于日本,1995年出现英文词条 Super-tall building 没有明确的分界线和规定,一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑: 通常将高度超过100m或层数在30层以上的高层建筑称为超高层建筑
高层建筑结构设计 1 绪论 -1- 高层建筑结构设计 1、学习本门课程的重要性 1) 一门主要专业课之一； 2）与先修课程密切联系； 3）与毕业设计和毕业后从事专业工作密切相关； 4）培养实践能力和创新精神。 2、本门课程的主要内容 1）绪论 2）结构体系和结构布置 3）荷载和设计方法 4）剪力墙结构分析与设计 5）框-剪结构分析与设计 6）筒体结构分析与设计 3、学习本门课程中可能出现的几个矛盾？ 1） 课时少与课程内容较多（抓住内容主线、重点突出） 2） 推导多、公式多（掌握思路、理解推导原理） 第 1 章 绪论 1.1 概 述 问题：高层建筑的定义 ？ 通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但目前还没有一个统一的划分标准。 1）国外： 美国规定：高度 22~25m 以上或 7 层以上建筑为高层建筑； 英国规定：24.3m 以上的建筑； 日本规定：8 层以上或高度超过 31m 的建筑。 2）我国： 《高层民用建筑设计规范》GB50045-95 规定： ≥10 层的居住建筑或≥24m 的公 共建筑。 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）：≥10 层 或 ≥28m；（本课程内容 的依据） 3）国际上 1972 年国际高层建筑会议将高层建筑分为 4 类： 第一类：9～16 层（最高 50 米） 第二类：17～25 层（最高 75 米) 第三类：26～40 层（最高 100 米） 第四类：40 层以上(高于 100 米） 注：高层建筑的高度般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离，不包括局部突出屋 面 的楼电梯间、水箱间、构架等高度。 4）超高层建筑 最初来源于日本，1995 年出现英文词条 Super-tall building ； 没有明确的分界线和规定，一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑； 通常将高度超过 100m 或层数在 30 层以上的高层建筑称为超高层建筑
高层建筑结构设计 1绪论 1.2高层建筑结构的设计特点 问题:与多层建筑相比有哪些的设计特点? 1、水平荷载成为设计的决定性因素 1)竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比; 2)水平荷载产生的倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。 上;N 内力或位移 结构底部内力N、M与建筑高度H的关系 竖向结构的轴力 N=wH (1.2.1) qH2(水平均布荷载 结构底部的倾覆力矩M= (1.2.2) 39(水平倒三角形荷载) 2侧移成为设计的控制指标 结构顶点的侧移u1与结构高度H的四次方成正比,即 qHr“(水平均布荷载) (12.3) 120EI H(水平倒三角形荷载) 结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系: (1)过大的水平位移会使人产生不安全感,会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏, 造成电梯轨道变形,影响正常使用 (2)过大的侧移会使结构因P-Δ效应而产生较大的附加内力等 3轴向变形的影响在设计中不容忽视 1)竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响
高层建筑结构设计 1 绪论 -2- 1.2 高层建筑结构的设计特点 问题：与多层建筑相比有哪些的设计特点 ？ 1、水平荷载成为设计的决定性因素 1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比； 2）水平荷载产生的倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。 