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高 层 建 筑 结 构 设 计

高 层 建 筑 结 构 设 计. 颜 媛 媛. 掌握高层建筑的优、缺点. 本课程对此类结构进行探讨. 发展高层建筑结构. 节约土地、保证吃饭、基本建设. 土地少、人口多. 1. 3. 7. 2. 6. 5. 4. 绪论. 结构选型与结构布置. 荷载与地震作用. 高层框架结构设计. 设计计算的基本规定. 高层剪力墙结构设计. 高层框架 - 剪力墙结构设计. 目录. 高层建筑：指层数较多、高度较高的建筑。 国际：1972年国际高层建筑会议，建议把高层划分为四类： ①9 ～ 16层（H ≤ 50M ）

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  1. 高 层 建 筑 结 构 设 计 颜 媛 媛

  2. 掌握高层建筑的优、缺点 本课程对此类结构进行探讨 发展高层建筑结构 节约土地、保证吃饭、基本建设 土地少、人口多

  3. 1 3 7 2 6 5 4 绪论 结构选型与结构布置 荷载与地震作用 高层框架结构设计 设计计算的基本规定 高层剪力墙结构设计 高层框架-剪力墙结构设计 目录

  4. 高层建筑：指层数较多、高度较高的建筑。 国际：1972年国际高层建筑会议，建议把高层划分为四类： ①9～16层（H≤50M） ②17～25层（H ≤75M） ③26～40层（H ≤100M） ④40层以上超高层（H ﹥100M） 美国：30或40层以上 日本：大于20层住宅或大于30层的旅馆、办公楼 我国：高层混凝土规范（ JGJ3- 2002）规定：住宅10层及10层以上或 28米以上的高层民用建筑为高层建筑；建筑高度超过100m的建 筑均为超高层建筑。 防火规范（GB50045-95）规定：10层以上或 总高度超过24米以上 建筑为高层建筑。 注：高度指室外地面到主楼屋面不包括突出屋面的电梯机房等 民用住宅电梯要求≥8层，如南京地区≥7层 §1.1高层建筑的定义

  5. 最高记录 • 第一高楼：哈利法塔，原名迪拜塔， • 又称迪拜大厦或比斯迪拜塔 • 【建筑现况】 已完工投入使用 　　 • 【动土时间】 2004年9月21日 　　 • 【封顶时间】 2009年10月 　　 • 【使用时间】 2010年1月4日 　　 • 【建筑高度】 总高度828米（2,684英尺） 　　 • 【建筑层数】 162层 　　 • 【结构形式】 钢筋混凝土结构 　　 • 【抗震能力】 6.3级地震 　　 • 【建筑造价】 105亿（RMB） 　　 • 【占地面积】 34.4公顷 　　 • 【设计单位】 SOM--阿德里安·史密斯 　　 • 【建筑工人】 1.2万名 　　 • 【建筑温差】 底层-顶层： -10℃ 　　 • 【开发单位】 伊玛尔地产 　　 • 【施工单位】 中国南通六建、韩国三星工程、 BESIX、 Arabtec

  6. 高度记录： • 哈利法塔与其他知名的高层建筑比较： • ①最高的建筑：828 米（2,717英尺）（先前为 美国北达科塔州高628.8 米（2,063 英尺）的KVLY 电视塔） 　　 • ②最高的自立建筑：828 米（3,220英尺）（先前为加拿大国家电视塔 - 553.3 米（1,815 英尺）） 　　 • ③最多楼层数：162层（先前为已完成的西尔斯大楼—110层、记录上最多的纽约世贸中心—110层） 　　 • ④最高混凝土结构： 601.0 米（1,972 英尺） （先前为台北101屋顶 - 449.2 米（1,474 英尺）

  7. 楼层用途：

  8. 第二高楼：中国台北国际金融中心 • (也叫TAIPEI101大楼) • 【建设地点】：台北市信义区西村里信义路五段7号 　　 • 【开工时间】：1999年7月 　　 • 【竣工时间】：2003年10月17日 　　 • 【占地面积】：30278平方米 　　 • 【建筑面积】：28.95万平方米 　　 • 【建筑高度】：508米 　　 • 【建筑层数】：地上101层，地下3层 　　 • 【结构形式】：钢筋混凝土结构，新式的「巨型结构」 　　 • 【建筑造价】：580亿元台币 　　 • 【投资单位】：台北金融大楼控股有限公司 　　 • 【设计单位】：李祖原建筑师事务所 　　 • 【建设用途】：购物中心，办公，观景， 　　 • 【施工单位】：KTRT • 【英文名称】：Taipei 101（隐义Technology、 Art、 Innovation、 People、 Environment、Identity） 　　 • 【别称】：台北国际金融中心

