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1、,第一章 高层建筑,第一节 高层建筑概述,一、高层建筑发展过程,高层建筑是19世纪中期产业革命后逐步发展起来的。1854年,美国人奥蒂斯发明了电梯,使高层建筑成为可能。1883年美国芝加哥建成的11层家庭保险大楼为近代高层建筑的开端,1931年帝国大厦(高度381米)在纽约落成,进入了超高层领域。,一、高层建筑概述,(一) 高层建筑按层数及高度分类 联合国教科文组织所属世界高层建筑委员会建议按高层建筑的高度分成四类: 第一类: 916层 (最高到 50m) 第二类:1725层 (最高到 75m) 第三类:2640层 (最高到 100m) 第四类:40层以上 (即超高层建筑),(二)我国对高层建
2、筑的定义:,高层民用建筑设计防火规范(GB5004595)中规定,10层和超过10层的居住建筑和超过24m高的其他民用建筑为高层建筑。 民用建筑设计通则(GB50352-2005)规定,建筑高度超过100 米时,不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ-2002)中定义: 10层及10层以上或房屋高度大于28m的建筑。 建筑高度:指建筑物室外地面至其檐口或屋面面层的高度。不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。,(二) 高层建筑按型分类: 1. 板式高层建筑又称条式建筑。指建筑平面外廓基本成矩形,其长边与短边之比大于或等于2的建筑,并且短边长度小于或等于1
3、6米,板式是长条型的建筑。 2. 塔式高层建筑 (三) 按防火要求分类 根据建筑物使用性质、火灾危险性、疏散及扑救难度等因素分类分为:一类高层、二类高层、超高层(100m),国外较著名的高层建筑有:美国,帝国大厦(纽约,381m,102层)、世界贸易中心(纽约,402m,110层)、西尔斯大厦(芝加哥,443m,110层)、水塔广场大厦(芝加哥,262m,76层);马来西亚,石油大厦(450m,88层,钢-混凝土组合结构);朝鲜,柳京饭店(305m,101层,最高的钢筋混凝土大厦)。,1.2 国外高层建筑简介,我国高层建筑在解放前很少,5060年代陆续建成一些,如1959年的北京民族饭店,高4
4、7.4m,12层;1964年的北京民航大楼,15层,高60.8m;1968年的广州宾馆,27层,高88m,是60年代我国建成的最高建筑。 70年代开始我国高层建筑有了较大发展,主要用于住宅、旅馆和办公楼,层数一般在2030层。,1.3 我国高层建筑的发展,国内主要高层建筑(374-500m),主要高层建筑介绍,台北101大厦,西尔斯大厦,世贸大厦,平壤 柳京饭店 105层 320米 三千个房 间 金字塔型建筑,金茂大厦,CCTV大楼 采用ETABS和 ANSYS两种通 用有限元软件 进行结构计算。,高层建筑丰富城市空间,节约用地,综合适用,促进新型材料,新型结构的发展,也促进建筑技术迅猛发展,
5、形成了规模巨大的城市综合体。 高层建筑正向人性化、智能化、生态化方向发展。,沙特阿拉伯国家银行,SOM设计事务所。,第二节 高层建筑发展趋势,德国法兰克福商业银行,Norman Forster设计事务所,一、高层建筑受力的特点 水平荷载和地震作用成为高层建筑的控制因素。高层结 构设计不仅需要较大的承载能力,还需要较大的刚度控制水 平荷载作用下结构的侧向位移。,第二节 高层建筑结构体系,控制侧向位移的原因: 1)过大的侧向变形会使人不舒服,影响使用; 2)过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏,也会使电梯轨道变形; 3)过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝甚至损坏; 4)过大的侧向变形会