结构底部内力 N、M 与建筑高度 H 的关系 竖向结构的轴力 N = wH （1.2.1） 结构底部的倾覆力矩 ( ) ⎪ ( ) ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = 水平倒三角形荷载 水平均布荷载 2 2 qH 3 1 qH 2 1 M （1.2.2） 2 侧移成为设计的控制指标 结构顶点的侧移ut 与结构高度 H 的四次方成正比，即 ( ) ⎪ ( ) ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = 水平倒三角形荷载 水平均布荷载 4 4 t qH 120EI 11 qH 8EI 1 u （1.2.3） 结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系： （1）过大的水平位移会使人产生不安全感，会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏， 造成电梯轨道变形，影响正常使用； （2）过大的侧移会使结构因 P − Δ 效应而产生较大的附加内力等。 3 轴向变形的影响在设计中不容忽视 1）竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;
高层建筑结构设计 1绪论 2)对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响。 休斯敦75层的某大厦,采用剪力墙和钢柱混合体系,由于钢柱负荷面积大,底层的 轴向压缩变形要比墙多260mm,下料时需加长260mm,并需逐层调整 3)水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响 水平荷载作用下,使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩,另一侧构件产生轴向拉伸 从而产生整体水平侧移 不同层数的双肢剪力墙结构,不考虑轴向变形时内力和侧移的计算误差,如下表所示。 可见,结构层数越多,轴向变形的影响越大。 图12.5给出了水平荷载作用下双肢墙的内力、侧移分布曲线。 图1.2.3竖向结构体系的整体弯曲变形 双肢剪力墙内力与侧移计算误差比较 层数 10 15 内力 (10-15)% 20% (20-30)% 侧移 偏小30% 偏小50% 偏小200 4延性成为结构设计的重要指标 1)延性表示构件和结构屈服后,具有承载能力不降f 低、具有足够塑性变形能力的一种性能。 2)延性系数p:=△/△,,用来衡量延性的大小。 3)延性的大小还表示结构“能量吸收与耗散”能力 的大小 4)为了保证结构具有较好的抗震性能,除承载力 刚度外,还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概 △y 念设计,采取恰当的抗震构造措施来保证 5结构材料用量显著增加 如图1.26所示,为高层建筑钢结构材料用量与高度的关系 1)对于高层建筑结构,随高度增大,材料用量增大较多
高层建筑结构设计 1 绪论 -3- 2）对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响。 休斯敦 75 层的某大厦，采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，底层的 轴向压缩变形要比墙多 260mm，下料时需加长 260mm，并需逐层调整。 3）水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响 水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸， 从而产生整体水平侧移。 不同层数的双肢剪力墙结构，不考虑轴向变形时内力和侧移的计算误差，如下表所示。 可见，结构层数越多，轴向变形的影响越大。 图 1.2.5 给出了水平荷载作用下双肢墙的内力、侧移分布曲线。 双肢剪力墙内力与侧移计算误差比较 层数 项目 10 15 20 内力 (10~15)% 20% (20~30)% 侧移 偏小 30% 偏小 50% 偏小 200% 4 延性成为结构设计的重要指标 1）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降 低、具有足够塑性变形能力的一种性能。 2）延性系数μ： = Δu Δy μ / ，用来衡量延性的大小。 3）延性的大小还表示结构“能量吸收与耗散”能力 的大小； 4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、 刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概 念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。 5 结构材料用量显著增加 如图 1.2.6 所示，为高层建筑钢结构材料用量与高度的关系 1）对于高层建筑结构，随高度增大，材料用量增大较多。 P △u a b c fu fy △y P △u a b c fu fy △y P △u a b c fu fy △y