  9. 工程结构： • ①建筑:TAIPEI 101为世界首创的多节式摩天大楼 • ②第27层至第90层共64层中，每8层为一节，一共8节，每八层所组成的倒梯形方块形状来自中国的"鼎“ • ③为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏，台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成。 • ④抵销风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器，而大楼外形的锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%风所产生的摇晃。 • ⑤基桩由382根钢筋混凝土构成。中心的巨柱为双管结构，钢外管，钢加混凝土内管，台北101所使用的钢至少有5种，依不同部位所设计，特别调制的混凝土，比一般混疑土强度强60%。

  10. 调质阻尼器： • 为了因高空强风及台风吹拂而造 • 成的摇晃，大楼内设置了「谐质块 • 阻尼器」，是在88至92楼挂置一个 • 重达660公吨的巨大钢球，利用摆动 • 来减缓建筑物的晃动幅度。据台北 • 101告示牌所言，这也是全世界唯一 • 开放游客观赏的巨型阻尼器，更是 • 目前全球最大之阻尼器。

  11. 第三高楼：上海环球金融中心 • 【开工日期】 ：1997年年初首次开工；后遭1997年亚洲金融危机停工，于2003年2月工程复工。 • 【竣工日期】 ： 2008年8月29日。 • 【用地面积】 ： 30,000 ㎡ 。 • 【占地面积】 ： 14,400 ㎡。 • 【建筑面积】 ： 381,600 ㎡。 • 【建筑层数】 ： 地上101层、地下3层 。 • 【建筑高度】 ： 492米 。 • 【结构形式】 ： 钢筋混凝土结构（SRC结构）、钢结构（S结构）。 • 【建筑造价】 ： 1050亿日元（73亿人民币） • 【投资单位】 ： 森海外株式会社（Forest Overseas Co., Ltd.） 。 • 【建筑设计】 ： KPF建筑师事务所 。 • 【结构设计】 ： 籁思理·罗伯逊联合股份有限公司(LERA) 。 • 【设计单位】 ： 上海现代建筑设计（集团）有限公司、华东建筑设计研究院有限公司 。 • 【施工单位】 ： 中国建筑工程总公司、上海建工（集团）总公司总承包联合体。 • 【所获荣誉】 ： 2008年竣工的最佳高层建筑（美国芝加哥“高层建筑和城市住宅委员会”评选）。

  12. 上海环球金融中心建筑平面图： Lower Floor Max. 12 Tenants Higher Floor Max. 14 Tenants

  13. 上海环球金融中心五大之最： • ①屋顶高度世界第一：492米，超过了之前屋顶高度世界第一的台北101大楼（480米）。 • ②人可达到高度世界第一：474米，大楼100层的观光天阁是世界上人能到达的最高观景平台。 • ③世界最高中餐厅：416米，设在93层的中餐厅，将成为全球最高中餐厅。 • ④世界最高游泳池：366米，设在85层的游泳池，将夺得“世界最高游泳池”称号。 • ⑤世界最高酒店：设在大楼79至93层的柏悦酒店，将成为世界最高酒店。

  14. 第四高楼：马来西亚吉 隆坡石油大楼 【建设地点】：吉隆坡市中市KLCC 计划区的西北角 【开工时间】：1993年12月27日 【竣工时间】：1996年2月13日 【占地面积】：40公顷 【建筑面积】：28.95万平方米 【建筑高度】：452米 【建筑层数】：88层 【结构形式】：高轧制钢梁支托的金 属板，钢筋混凝土 【建筑造价】：20亿马币 【投资单位】：马来西亚石油公司 【设计单位】：凯撒培礼建筑事务 所·西泽配利 【建设用途】：办公 【英文名称】：The Petronas Twin Towers. 【别称】：佩重纳斯大厦、马来西亚 国家石油大厦、国家石油 双塔、双子塔

  15. 外部构造： • ①双塔的外檐为152英尺（46．36m）直径的混凝土外筒，中心部位是74．8英尺×75．4英尺高强钢筋混凝土内筒，18英寸高轧制钢梁支托的金属板与混凝土复合楼板将内外筒连系在一起。4架钢筋混凝土空腹格梁在第38层内筒四角处与外筒结合。 • ②塔楼由一个筏式基础和长达340英尺但达不到基岩层之4英尺×9尺截面长方形摩擦桩，或称作发卡桩承托。位于圆形与正方形重送交接点位置处的16根混凝土柱子支承上部结构荷载。