6、使结构产生附加内力甚至倒塌。,二、高层建筑的结构类型(按材料分),按照承重结构材料类型可分为钢结构与钢筋混凝土结构、钢混凝土结构。 钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工方便快捷等优点,但缺点是造价高、耐火性能差,大量防火涂料的使用也影响工期与造价。 钢筋混凝土结构具有造价低、耐火性能好、侧向刚度大、截面形式多样等优点,缺点是构件尺寸较大、自重大、使用空间受限。 混合结构截面小、工期短、使用空间大,充分发挥两种材料的优势。,目前大多数高层建筑采用混合结构,即钢框架或型钢混 凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的混合结构体系。框架柱 多采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱,框架梁多采用型钢混 凝土梁或钢
7、梁。为加强结构承载力与抗侧刚度,混合结构中 还经常采用加强层、巨型支撑、伸臂桁架等结构形式。,上海环球金融中心 结构示意图,高层建筑结构体系:,主要结构体系有:框架结构、剪力墙结构、筒体结构、框架-剪力墙结构、束筒及巨型框架。,第二节 高层建筑结构体系与布置原则,1、 框架结构 主要承重构件由梁、柱组成的结构。 优点:建筑平面布置灵活,能提供较大的室内空间,易于满足多功能的使用要求。在结构受力方面,框架结构自振周期长,地震反应小,经合理设计后可具有良好的延性。 缺点:抗侧移刚度小,地震作用下侧向位移大,易使填充墙开裂,并引起非结构构件的破坏。建筑高度不能过高,一般在15层以下。,框架梁跨度通常
8、在49m之间,梁高=(1/101/15),梁宽b取梁高的(1/21/3)h。,框架结构受力及设计要点,1.全部荷载由梁柱承担; 2.框架侧向变形由梁柱弯曲变形与柱轴向变形两部分组成; 3.隔墙应采用轻质隔墙或轻质填充材料。 4.宜采用现浇混凝土楼盖。,二、 纯剪力墙体系 1、结构特征: 由一系列横向和纵向钢筋混凝土剪力墙所组成,这种体系侧向刚度大、侧移小,为刚性结构体系,适用于小开间的高层住宅、旅馆、办公楼等,一般控制在35层,总高110米以内。 2、剪力墙的结构布置: (1) 横向布置剪力墙 (2) 纵向布置剪力墙 (3) 纵横向布置剪力墙,优点:整体性好、刚度大、承载力高、水平荷载下的侧向
9、变 形小。 缺点:墙体间距不能过大,平面布置不灵活,结构自重大,材料强度无法充分发挥,不能满足公共建筑使用要求。,剪力墙的布置原则,1) 剪力墙宜沿主轴方向或其它方向双向布置,墙肢截面简 单规则; 2) 剪力墙应尽量布置在结构区段的楼梯间、电梯间、平面 形状变化及恒载较大的部位,剪力墙间距不宜过大; 3) 纵、横剪力墙宜组成L、T、形等型式; 4) 剪力墙应贯通建筑物全高,避免刚度突变,洞口应尽量做到上下对齐;,短肢剪力墙,小高层框剪结构对于1216层的小高层建筑结构,采用既可以保证结构的刚度、位移,又可以使室内空间方正合理。所以短肢剪力墙结构得以普遍应用。短肢剪力墙的受力、变形特征,类似以框
10、剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理,结构的变形协调导致的竖向位移差别,也比框剪结构小,则传基础荷载更均匀、合理。 (1)短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为58的剪力墙; (2)高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构; (3)短肢剪力墙较多时,应布置筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。,(三) 筒体体系 1. 结构特征:筒体结构由框架或剪力墙围合成竖向井筒,并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来,形成一个空间构架,比单片框架或剪力墙的空间刚度大得多,不仅能承受竖向荷载,而且能承受很大的水平荷载。筒体结构适用于超高层建筑,尤其在