高层建筑结构设计 1绪论 2)特别是水平荷载对材料用量影响较大。 3)结构方案对材料用量影响很大,水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。 例如: 筒体结构可使结构用钢量大幅度减小,高381m的帝国大厦,采用平面框架 结构体系,用钢量为206kg/m2;采用筒体结构,高344m的约翰汉考克大厦用 钢量仅为146kg/m2,高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/m2
高层建筑结构设计 1 绪论 -4- 2）特别是水平荷载对材料用量影响较大。 3）结构方案对材料用量影响很大，水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。 例如： 筒体结构可使结构用钢量大幅度减小，高 381m 的帝国大厦，采用平面框架 结构体系，用钢量为 206kg/m2；采用筒体结构，高 344m 的约翰.汉考克大厦用 钢量仅为 146kg/m2，高 443m 的西尔斯大厦用钢量仅为 161kg/m2
高层建筑结构设计 1绪论 1.3高层建筑结构的类型 问题:按使用的材料,高层建筑结构的类型? 按使用的材料,髙层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构 等类型 1、砌体结构 公元524年的河南嵩岳寺塔(15层简筒结构,高50m) 公元704年的西安大雁塔(7层砖木结构,总高64m) 公元1055年的河北定县料敌塔(11层筒体结构,高82m 优点:取材容易、施工简便、造价低廉 缺点:脆性材料,强度较低,抗震性能较差; 配筋砌体可改善砌体的受力性能,但较少用于高层。 2、混凝土结构 优点:承力大,刚度好、节约钢、可模性好、耐久、耐火性好 缺点:自重大、施工复杂、建造周期长; 应用情况:我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构。 最早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 目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m,其次是平壤柳京饭店达 105层300m 同友上信 平壤市的柳京饭店 芝加哥西尔斯大厦( Sears tower) 3、钢结构 优点:强度高、自重轻、施工周期短、抗震性能好; 缺点:用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差 应用情况:采用钢结构的高层建筑不断的增多;美国、日本等从钢结构起步建造高层
高层建筑结构设计 1 绪论 -5- 1.3 高层建筑结构的类型 问题：按使用的材料，高层建筑结构的类型？ 按使用的材料，高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构 等类型。 1、砌体结构 公元 524 年的河南嵩岳寺塔 (15 层简筒结构，高 50m) 公元 704 年的西安大雁塔 (7 层砖木结构，总高 64m) 公元 1055 年的河北定县料敌塔 (11 层筒体结构，高 82m) 优点：取材容易、施工简便、造价低廉； 缺点：脆性材料，强度较低，抗震性能较差； 配筋砌体可改善砌体的受力性能，但较少用于高层。 2、 混凝土结构 优点：承力大，刚度好、节约钢、可模性好、耐久、耐火性好 缺点：自重大、施工复杂、建造周期长； 应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构。 最早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。 目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达 78 层 374m，其次是平壤柳京饭店达 105 层 300m。 平壤市的柳京饭店 芝加哥西尔斯大厦(Sears Tower) 3、 钢结构 优点：强度高、自重轻、施工周期短、抗震性能好； 缺点：用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差； 应用情况：采用钢结构的高层建筑不断的增多；美国、日本等从钢结构起步建造高层
高层建筑结构设计 1绪论 建筑的国家已转向发展混凝土结构。 世界上最高的钢结构建筑为美国西尔斯大厦,110层、高443m 4、钢-混凝土组合结构或混合结构 特点:自重轻、施工快、抗震性能好;刚度大、防火好、造价低 定义:钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构 (1)组合结构:将钢骨放在构件内部,外部,采用外包或内填混凝土,称为钢骨混 凝土或钢管混凝土。(形成组合构件) (2)混合结构:指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空 间结构。(形成混合结构) 上海金茂大厦:RC核心筒+外框型钢混凝土柱及钢柱,88层,高420m 上海环球金融中心:RC核心筒+外伸桁架和巨型(型钢)柱,01层,492m
