高层结遐设 教案 山东大学 土建与水利学院 萨云冱
高层建筑结构设计 教案 山东大学 土建与水利学院 薛云冱
目 录 第一章:高层建筑结构体系及布置 …(2) §1-1概述 §1-2高层建筑的结构体系……… §1-3结构总体布置原则… 第二章:荷载及设计要求 …(12) §2-1风荷载 (12) 2-2地震作用…………… …(13) §2-3荷载效应组合及设计要求 第三章:框架结构的内力和位移计算… …(15) §3-1框架结构在竖向荷载作用下的近似计算一分层法………(15) §3-2框架结构在水平荷载作用下的近似计算(一)一反弯点法…(16) §3-3框架结构在水平荷载作用下的近似计算(二)一改进反弯 点(D值)法…… §3-4框架在水平荷载作用下侧移的近似计算… 第四章:剪力墙结构的内力和位移计算 ……………(20 §4-1剪力墙结构的计算方法· (20) §4-2整体墙的计算……… §4-3双肢墙的计算 §4-4关于墙肢剪切变形和轴向变形的影响以及各类剪力墙划 分判别式的讨论 (24) §4-5小开口整体墙的计算………………… ……(29) §4-6多肢墙和壁式框架的近似计算…… 第五章:框架一剪力墙结构的内力和位移计算 …(30) §5-1框架一剪力墙的协同工作………… (30) §5-2总框架的剪切刚度 (31) §5-3框一剪结构铰结体系在水平荷载下的计算………………(32) §5-4框一剪结构刚结体系在水平荷载下的计算 …(33) §5-5框架一剪力墙的受力特征及计算方法应用条件的说明· §5-6结构扭转的近似计算 第六章:框架截面设计及构造 ………(36) §6-1框架延性设计的概念…………………… (36) 6-2框架截面的设计内力……… 6-3框架梁设计 (39) 6-4框架柱设计…… §6-5框架节点区抗震设计……… 第七章:剪力墙截面设计及构造…………… §7-1墙肢截面承载力计算 §7-2连梁的设计…………………………………(53)
1 目 录 第一章：高层建筑结构体系及布置………………………………………………(2) §1-1 概述 …………………………………………………………………(2) §1-2 高层建筑的结构体系 ………………………………………………(7) §1-3 结构总体布置原则 …………………………………………………(9) 第二章：荷载及设计要求…………………………………………………………(12) §2-1 风荷载………………………………………………………………(12) §2-2 地震作用……………………………………………………………(13) §2-3 荷载效应组合及设计要求…………………………………………(14) 第三章：框架结构的内力和位移计算……………………………………………(15) §3-1 框架结构在竖向荷载作用下的近似计算—分层法………………(15) §3-2 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（一）—反弯点法……(16) §3-3 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（二）—改进反弯 点（D 值）法………………………………………………………(17) §3-4 框架在水平荷载作用下侧移的近似计算…………………………(18) 第四章：剪力墙结构的内力和位移计算…………………………………………(20) §4-1 剪力墙结构的计算方法……………………………………………(20) §4-2 整体墙的计算………………………………………………………(22) §4-3 双肢墙的计算………………………………………………………(23) §4-4 关于墙肢剪切变形和轴向变形的影响以及各类剪力墙划 分判别式的讨论 …………………………………………………(24) §4-5 小开口整体墙的计算………………………………………………(29) §4-6 多肢墙和壁式框架的近似计算……………………………………(30) 第五章：框架—剪力墙结构的内力和位移计算…………………………………(30) §5-1 框架—剪力墙的协同工作…………………………………………(30) §5-2 总框架的剪切刚度…………………………………………………(31) §5-3 框—剪结构铰结体系在水平荷载下的计算………………………(32) §5-4 框—剪结构刚结体系在水平荷载下的计算………………………(33) §5-5 框架—剪力墙的受力特征及计算方法应用条件的说明…………(36) §5-6 结构扭转的近似计算………………………………………………(36) 第六章：框架截面设计及构造……………………………………………………(36) §6-1 框架延性设计的概念………………………………………………(36) §6-2 框架截面的设计内力………………………………………………(37) §6-3 框架梁设计…………………………………………………………(39) §6-4 框架柱设计…………………………………………………………(42) §6-5 框架节点区抗震设计………………………………………………(47) 第七章：剪力墙截面设计及构造…………………………………………………(49) §7-1 墙肢截面承载力计算………………………………………………(49) §7-2 连梁的设计…………………………………………………………(53)