11、地震区更能显示其优越性。 2. 筒体结构的类型 1)单筒结构:单筒很少单独使用,通常和框架组合,根据 二者位置关系的不同,有外筒内框架和内筒外框架两种布 置方式。 2)筒中筒结构:内外套置的几层筒体,内外筒之间 通过楼 板连成整体,筒中筒比单筒有更好的抗推能力。如世贸中 心、香港合和中心和深圳国贸大厦等均采用该结构体系。 3)束筒结构:若干个筒体相并列,美国芝加哥西尔斯大厦 就是采用的束筒结构。,由单个或多个筒体承受 荷载的结构体系。筒体可分 为实腹筒、框筒和桁架筒。 前面提到的剪力墙围成的筒 体称为实腹筒。在实腹筒的 墙体上开出许多规则排列的 窗洞所形成的开孔筒体称为 框筒,它实际上是由密排
12、柱 和刚度很大的窗裙梁形成的 密柱深梁框架围成的筒体。 如果筒体的四壁是由竖杆和 斜杆形成的桁架组成,则称 为桁架筒。,(四) 体系组合 根据建筑功能的需要和结构受力的特点,可将上述基本体系重新组合,形成框支剪力墙、框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒、束筒等结构体系。,组合之一:框架-剪力墙体系 1. 结构特征:框架框架体系中适当布置能抵抗水平推力的墙体,并使框架柱、楼板有可靠连接而形成的结构体系,竖向荷载由框架柱和剪力墙共同承担,而水平荷载则主要由刚度较大的剪力墙来承受。 2. 剪力墙的平面位置:地震区剪力墙应沿房屋纵、横两个方向布置,非地震区,仅沿横向布置剪力墙;剪力墙宜对称布置,设在建筑物
13、端部、平面形状变化及静载大的部位;剪力墙中心线应与框架柱截面重心线重合。 3. 剪力墙沿高度方向布置:剪力墙宜贯通房屋的全高;剪力墙尽量不开洞。,框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形,而剪力墙则呈弯曲型变形,当二者通过楼盖协同工作时,变形必须协调,侧向变形将呈弯剪型。根据以上分析的受力特点,框架-剪力墙结构无论是承载力还是侧向变形都较纯框架有较大的提高。,组合之二 :框支剪力墙结构 (墙底部大空间剪力墙),组合之三 :框架-筒体体系,结构特征:筒体作为该体系主要抗侧力构件,承担绝大部分水平荷载。框架主要承担重力荷载。 根据筒体位置和数量分为: 核心筒框架体系 多筒框架体系,核心筒框架体系,将筒
14、体布置在建筑的核心部位,在外围布置框架,多筒框架体系,端框框架 核心筒端框框架 核心筒角筒框架,组合之四 :束筒或多筒体系:两个以上框筒(或其它筒体)排列在一起形成的束状结构称为成束筒。例如美国西尔斯大厦就是9个框筒组成的正方形筒体。成束筒结构的刚度和承载能力比筒中筒又有提高。,(五)巨型结构,利用筒体作为柱子,在各筒体之间每隔数层用巨型框架 连接,筒体与巨型梁之间即形成巨型框架。由于巨型框架的 梁、柱截面很大,抗弯刚度和承载能力也很大,因此它的抗 侧刚度比一般框架大很多。环球金融中心,(六) : 框架-支撑(抗震墙板)结构,支撑框架:框架中设置支撑斜杆,多用于钢结构; 框架-支撑结构:框架+
15、支撑框架。 受力特点:支撑框架侧向刚度大,承担水平荷载多,其作用 类似于剪力墙。 支撑框架的类型:中心支撑框架和偏心支撑框架。,中心支撑框架:支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。基本形式有单斜杆支撑、人字形 支撑、V形支撑、K形支撑和交叉支撑。,偏心支撑:支撑连接位置偏离梁柱节点,每根斜杆应至少一 端与框架梁相连,在梁端或梁跨中形成消能梁段。 基本形式有:单斜杆、人字形和V形等。 地震作用下,消能梁段腹板剪切屈服,通过腹板 塑性变形耗散地震能量,支撑斜杆、框架柱 和消能梁段以外的梁均保持弹性,其抗震性能明 显优于中心支撑框架。,2.8 高层建筑结构布置原则,A级高度是根据抗震设防烈度以及建