  16. 世界之最： • 连接双子塔的空中走廊是 • 目前世界上最高的过街桥。 • 站在这里，可以俯瞰马来西 • 亚最繁华的景象。双子塔内 • 有全马来西亚最高档的商 • 店，销售的都是品牌商品， • 当然价格也是最高的。塔内 • 有东南亚最大的古典交响音 • 乐厅——Dewan古典交响音 • 乐厅。

  17. 第五高楼：美国芝加哥西尔斯大楼 【建设地点】：美国伊利诺伊州芝加哥 　　 【现名】：韦莱集团大厦（2009年7月16 日改名） 　　 【开工时间】：1972年　 　　 【竣工时间】：1974年 　　 【建筑面积】：418000平方米 　　 【建筑高度】：443米（527.3米含天线） 　　【建筑层数】：地上110层，地下3层　 　　【结构形式】：高层建筑抗风结构 　　【建筑造价】：39亿　 　　 【投资单位】：西尔斯百货公司　 　　【设计单位】：SOM建筑师事务所　 　　【建设用途】：办公 　　 【英文名称】：Sears Tower 【别称】：希尔斯大厦

  18. 西尔斯大楼结构：①整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。②大厦采用由钢框架构成的成束筒结构体系，外部用黑铝和镀层玻璃幕墙围护。③其外形的特点是逐渐上收的，即1～50层为9个宽度为23.86米的方形筒组成的正方形平面；51～66层截去一对对角方筒单元；67～90层再截去另一对对角方筒单元，形成十字形；91～110层由两个方筒单元直升到顶。西尔斯大楼结构：①整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。②大厦采用由钢框架构成的成束筒结构体系，外部用黑铝和镀层玻璃幕墙围护。③其外形的特点是逐渐上收的，即1～50层为9个宽度为23.86米的方形筒组成的正方形平面；51～66层截去一对对角方筒单元；67～90层再截去另一对对角方筒单元，形成十字形；91～110层由两个方筒单元直升到顶。

  19. 第六高楼：上海金茂大厦 【建设地点】：中国上海浦东新区世 纪大道88号 【开工日期】：1994年5月10日　 【竣工日期】：1999年3月18日　 【占地面积】：2.3公顷 【建筑面积】：29万平方米 【建筑层数】：地上88层，地下3层 【建筑高度】：420.5米 【结构形式】：钢筋混凝土结构 【建筑造价】：50亿 【投资单位】：中国金茂（集团）股 份有限公司 【建筑设计】：美国芝加哥SOM设计 事务所,、主创建筑师 Adrian Smith 【英文名称】：Jinmao Building

  20. 结构平面立面图：

  21. 最新结构技术： • ①商品砼和散装水泥应用技术 • ②粗直径钢筋连接技术 • ③新型模板与脚手架应用技术 • ④高强混凝土技术 • ⑤建筑节能技术 • ⑥硬聚氯乙烯塑料管的应用技术 • ⑦粉煤灰综合利用技术 • ⑧建筑防水工程新技术 • ⑨现代管理技术与计算机应用

  22. 第七高楼：美国纽约世贸中心姐妹楼 【建设地点】：美国的纽约州 纽约市 曼 哈顿岛西南端 【开工日期】：1962年　 【竣工日期】：1976年　 【占地面积】：6.5公顷 【建筑面积】：每幢摩天楼面积46.6万 平方米 【建筑层数】：地上110层，地下6层 【建筑高度】：北楼:417米，南楼:415米 【结构形式】：钢结构 【建筑造价】：7亿美元 【投资单位】：纽约州和新泽西州的港 务局 【建筑设计】：美籍日裔建筑师M·雅马 萨基

  23. 世界贸易中心遭撞击示意图：

  24. 世界贸易中心南塔楼倒塌后：

  25. 世界贸易中心北塔楼倒塌后：

  26. 夕阳下的世贸●追思：

  27. 南京紫峰大厦 • 【建设地点】：位于南京鼓楼区鼓楼广场，东至中央路，西至北京西路。 • 【开工日期】：2005年5月底　 • 【竣工日期】：2008年9月28日 • 【占地面积】：18721m2 • 【建筑面积】：260000 m2 • 【建筑层数】：地上89层，地下3层 • 【建筑高度】：381米+69米， • 【施工单位】：上海建工 • 【建筑造价】：40亿 • 【投资单位】：南京国资集团、上海绿地集团 • 【建筑设计】：由美国著名设计单位SOM与华东建筑设计研究院有限公司合作设计