第一章高层建筑结构体系及布置 本章重点:①高层结构体系的受力特点 ②高层结构体系的种类及应用范围 ③高层结构体系的总体布置原则 计划学时:5学时 §1-1概述 随着社会经济的不断发展,工业化、城市化进程的不断加快,以及土木工程 和相关领域科学技术水 平的提高,不仅使得高 层、超高层建筑的建造 成为可能,而且发展速 度也越来越快。自从 1885年建成10层高的家 庭生命保险大厦(钢结 构,詹尼设计,1931年 被拆除,通常被认为是 世界第一栋高层建筑) 以后,高层建筑在世界 各国都得到了迅速的发 展,许多高层建筑已成 为了城市的标志性建 筑。目前世界上高度超 过300m的超高层建筑 已达几十幢,其中,位 于马来西亚首都吉隆坡 的石油大厦,高度达到 了4519m,是目前世界 上已建成并投入使用的 最高建筑。近二十年来, 高层建筑、超高层建筑 在我国的发展速度完全 可以用“突飞猛进”来 形容,仅上海市目前的 高层、超高层建筑已达 到了2100幢,高度在100m 马来西亚石油大厦 以上的超高层建筑就有140余幢 其中,上海金茂大厦高度 为420.5m,是我国目前最高的建筑,世界排名第三位。目前世界最高十大建筑
2 第一章 高层建筑结构体系及布置 本章重点：①高层结构体系的受力特点； ②高层结构体系的种类及应用范围； ③高层结构体系的总体布置原则。 计划学时：5 学时 §1-1 概述 随着社会经济的不断发展，工业化、城市化进程的不断加快，以及土木工程 和相关领域科学技术水 平的提高，不仅使得高 层、超高层建筑的建造 成为可能，而且发展速 度也越来越快。自从 1885年建成10层高的家 庭生命保险大厦（钢结 构，詹尼设计， 1931 年 被拆除，通常被认为是 世界第一栋高层建筑） 以后，高层建筑在世界 各国都得到了迅速的发 展，许多高层建筑已成 为了城市的标志性建 筑。目前世界上高度超 过 300m 的超高层建筑 已达几十幢，其中，位 于马来西亚首都吉隆坡 的石油大厦，高度达到 了 451.9m，是目前世界 上已建成并投入使用的 最高建筑。近二十年来， 高层建筑、超高层建筑 在我国的发展速度完全 可以用“突飞猛进”来 形容，仅上海市目前的 高层、超高层建筑已达 到了 2100 幢，高度在 100m 马来西亚石油大厦 以上的超高层建筑就有 140 余幢。 其中，上海金茂大厦高度 为 420.5m，是我国目前最高的建筑，世界排名第三位。目前世界最高十大建筑
和我国内地最高十大建筑见表1-1和表1-2 世界最高十大建筑 表1-1 非名建筑名称|城市建成年份层数高度(m)结构材料用途 石油大厦吉隆坡 451.9 组合多用途 2西尔斯大厦芝加哥1974110 443 办公 金茂大厦 上海 420.5 组合多用途 4世界贸易中心纽约 1972 417 办公 帝国大厦纽约1931102 381 办公 中环大厦香港 374 混凝土办公 中银大厦香港 1989 369 组合 办公 T&C大厦高雄 1997 多用途 艾莫科大厦芝加哥1973 346 办公 10「汉考克大厦芝加哥 44 多用途 我国内地最高十大建筑 表1-2 排名 建筑名称 城市建成年份|层数高度(m)结构材料用途 金茂大厦 上海199888 420.5 合办公、宾馆 地王大厦 深圳|1996 办公 中天(中信)广场 广州|1997 80 322 昆凝土 办公 塞格广场 深圳199872 组合 办公 中银大厦 1996 246 月天大厦 上海199860238混凝土办公 7上海交银金融大厦一北楼上海1998 230 混凝土 办公 武汉世界贸易大厦武汉1998 混凝土 办公 浦东国际金融大厦上海1998 组合 办公 彭年广场 混凝土 高层建筑的出现,不仅改变了城市的建筑布局,而且为当地的经济发展起到 了巨大的带动作用。高层建筑的发展,得益于新材料的不断出现、力学分析方法 和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞 跃。随着高性能材料的不断研制和开发,结构形式合理性的进一步研究,可以预 见,在今后的土木工程领域,高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式, 扮演重要的角色。因此,掌握高层建筑的设计知识,是对土木工程领域技术人员 的基本要求。 、高层建筑的界定 高层建筑有什么特点?或者说什么样的建筑算作高层建筑?对于这一问题, 世界各国有不同的划分标准,或者说不同的国家有不同的规定。1972年召开的 国际高层建筑会议制订了如下的划分标准