高层建筑结构设计 1 绪论 -6- 建筑的国家已转向发展混凝土结构。 世界上最高的钢结构建筑为美国西尔斯大厦，110 层、高 443m 4、钢-混凝土组合结构或混合结构 特点：自重轻、施工快、抗震性能好；刚度大、防火好、造价低 定义：钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构 （1）组合结构：将钢骨放在构件内部，外部，采用外包或内填混凝土，称为钢骨混 凝土 或钢管混凝土。（形成组合构件） （2）混合结构：指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空 间结构。（形成混合结构） 上海金茂大厦：RC 核心筒+外框型钢混凝土柱及钢柱，88 层，高 420m 上海环球金融中心：RC 核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱,101 层,492m
高层建筑结构设计 1绪论 台北101大楼:方钢管RC柱,RC核心筒,高508米,地下5层,地上101层 世贸双塔,“9.11”恐怖袭击中倒塌
高层建筑结构设计 1 绪论 -7- 台北 101 大楼：方钢管 RC 柱，RC 核心筒, 高 508 米，地下 5 层，地上 101 层 世贸双塔，“9.11”恐怖袭击中倒塌
高层建筑结构设计 1绪论 1.4高层建筑的发展概况 1.国外发展概况: 1)19世纪中期~19世纪末为高层建筑的形成期。 ◆1851年发明了电梯系统,使人们建造更高的建筑成为可能。 1898年纽约建造了 Park row大厦(30层118m)。 ◆采用铸铁框架到钢框架. 2)20世纪末~20世纪50年代:发展期 ◆提出在框架结构中设置竖向支撑或剪力墙,增加刚度 混凝土作为建筑材料开始进入高层建筑领域 材料强度较低,发展受到限制,仅建造于非地震区, 3)20世纪50年代~目前:繁荣期。 ◆提出了筒体结构设计概念 2.我国近代高层建筑的发展(四个阶段) 第一阶段:新中国成立-60年代末,为初步发展阶段 ◆20层以下的RC框架结构 ◆1959年,北京民族饭店(12层,474m);1964年,北京民航大楼(15层,60.8m);1966 年,广州人民大厦(18层,63m 第二阶段:70年代,为发展阶段; ◆20~30层的旅馆、办公楼 ◆1974年,北京饭店新楼(20层,874m);1976年,广州白云宾馆(33层、114m), 北京前门40幢9~16层大模板施工的剪力墙住宅楼。 第三阶段:80年代,繁荣期 ◆层数和高度不断突破,结构体系多样化 ◆深圳发展中心大厦,(43层,165.3m,我国第一座大型高层钢结构建筑,广州国际 大厦,(63层,高200m) 第四阶段:90年代开始,建成了多座200米以上的高层建筑 思考题 (1)我国对高层建筑结构是如何定义的? (2)高层建筑结构的受力及变形特点是什么?设计时应考虑哪些问题? (3〕从结构材料方面来分,高层建筑结构有哪些类型?各有何特点? (4)国内外高层建筑的发展各划分为哪几个阶段?
高层建筑结构设计 1 绪论 -8- 1.4 高层建筑的发展概况 1. 国外发展概况： 1）19 世纪中期~ 19 世纪末为高层建筑的形成期。 1851 年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能。 1898 年纽约建造了 Park Row 大厦（30 层 118m）。 采用铸铁框架到钢框架. 2）20 世纪末~ 20 世纪 50 年代：发展期。 提出在框架结构中设置竖向支撑或剪力墙，增加刚度。 混凝土作为建筑材料开始进入高层建筑领域。 材料强度较低，发展受到限制，仅建造于非地震区。 3）20 世纪 50 年代~目前：繁荣期。 提出了筒体结构设计概念. 2． 我国近代高层建筑的发展（四个阶段） 第一阶段： 新中国成立~60 年代末，为初步发展阶段； 20 层以下的 RC 框架结构 1959 年，北京民族饭店(12 层，47.4m)；1964 年，北京民航大楼(15 层，60.8m)； 1966 年，广州人民大厦(18 层，63m)。 第二阶段：70 年代，为发展阶段； 20～30 层的旅馆、办公楼。 1974 年，北京饭店新楼(20 层，87.4m)；1976 年，广州白云宾馆(33 层、114.m) ， 北京前门 40 幢 9∼16 层大模板施工的剪力墙住宅楼。 第三阶段：80 年代，繁荣期； 层数和高度不断突破，结构体系多样化。 深圳发展中心大厦，(43 层，165.3m)，我国第一座大型高层钢结构建筑，广州国际 大厦, (63 层，高 200m)。 第四阶段：90 年代开始，建成了多座 200 米以上的高层建筑。 思考题 （1）我国对高层建筑结构是如何定义的？ （2）高层建筑结构的受力及变形特点是什么？设计时应考虑哪些问题？ （3）从结构材料方面来分，高层建筑结构有哪些类型？各有何特点？ （4）国内外高层建筑的发展各划分为哪几个阶段？