  28. §1.2发展高层建筑的意义 • 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。 • 意义：（1）节约用地； • （2）节省城市基础设施费用； • （3）改善城市市容。 • 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。 • 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。

  29. §1.3 高层建筑的特点 • 优点：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、有较好的日照、采光和通风效果等优点。正是这些优点，使得高层建筑在现代化大都市中得到了迅速的发展。 • 缺点：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。 • 此外，从受力角度来看，随着高层建筑高度的增加，水平荷载（风载及地震作用）对结构起的作用将越来越大。

  30. §1.4 高层建筑的材料 • 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。

  31. 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 • 是有着钢结构无法比的优势。 • 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。

  32. 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。

  33. §1.5 本课程学习要求 • 1、计算高层上的荷载与地震作用。 • 2、掌握高层建筑结构的选型与布置原则，并能够正确地进行造型选择 • 与结构布置。 • 3、掌握各类高层建筑结构内力与变形的计算方法。 • 4、掌握各类高层建筑结构构件与节点的配筋计算方法及构造要求。

  34. 第二章 高层建筑的结构体系与结构布置 • §2.1.1受力特点 底部轴力 底部弯矩 （均） （倒三角形） 顶部位移 △ （均） （倒三角形）

  35. 随着高度H的增加，起控制作用的底部弯矩和顶部侧移随之成平方随着高度H的增加，起控制作用的底部弯矩和顶部侧移随之成平方 • 和4次方增长。 • 由此可知： • 低层主要承受竖载； • 多层时同时考虑水平力（风载、地震力）但不很突出； • 高层时水平力影响成为主要控制因素。 • §2.1设计基本原则 • 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。 • 原则： 注重概念设计，重视结构选型和平、立面布置的规则性，择 • 优选用抗震和抗风好且经济的结构体系加强构造措施。 • 简而言之，应符合安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。

  36. §2.2.1结构体系 • 结构体系-是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式,是 • 建筑物的受力（传力）（传载）构件系统。 • 主要分为：竖向结构体系和水平结构体系及基础。 • 水平结构体系：主要由梁、板等组成的楼板、屋盖等，承担竖向荷载。水平结构除承受作用于楼面或屋面的竖载外，另一个重要作用是：连接各竖向结构构件，形成一个空间整体结构。风、地震等水平力首先通过楼屋盖等水平构件传给各竖向抗侧构件。由于整个建筑中，各个竖向抗侧构件能力（抗侧刚度）不尽相同，则按能力分配外力，这时会形成内合力和外力不重合，形成扭转，则水平结构在其中起到了扁担梁的作用，使各竖向构件侧移变形协调，共同工作，即空间协调工作。

  37. 图例：各水平结构 • 体系

  38. 房屋建筑中不仅有此类水平构件，更重要的是：房屋建筑中不仅有此类水平构件，更重要的是： • 竖向结构体系：主要由柱、剪力墙、筒体等构件组成。主要传递（承受）水平力。随高度H的增加水平力越来越大，因此要给建筑物设计一个强大的抵抗水平力的结构构件系统，如剪力墙结构体系等。 • 基础：承托房屋全部重量及外部作用力，并将它们传到地基；另一方面，它又直接受到地震波的作用，并将地震作用传到上部结构。可以说，基础是结构安全的第一道防线。基础的形式，取决于上部结构的形式、重量、作用力以及地基土的性质。

  39. §2.2.2常用结构体系

  40. 一、框架： • 组成构件：由横梁和立柱通过节点连接构成的平面结构体系，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。 • 优点：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。 • 缺点：梁、柱较柔，节点弱，侧向变形大，刚度小，正是这一点，限制了框架结构的建造高度。

  41. 受力变形特点：每根杆系弯曲积累，合成以后呈总体剪切形变形特征。受力变形特点：每根杆系弯曲积累，合成以后呈总体剪切形变形特征。 • 使用范围：高度不大的高层建筑，以15~20层以下为宜，适用于工业、民用建筑 • 高度≤60米 • 图例：北京民航办公大楼 • 北京长城饭店

  42. 二、剪力墙： • 组成构件：就是一片巨大的钢筋混凝土墙体，相当于固定 • 在底部的悬臂深梁。 • 优点：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。 • 缺点：平面布置不灵活，建筑空间分隔不自由，不能提供 • 大空间。 • 结构自重大。 • 受力变形特点：总体弯曲型（开孔较大时趋于剪切形） • 适用范围：适用于住宅、办公楼。

  43. 图例： 某剪力墙结构 广州白天鹅宾馆

  44. 不同形式剪力墙

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