3 和我国内地最高十大建筑见表 1-1 和表 1-2。 世界最高十大建筑 表 1-1 排 名 建筑名称 城 市 建成年份 层 数 高度（m） 结构材料 用途 １ 石油大厦 吉隆坡 1996 88 451.9 组合 多用途 ２ 西尔斯大厦 芝加哥 1974 110 443 钢 办公 ３ 金茂大厦 上海 1998 88 420.5 组合 多用途 ４ 世界贸易中心 纽约 1972 110 417 钢 办公 ５ 帝国大厦 纽约 1931 102 381 钢 办公 ６ 中环大厦 香港 1992 78 374 混凝土 办公 ７ 中银大厦 香港 1989 70 369 组合 办公 ８ Ｔ&Ｃ大厦 高雄 1997 85 348 钢 多用途 ９ 艾莫科大厦 芝加哥 1973 80 346 钢 办公 １０ 汉考克大厦 芝加哥 1969 100 344 钢 多用途 我国内地最高十大建筑 表 1-2 排名 建筑名称 城市 建成年份 层数 高度（ｍ） 结构材料 用途 １ 金茂大厦 上海 1998 88 420.5 组合 办公、宾馆 ２ 地王大厦 深圳 1996 81 325 组合 办公 ３ 中天（中信）广场 广州 1997 80 322 混凝土 办公 ４ 塞格广场 深圳 1998 72 292 组合 办公 ５ 中银大厦 青岛 1996 58 246 混凝土 办公 ６ 明天大厦 上海 1998 60 238 混凝土 办公 ７ 上海交银金融大厦－北楼 上海 1998 55 230 混凝土 办公 ８ 武汉世界贸易大厦 武汉 1998 58 229 混凝土 办公 ９ 浦东国际金融大厦 上海 1998 56 226 组合 办公 １０ 彭年广场 深圳 1998 58 222 混凝土 宾馆 高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑布局，而且为当地的经济发展起到 了巨大的带动作用。高层建筑的发展，得益于新材料的不断出现、力学分析方法 和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞 跃。随着高性能材料的不断研制和开发，结构形式合理性的进一步研究，可以预 见，在今后的土木工程领域，高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式， 扮演重要的角色。因此，掌握高层建筑的设计知识，是对土木工程领域技术人员 的基本要求。 一、高层建筑的界定 高层建筑有什么特点？或者说什么样的建筑算作高层建筑？对于这一问题， 世界各国有不同的划分标准，或者说不同的国家有不同的规定。1972 年召开的 国际高层建筑会议制订了如下的划分标准：
①多层建筑 ≤8层 第一类 9~16层 高度≤50m ②高层建筑 第二类 17~25层 高度≤75m 第三类 25~40层 高度≤100m ③超高层建筑 高度>100m 我国《民用建筑设计通则》则规定,10层及 10层以上的住宅建筑以及高度超过24m的公共 建筑和综合性建筑为高层建筑,而高度超过100m 时,不论是住宅建筑还是公共建筑,一律称为超 高层建筑。日本则将5层到15层的建筑称为高 层建筑,超过15层的建筑均为超高层建筑。 事实上,究竟什么样的建筑算作高层建筑, 应该视建筑的结构体系受力特点而定。如果建筑 的结构体系,在侧向力的作用下,表现出了高层 建筑的受力特点,则不论其高度如何,应该按照 高层建筑来对待 、高层建筑的特点 般而论,高层建筑具有占地面积少、建筑 面积大、造型特殊、集中化程度髙的特点。正是 这一特点,使得高层建筑在现代化大都市中得到 了迅速的发展。在现代化大都市中,过度的人口 和建筑密度,城市用地日趋紧张,真可谓寸土千 金,使得人们不得不向空间发展。高层建筑占地 面积少,不仅可以大量的节省土地的投资,而且 有较好的日照、采光和通风效果。但是,随着建 筑高度的增加,建筑的防火、防灾、热岛效应等 已成为人们急待解决的难题。 从受力角度来看,随着高层建筑高度的增 上海金茂大厦 加,水平荷载(风载及地震作用)对结构起的 作用将越来越大。除了结构的内力将明显加大 外,结构的侧向位移增加更快。图1-1是结构 内力(N,M)、位移(△)与高度的关系,其中 弯矩和位移均成指数曲线上升。由此可见,高 层建筑不仅需要较大的承载能力,而且需要较 大的刚度,从而使水平荷载产生的侧向变形限 制在一定的范围内,满足有关规范的要求。 、高层建筑的结构材料 现代高层建筑所采用的材料,主要是钢材和混凝土两种。不同国家、不同地 区、不同结构形式所采用的结构材料不同,大致有以下几种形式