16、筑的结构形式给出的一个高度限制。比如说对于7度抗震设防烈度区,采用混凝土框架-剪力墙结构时,建筑的最大高度不得超过120m。只要低于这个高度,都属于A级高度。 相对应还有B级高度。对于上面的建筑,最大高度不得超过140m。实际上就是高度在120m140m之间为B级高度。,钢-混凝土混合结构房屋 适用的最大高度及高宽比限值,高规一般规定:高层建筑不应采用严重不规则的结 构体系,应具有必要的承载能力、刚度和变形能力;避免因 部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、 风荷载和地震作用的能力;对可能出现的薄弱部位,应采取 有效措施予以加强。宜:结构的竖向和水平布置宜具有合理 的刚度和承载力
17、分布,避免因局部突变和扭转效应而形成薄 弱部位;宜具有多道抗震防线。,结构平面布置,1.平面宜简单、规则、 对称,减少偏心; 2.平面长度不宜过长, 突出部分不宜过大。 3.不宜采用角部重叠的 平面图形或细腰形平面;,4.结构平面布置应减少扭转的影响;在考虑偶然偏心影响的 地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A 级高度不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于平均值的 1.5倍。B级高度相应值为1.2,1.4。 5.当楼板平面比 较狭长、有较大 的凹入和开洞而 使楼板有较大削 弱时,应在设计 中考虑楼板削弱 产生的不利影响;,高层结构的发展趋势,竖向抗推体系支撑化、周边化、空间化。
18、 轻质高强材料的运用 消能减震技术的运用,第四节 高层建筑楼板构造,一、高层建筑楼板形式 常用形式有钢筋混凝土平板、无梁楼板、肋梁楼板、压型钢板组合楼板等。建筑物高度大于50米时应采用现浇楼板,小于50米时可采用预制楼板。 二、压型钢板组合式楼板,压型钢板组合式楼板的优点: 1.压型钢板可作为浇灌混凝土的模板,节省了大量木模板及支撑; 2.压型钢板非常轻便,堆放、运输及安装都非常方便; 3.使用阶段,压型钢板可代替受拉钢筋,减少钢筋的制作与安装工作。 4.刚度较大,省去许多受拉区混凝土,节省混凝土用量,减轻结构自重; 5.有利于各种管线的布置、装修方便; 6.与木模板相比,施工时减小了火灾发生
19、的可能性; 7.压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用。,(一)压型钢板组合楼板的类型 (一)以压型钢板作为组合板的主要承重构件,混凝土只是作为楼板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用; (二)压型钢板作为浇筑混凝土的永久性模板,并作为施工时的操作平台; (三)考虑组合作用的压型钢板组合楼板,这种结构构件在工程中最为广泛应用。在施工阶段压型钢板作为模版及浇筑混凝土的作业平台,在使用阶段,压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉钢筋 。,压型钢板组合楼板只能够用作单向板。组合楼板的跨度为1.54.0m,其经济跨度为2.03.0m之间。如果建筑空间较大,需要增加梁以满足板跨的要求。,组合板厚度 组合板总厚度h不应小于90mm,压型钢板翼缘以上混凝土厚度hc不应小于50mm。支撑于混凝土或砌体上时,支撑长度分别为100mm和75mm;支撑于钢梁上连续板或搭接板,最小支撑长度为75mm。,(二) 连接构造,连接构造是由栓钉(又称抗剪螺钉)将钢筋混凝土、型钢板和钢梁组合成整体,栓钉是组合楼板的剪力连接件。,课后思考题,1.高层建筑的定义? 2.高层建筑设计特点? 3.目前高层建筑大多采用的结构形式?各自的受力特点、适用范围和优缺点是什么?,高层建筑设备,
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