4 ①多层建筑 ≤8 层 第一类 9~16 层 高度≤50m ②高层建筑 第二类 17~25 层 高度≤75m 第三类 25~40 层 高度≤100m ③超高层建筑 ＞40 层 高度＞100m 我国《民用建筑设计通则》则规定，10 层及 10 层以上的住宅建筑以及高度超过 24ｍ的公共 建筑和综合性建筑为高层建筑，而高度超过 100m 时，不论是住宅建筑还是公共建筑，一律称为超 高层建筑。日本则将 5 层到 15 层的建筑称为高 层建筑，超过 15 层的建筑均为超高层建筑。 事实上，究竟什么样的建筑算作高层建筑， 应该视建筑的结构体系受力特点而定。如果建筑 的结构体系，在侧向力的作用下，表现出了高层 建筑的受力特点，则不论其高度如何，应该按照 高层建筑来对待。 二、高层建筑的特点 一般而论，高层建筑具有占地面积少、建筑 面积大、造型特殊、集中化程度高的特点。正是 这一特点，使得高层建筑在现代化大都市中得到 了迅速的发展。在现代化大都市中，过度的人口 和建筑密度，城市用地日趋紧张，真可谓寸土千 金，使得人们不得不向空间发展。高层建筑占地 面积少，不仅可以大量的节省土地的投资，而且 有较好的日照、采光和通风效果。但是，随着建 筑高度的增加，建筑的防火、防灾、热岛效应等 已成为人们急待解决的难题。 从受力角度来看，随着高层建筑高度的增 上海金茂大厦 加，水平荷载（风载及地震作用）对结构起的 作用将越来越大。除了结构的内力将明显加大 外，结构的侧向位移增加更快。图 1-1 是结构 内力（N，M）、位移（△）与高度的关系，其中 弯矩和位移均成指数曲线上升。由此可见，高 层建筑不仅需要较大的承载能力，而且需要较 大的刚度，从而使水平荷载产生的侧向变形限 制在一定的范围内，满足有关规范的要求。 三、高层建筑的结构材料 现代高层建筑所采用的材料，主要是钢材和混凝土两种。不同国家、不同地 区、不同结构形式所采用的结构材料不同，大致有以下几种形式：
1、钢结构 钢材强度高、韧性大、易于 加工。钢结构构件可以在工厂加 1~110层平面 工,缩短了现场施工工期,施工 方便。高层钢结构具有结构断面 小、自重轻、抗震性能好等优点。 67~90层平面 但是,高层钢结构用钢量大, 造价高,而且钢材的防火、防腐 性能不好,需要大量的防火涂料5-6层平面 和防腐处理,增加了工程工期和 造价。 1~50层平面 右图为美国芝加哥的西尔斯 大厦,是目前世界上最高的钢结 构高层建筑。 2、钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构造价低,材 料来源丰富,可以浇注成各种复 杂的断面形式,节省钢材,承载 能力也不低。经过合理的设计 现浇钢筋混凝土结构具有较好的 整体性和抗震性能。尤其是在防 火和耐久性能方面,更是有着钢 西尔斯大厦 结构无法比的优势。其缺点是自 重较大,抗震性能不如钢结构, 建造高度也不如钢结构。香港的中环广场大厦,是目前最高的钢筋混凝土结构, 其次是朝鲜平壤市的柳京饭店,101层,高度319.8m 3、钢一混凝土组合结构 将型钢布置在构件内部,外部由钢筋混凝土做 成,或者是在钢管内部填充混凝土,做成钢一混凝 土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互 补,结构具有很好的抗震性能,建造高度可与钢结 构相当。经济合理、技术性能优良的钢一混凝土组 合结构,是目前的发展趋势。目前世界最高建筑 一吉隆坡的石油大厦,就是这种结构形式。 四、高层建筑的发展简介 高层建筑的发展大致可以分成古代高层建筑 和现代高层建筑两部分。在古代,高层建筑主要是 寺庙或纪念性建筑,结构形式大都是木结构或砖石 结构。如砖塔,许多砖塔经受了上千年的风吹雨打 和地震的摇撼而屹立至今,足见其设计和施工的高河北定县开元寺塔 超技术。但是,真正意义上的高层建筑,却是自从
5 １、钢结构 钢材强度高、韧性大、易于 加工。钢结构构件可以在工厂加 工，缩短了现场施工工期，施工 方便。高层钢结构具有结构断面 小、自重轻、抗震性能好等优点。 但是，高层钢结构用钢量大， 造价高，而且钢材的防火、防腐 性能不好，需要大量的防火涂料 和防腐处理，增加了工程工期和 造价。 右图为美国芝加哥的西尔斯 大厦，是目前世界上最高的钢结 构高层建筑。 ２、钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构造价低，材 料来源丰富，可以浇注成各种复 杂的断面形式，节省钢材，承载 能力也不低。经过合理的设计， 现浇钢筋混凝土结构具有较好的 整体性和抗震性能。尤其是在防 火和耐久性能方面，更是有着钢 西尔斯大厦 结构无法比的优势。其缺点是自 重较大，抗震性能不如钢结构， 建造高度也不如钢结构。香港的中环广场大厦，是目前最高的钢筋混凝土结构， 其次是朝鲜平壤市的柳京饭店，101 层，高度 319.8m。 ３、钢—混凝土组合结构 将型钢布置在构件内部，外部由钢筋混凝土做 成，或者是在钢管内部填充混凝土，做成钢—混凝 土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互 补，结构具有很好的抗震性能，建造高度可与钢结 构相当。经济合理、技术性能优良的钢—混凝土组 合结构，是目前的发展趋势。目前世界最高建筑— —吉隆坡的石油大厦，就是这种结构形式。 四、高层建筑的发展简介 高层建筑的发展大致可以分成古代高层建筑 和现代高层建筑两部分。在古代，高层建筑主要是 寺庙或纪念性建筑，结构形式大都是木结构或砖石 结构。如砖塔，许多砖塔经受了上千年的风吹雨打 和地震的摇撼而屹立至今，足见其设计和施工的高 河北定县开元寺塔 超技术。但是，真正意义上的高层建筑，却是自从
1885年美国芝加哥市建成10层高的家庭生命保险大厦 开始的。此后10年中,在芝加格和纽约相继建成了30 幢类似的高层建筑,尤其是1895年奥提斯(Otis)安 全电梯的投入应用,对高层建筑的发展起到了巨大的推 动作用。20世纪30年代,是现代高层建筑发展的第 个高潮。1931年建成的纽约帝国大厦,102层,高度381m, 保持了世界最高建筑记录长达41年之久。该建筑为钢 结构,采用了框架结构体系。 1929-1933年美国经济发生严重经济危机,1939 年第二次世界大战全面爆发,使得高层建筑的发展几乎 处于停顿状态。二战后,随着钢材焊接技术的成熟和发 展,尤其是60年代美国人坎恩( Fazler Khan)提出的 框筒体系,为建造超髙层建筑提供了理想的结构形式。 纽约帝国大厦 从框筒体系中衍生出来的筒中筒、成束筒等结构体系 将髙层建筑的发展推向了第二个高潮。在美国出现了 批100层以上的超高层建筑。如1969年芝加哥建成了 100层、高344m的汉考克大厦;1972年纽约建成了 110层、高417m的世界贸易中心;1974年芝加哥又建成了110层、高443m的 西尔斯大厦。其中,西尔斯大厦作为新的世界最高建筑,享誉22年之久 日本是一个地震多发生国家,从抗震防灾角度出发,政府曾规定房屋高度不 得超过31m。自从1965年取消此项规定后,高层建筑在日本也得到了充分的发 展 我国的高层建筑的真正发展是在新中国成立以后。在50~60年代,受当时 经济条件的限制,髙层建筑规模小,发展速度也慢。1968年建成的广州宾馆, 27层,高88m,采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构,是60年代我国建成的最高建 筑。70年代以后,高层建筑在我国的发展速度逐渐加快。1974年建成的北京饭 店东楼,19层,髙87.15m,采用现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构,是当时北 京市最高的建筑。尤其是改革开放以后,国民经济的发展为高层建筑的发展创造 了充分的经济基础,科学技术的发展又提供了技术条件,高层建筑,甚至是超高 层建筑在全国各地像雨后春笋般地矗立了起来。1985年,深圳建成了63层、高 15865m的国际贸易中心大厦;两年 后,63层、高200m的广州国际大厦 和57层、高208m的北京京广中心 大厦又相继开工。直到1998年,88 层、高420.5m的上海金茂大厦的建 成,标志着我国高层建筑的建设水平 已经达到了世界先进水平。 但是,高层建筑在向人们展示 它的美丽和优势的同时,也逐渐暴露 出了一些急需解决的问题,如防火、 防灾、热岛效应、交通、污染等。特 别是2001年9月11日,恐怖分子劫 纽约世界贸易中心
6 1885 年美国芝加哥市建成 10 层高的家庭生命保险大厦 开始的。此后 10 年中,在芝加格和纽约相继建成了 30 幢类似的高层建筑，尤其是 1895 年奥提斯（Otis）安 全电梯的投入应用，对高层建筑的发展起到了巨大的推 动作用。20 世纪 30 年代，是现代高层建筑发展的第一 个高潮。1931年建成的纽约帝国大厦，102层，高度381m, 保持了世界最高建筑记录长达 41 年之久。该建筑为钢 结构，采用了框架结构体系。 1929－1933 年美国经济发生严重经济危机，1939 年第二次世界大战全面爆发，使得高层建筑的发展几乎 处于停顿状态。二战后，随着钢材焊接技术的成熟和发 展，尤其是 60 年代美国人坎恩（Fazler Khan）提出的 框筒体系，为建造超高层建筑提供了理想的结构形式。 纽约帝国大厦 从框筒体系中衍生出来的筒中筒、成束筒等结构体系， 将高层建筑的发展推向了第二个高潮。在美国出现了一 批 100 层以上的超高层建筑。如 1969 年芝加哥建成了 100 层、高 344m 的汉考克大厦；1972 年纽约建成了 110 层、高 417m 的世界贸易中心；1974 年芝加哥又建成了 110 层、高 443m 的 西尔斯大厦。其中，西尔斯大厦作为新的世界最高建筑，享誉 22 年之久。 日本是一个地震多发生国家，从抗震防灾角度出发，政府曾规定房屋高度不 得超过 31m。自从 1965 年取消此项规定后，高层建筑在日本也得到了充分的发 展。 我国的高层建筑的真正发展是在新中国成立以后。在 50～60 年代，受当时 经济条件的限制，高层建筑规模小，发展速度也慢。1968 年建成的广州宾馆， 27 层，高 88m, 采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，是 60 年代我国建成的最高建 筑。70 年代以后，高层建筑在我国的发展速度逐渐加快。1974 年建成的北京饭 店东楼，19 层，高 87.15m，采用现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构，是当时北 京市最高的建筑。尤其是改革开放以后，国民经济的发展为高层建筑的发展创造 了充分的经济基础，科学技术的发展又提供了技术条件，高层建筑，甚至是超高 层建筑在全国各地像雨后春笋般地矗立了起来。1985 年，深圳建成了 63 层、高 158.65m 的国际贸易中心大厦；两年 后，63 层、高 200m 的广州国际大厦 和 57 层、高 208m 的北京京广中心 大厦又相继开工。直到 1998 年，88 层、高 420.5m 的上海金茂大厦的建 成，标志着我国高层建筑的建设水平 已经达到了世界先进水平。 但是，高层建筑在向人们展示 它的美丽和优势的同时，也逐渐暴露 出了一些急需解决的问题，如防火、 防灾、热岛效应、交通、污染等。特 别是 2001 年 9 月 11 日，恐怖分子劫 纽约世界贸易中心
机撞毁纽约世界贸易中心大楼,大楼彻底坍塌,造成了巨大的生命和财产损失, 使上述问题受到社会各界的普遍关注。相 信随着科学技术的进步,人们会找到解决 办法,使高层建筑、尤其是超高层建筑更 好地为人类服务。 §1-2高层建筑的结构体系 所谓高层建筑的结构体系,是指结构 抵抗外部作用的构件类型和组成方式。在 高层建筑中,随高度增加,抵抗水平力作 用下的侧向变形是主要问题。因此,抗侧 力结构体系的合理选择和布置,就成为高 层建筑结构设计的关键。高层建筑的基本 抗侧力单元有框架、剪力墙、实腹筒、 框筒等,由此组成的结构体系有以下几种。 纽约世界贸易中心被毁 框架结构体系 框架是由梁和柱刚结而成的平面结构体系。如果整幢结构都由框架作为抗侧 向力单元,就称为框架结构体系 其优点是:①建筑平面布置灵活,分隔方便; ②整体性、抗震性能好,设计合理时结构具有较好的塑性变形能 力 ③外墙采用轻质填充材料时,结构自重小。 其缺点是:侧向刚度小,抵抗侧向变形能力差。正是这一点,限制了框架结 构的建造高度。 其典型布置如图所示 剪力墙结构体系 般是在钢筋混凝土结构中,用实心的钢筋混凝土墙片作为抗侧力单元,同 时由墙片承担竖向荷载。 其优点是:①整体性好、刚度大,抵抗侧向变形能力强 ②抗震性能较好,设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因 而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。 其缺点是:受楼板跨度的限制(一般为3~8m),剪力墙间距不能太大,建 筑平面布置不够灵活。 其典型布置如图所示。 特殊情况下,为了在建筑底部做成较大空间,有时将剪力墙底部做成为框架 柱,形成框支剪力墙 但是这种墙体上、下刚度形成突变,对抗震极为不利。故在地震区不允许采 用框支剪力墙结构体系。可以采用部剪力墙分落地、部分剪力墙框支的结构体系, 并且在构造上 ①落地墙布置在两端或中部,纵、横向连接围成筒体; ②落地墙间距不能过大 ③落地剪力墙的厚度和混凝土的等级要适当提高,使整体结构上、下刚度相
7 机撞毁纽约世界贸易中心大楼，大楼彻底坍塌，造成了巨大的生命和财产损失， 使上述问题受到社会各界的普遍关注。相 信随着科学技术的进步，人们会找到解决 办法，使高层建筑、尤其是超高层建筑更 好地为人类服务。 §1-2 高层建筑的结构体系 所谓高层建筑的结构体系，是指结构 抵抗外部作用的构件类型和组成方式。在 高层建筑中，随高度增加，抵抗水平力作 用下的侧向变形是主要问题。因此，抗侧 力结构体系的合理选择和布置，就成为高 层建筑结构设计的关键。高层建筑的基本 抗侧力单元有框架、剪力墙、实腹筒、 框筒等，由此组成的结构体系有以下几种。 纽约世界贸易中心被毁 一、框架结构体系 框架是由梁和柱刚结而成的平面结构体系。如果整幢结构都由框架作为抗侧 向力单元，就称为框架结构体系。 其优点是：①建筑平面布置灵活，分隔方便； ②整体性、抗震性能好，设计合理时结构具有较好的塑性变形能 力； ③外墙采用轻质填充材料时，结构自重小。 其缺点是：侧向刚度小，抵抗侧向变形能力差。正是这一点，限制了框架结 构的建造高度。 其典型布置如图所示。 二、剪力墙结构体系 一般是在钢筋混凝土结构中，用实心的钢筋混凝土墙片作为抗侧力单元，同 时由墙片承担竖向荷载。 其优点是：①整体性好、刚度大，抵抗侧向变形能力强； ②抗震性能较好，设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因 而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。 其缺点是：受楼板跨度的限制（一般为 3～8m），剪力墙间距不能太大，建 筑平面布置不够灵活。 其典型布置如图所示。 特殊情况下，为了在建筑底部做成较大空间，有时将剪力墙底部做成为框架 柱，形成框支剪力墙。 但是这种墙体上、下刚度形成突变，对抗震极为不利。故在地震区不允许采 用框支剪力墙结构体系。可以采用部剪力墙分落地、部分剪力墙框支的结构体系， 并且在构造上： ①落地墙布置在两端或中部，纵、横向连接围成筒体； ②落地墙间距不能过大； ③落地剪力墙的厚度和混凝土的等级要适当提高，使整体结构上、下刚度相 近；
④应加强过渡层楼板的整体性和刚度 三、框架一剪力墙(框架一筒体)结构体系 将框架、剪力墙两种抗侧力结构结合在一起使用,或者将剪力墙围成封闭的 筒体,再与框架结合起来使用,就形成了框架一剪力墙(框架一筒体)结构体系 这种结构形式具备了纯框架结构和纯剪力墙结构的优点,同时克服了纯框架结构 抗侧移刚度小和纯剪力墙结构平面布置不够灵活的缺点。 其典型布置如图所示。 在框架一剪力墙(框架一筒体)结构体系中,剪力墙的布置应注意以下几点: ①剪力墙以对称布置为好,可减少结构的扭转。这一点在地震区尤为重要; ②剪力墙应上下贯通,使结构刚度连续而且变化均匀 ③剪力墙宜布置成筒体,建筑层数较少时,也应将剪力墙布置成T型、L型、 I型等。便于剪力墙更好地发挥作用; ④剪力墙应布置在结构的外围,可以加强结构的抗扭作用。但是考虑温度应 力的影响和楼板平面内的变形,剪力墙的间距不应过大。剪力墙间距应符 合表1-3的要求。 横向剪力墙的最大间距 表1-3 抗震设计设防烈度 楼盖形式|非抗震设计 6-7度 8度 9度 现浇 ≤5B ≤4B ≤3B ≤2B ≤60m ≤50m ≤40m ≤30m 装配整体≤3.5B ≤3B ≤2.5B Um *B为楼板宽度 四、筒中筒结构体系 筒中筒结构体系是由内筒和外筒两个筒体组成的结构体系。内筒通常是由剪 力墙围成的实腹筒,而外筒一般采用框筒或桁架筒。其中框筒是指由密柱深梁框 架围成的筒体,桁架筒则是筒体的四壁采用桁架做成。与框筒相比,桁架筒具有 更大的抗侧移刚度。 筒体最主要的特点是它的空间受力性能。无论那一种筒体,在水平力的作用 下都可以看成是固定于基础上的悬臂结构,比单片平面结构具有更大的抗侧移刚 度和承载能力,因而适宜建造高度更高的超高层建筑。同时,由于筒体的对称性, 筒体结构具有很好的抗扭刚度。 其典型布置如图所示。 五、多筒体系—一成束筒和巨型框架 当采用多个筒体共同抵抗侧向力时,就成为多筒体系。有以下两种形式 (1)成束筒 两个以上的筒体排列在一起成束状,成为成束筒。成束筒的抗侧移刚度比筒 中筒结构还要高,适宜的建造高度也更高。 (2)巨型框架 利用筒体作为柱子,在各筒体之间每隔数层用巨型大梁相连,由筒体和巨型 梁形成巨型框架。虽然仍是框架形式,由于梁和柱子的断面尺寸很大,巨型框架
8 ④应加强过渡层楼板的整体性和刚度。 三、框架－剪力墙（框架－筒体）结构体系 将框架、剪力墙两种抗侧力结构结合在一起使用，或者将剪力墙围成封闭的 筒体，再与框架结合起来使用，就形成了框架－剪力墙（框架－筒体）结构体系。 这种结构形式具备了纯框架结构和纯剪力墙结构的优点，同时克服了纯框架结构 抗侧移刚度小和纯剪力墙结构平面布置不够灵活的缺点。 其典型布置如图所示。 在框架－剪力墙（框架－筒体）结构体系中，剪力墙的布置应注意以下几点： ①剪力墙以对称布置为好，可减少结构的扭转。这一点在地震区尤为重要； ②剪力墙应上下贯通，使结构刚度连续而且变化均匀； ③剪力墙宜布置成筒体，建筑层数较少时，也应将剪力墙布置成 T 型、L 型、 I 型等。便于剪力墙更好地发挥作用； ④剪力墙应布置在结构的外围，可以加强结构的抗扭作用。但是考虑温度应 力的影响和楼板平面内的变形，剪力墙的间距不应过大。剪力墙间距应符 合表 1-3 的要求。 横向剪力墙的最大间距 表 1-3 *B 为楼板宽度 四、筒中筒结构体系 筒中筒结构体系是由内筒和外筒两个筒体组成的结构体系。内筒通常是由剪 力墙围成的实腹筒，而外筒一般采用框筒或桁架筒。其中框筒是指由密柱深梁框 架围成的筒体，桁架筒则是筒体的四壁采用桁架做成。与框筒相比，桁架筒具有 更大的抗侧移刚度。 筒体最主要的特点是它的空间受力性能。无论那一种筒体，在水平力的作用 下都可以看成是固定于基础上的悬臂结构，比单片平面结构具有更大的抗侧移刚 度和承载能力，因而适宜建造高度更高的超高层建筑。同时，由于筒体的对称性， 筒体结构具有很好的抗扭刚度。 其典型布置如图所示。 五、多筒体系——成束筒和巨型框架 当采用多个筒体共同抵抗侧向力时，就成为多筒体系。有以下两种形式： ⑴ 成束筒 两个以上的筒体排列在一起成束状，成为成束筒。成束筒的抗侧移刚度比筒 中筒结构还要高，适宜的建造高度也更高。 ⑵ 巨型框架 利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型大梁相连，由筒体和巨型 梁形成巨型框架。虽然仍是框架形式，由于梁和柱子的断面尺寸很大，巨型框架 楼盖形式 非抗震设计 抗震设计设防烈度 6-7 度 8 度 9 度 现浇 ≤5B ≤60m ≤4B ≤50m ≤3B ≤40m ≤2B ≤30m 装配整体 ≤3.5B ≤50m ≤3B ≤40m ≤2.5B ≤30m
的抗侧移刚度比一般框架要大的多,因而适宜建造的建筑物高度比框架结构要大 的多 其典型布置形式如图所示。 由此可见,不同的结构体系结构形式不同,抗侧移刚度差别也较大,适宜的 建筑物髙度也不相同。表1-4是我国《钢筋混凝土髙层建筑设计与施工规程》给 出的不同结构体系适宜的建筑物最大高度。 建筑物最大高度(m) 表1-4 结构体系 抗震设计 非抗震设计 6度 9度 60 60 框架一剪力墙 130 120 100 剪力墙[部分框支 120 120 80 无框支 140 140 100 筒中筒及成束筒 180 180 150 120 1-3结构总体布置原则 个建筑结构方案的确定,要涉及到安全可靠、使用要求、经济投入、施工 技术和建筑美观等诸多方方面面的问题。要求设计者综合运用力学概念、结构破 坏杋理的概念、地震对建筑物造成破坏的经验教训、结构试验结论和计算结果的 分析判断等进行设计,这在工程设计中被称为“概念设计”。概念设计虽然带有 定的经验性,涉及的范围十分丰富,但是它的基本原则是明确的。事实证明概 念设计是十分有效的。高层建筑由于体形庞大,一些复杂部位难以进行精确计算, 特别是对需要进行抗震设防的建筑,因为地震作用影响因素很多,要进行精确计 算更是困难。因此,在高层建筑设计中,除了要根据建筑髙度选择合理的结构体 系外,必须运用概念设计进行分析。本节讨论的结构总体布置原则,就是高层建 筑设计中属于概念设计的一些基本原则 控制结构的高宽比H/B 高宽比实际上反映了建筑物的“苗条”程度。在高层建筑的设计中,控制侧 向位移是结构设计的主要问题。随着高宽比的增大,结构的侧向变形能力也相对 越强,倾覆力矩也越大。因此,建造宽度很小的高层建筑是不合适的,应对建筑 物的高宽比加以限制,见表1-5所示。 高宽比限值(H/B) 表 结构类型非抗震设计 抗震设计 6、7度 8度 9度 框架 5 5 2 框架一剪力墙 剪力墙 6 6 5 4 筒中筒、成束筒 5
9 的抗侧移刚度比一般框架要大的多，因而适宜建造的建筑物高度比框架结构要大 的多。 其典型布置形式如图所示。 由此可见，不同的结构体系结构形式不同，抗侧移刚度差别也较大，适宜的 建筑物高度也不相同。表 1-4 是我国《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》给 出的不同结构体系适宜的建筑物最大高度。 建筑物最大高度（m） 表 1-4 结构体系 非抗震设计 抗震设计 6 度 7 度 8 度 9 度 框 架 60 60 55 45 25 框架-剪力墙 130 130 120 100 50 剪力墙 部分框支 120 120 100 80 / 无框支 140 140 120 100 60 筒中筒及成束筒 180 180 150 120 70 §1-3 结构总体布置原则 一个建筑结构方案的确定，要涉及到安全可靠、使用要求、经济投入、施工 技术和建筑美观等诸多方方面面的问题。要求设计者综合运用力学概念、结构破 坏机理的概念、地震对建筑物造成破坏的经验教训、结构试验结论和计算结果的 分析判断等进行设计，这在工程设计中被称为“概念设计”。概念设计虽然带有 一定的经验性，涉及的范围十分丰富，但是它的基本原则是明确的。事实证明概 念设计是十分有效的。高层建筑由于体形庞大，一些复杂部位难以进行精确计算， 特别是对需要进行抗震设防的建筑，因为地震作用影响因素很多，要进行精确计 算更是困难。因此，在高层建筑设计中，除了要根据建筑高度选择合理的结构体 系外，必须运用概念设计进行分析。本节讨论的结构总体布置原则，就是高层建 筑设计中属于概念设计的一些基本原则。 一、控制结构的高宽比 H/B 高宽比实际上反映了建筑物的“苗条”程度。在高层建筑的设计中，控制侧 向位移是结构设计的主要问题。随着高宽比的增大，结构的侧向变形能力也相对 越强，倾覆力矩也越大。因此，建造宽度很小的高层建筑是不合适的，应对建筑 物的高宽比加以限制，见表 1-5 所示。 高宽比限值（H/B） 表 1-5 结构类型 非抗震设计 抗震设计 6、7 度 8 度 9 度 框架 5 5 4 2 框架－剪力墙 5 5 4 3 剪力墙 6 6 5 4 筒中筒、成束筒 6 6 5 4
