高层建筑设计1.ppt
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1、高层建筑结构设计,西安建筑科技大学 土木工程学院 史庆轩,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 ;7)计算机分析方法和程序。,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) 4、教学方法和手段 1)传统教学与多媒体教学
2、相结合;,主要内容:,主要内容,1.1 概 述 1.2 高层建筑结构的设计特点 1.3 高层建筑结构的类型 1.4 高层建筑的发展概况,1.1 概 述,通常以建筑的高度和层数两个指标来判定,但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。 1)国外: (1)美国规定:高度为2225m以上或7层以上建筑为高层建筑; (2)英国规定:高度为24.3m以上的建筑为高层建筑; (3)日本规定:8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。 2)我国: (1)高层民用建筑设计规范GB50045-95 和高层民用建筑设计防火规范 GBJ50045-2002和 规定: 10层的居住建筑(包括首层设置商业服务网点的住宅
3、)或24m的公共建筑。 (2)高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)规定:10层 或 28m;(本课程内容的依据),1.1 概述,1.1 概 述,3)国际上 1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类: 第一类为916层(最高50米) 第二类为1725层(最高75米) 第三类为2640层(最高100米) 第四类为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
4、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。,本节小结: 1)多少层数或多少高度以上的建筑为高层建筑,全世界至今没有一个统一的划分标准,不同的国家、不同的年代,其规定也不一样 2)高层建筑的规定与一个国家当时的经济条件、建筑技术、电梯设备、消防装置等许多因素有关。 3)超高层建筑也没有统一划分标准,一般一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑。,1.1 概 述,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
5、倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。,1.2 高层建筑结构的设计特点,1.2 高层建筑结构的设计特点,2、侧移成为设计的控制指标 1)结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比; 2)结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系; 过大侧移会使人产生不安全感; 使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏,影响正常使用; 因P-效应而使结构产生的附加内力,甚至破坏。 3)必须选择可靠的抗侧力结构体系,使结构不仅具有较大的承载力,而且还应具有较大的侧向刚度。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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;,2)对预制构件
6、的下料长度和楼面标高会产生较大的影响; Houston 75层的某商业大厦,采用剪力墙和钢柱混合体系,由于钢柱负荷面积大,其底层钢柱压缩变形比墙多260mm。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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。 表中为某剪力墙的计算结果。,由表可知,结构层数越高,轴向变形所产生的影响越大。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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:用来衡量延
7、性的大小。 3)结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小,即决于结构延性的大小。 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。,1.2 高层建筑结构的设计特点,5、结构材料用量显著增加 1)对于高层建筑结构,随高度增大,材料用量增大较多。 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。 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
8、钢量仅为146kg/m2,高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/m2。,本节小结 1)高层建筑同时承受竖向荷载和水平荷载,随着房屋层数的增加,虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要的影响,但水平荷载已成为结构设计的控制因素。水平荷载产生的内力与高度的二次方成正比,侧移与高度的四次方成正比。 2)对高层建筑,水平荷载和竖向荷载产生的轴力均很大,不容忽略。 3)为了保证高层建筑的抗震性能,结构应具有较大的延性。 4)高层建筑的材料用量随高度增加而加大,可通过优化设计减小材料用量。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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 ?,1、砌体结构
9、优点:取材容易、施工简便、造价低廉; 缺点:脆性材料,其抗拉、 抗弯、抗剪强度均较低,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。 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),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。,1.3 高层建筑结构的类型,1.3 高层建筑结构的类型,2、 混凝土结构 优点:取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大,刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好; 缺点:自重大、构件截面较大、施工
10、工序复杂、建造周期较长且受季节的影响; 应用情况:我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构,今后仍将是高层建筑发展的主流。 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,1.3 高层建筑结构的类型,3、 钢结构 优点:材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、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建筑的国家已转向发展混凝
11、土结构。 目前世界上最高的钢结构建筑为美国芝加哥西尔斯大厦,110层、高443m。,芝加哥西尔斯大厦(Sears Tower), 110层,高443m,钢结构,1.3 高层建筑结构的类型,1.3 高层建筑结构的类型,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),4、钢-混凝土组合结构或混合结构 不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点,同时还兼有混凝土结构刚度大、
12、防火性能好、造价低的优点。 近年来,这种结构形式逐渐增多,而且发展前景非常好。,1.3 高层建筑结构的类型,上海环球金融中心,RC核心筒+外伸桁架和巨型(型钢)柱 (三重结构体系), 101层,高492m,7度抗震设防,核芯筒,底部剪力墙,1.3 高层建筑结构的类型,台北101金融大楼 高508米,超过美国芝加哥的西尔斯大楼, 马来西亚双塔等大楼,成为新的全球第一高楼。 采用方钢管混凝土柱,混凝土核心筒混合结构。,1.3 高层建筑结构的类型,大楼历时5年多,耗资600亿币。总面积7万多平方米,共容纳了160多家商店。(包括地下5层、其中B2到B5为地下停车场、地上101层,其中有78层是办公大
13、楼 ,裙楼部分则是购物中心。,1.3 高层建筑结构的类型,1998年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦(Petronas Tower),88层,高452m,为当时世界最高的建筑。,本节小结: 1)高层建筑结构的主要材料:钢、钢筋、混凝土 相应的结构构件(以材料分类)可分为: 钢构件、钢筋混凝土构件、组合构件(包括钢骨混凝土构件和钢管混凝土构件)。 相应的结构分类(以材料分类): 钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构(两种或两种以上材料的构件组成的结构,如钢构件+钢筋混凝土构件等) 2)钢结构具有强度高,自重轻(有利于基础),延性好,变形能力大,有利于抗震,可以工厂预制,现场拼装,交叉作业。但价格
14、高,防火材料(增加造价),侧向刚度小。,1.3 高层建筑结构的类型,3)钢筋混凝土是应用最广的建筑材料,绝大部分高层建筑为钢筋混凝土结构。具有价格低(地方材料),可浇筑成任何形状,不需要防火,刚度大。但强度低,构件截面大,占用空间大,自重大,不利于基础、抗震,延性不如钢结构。 高强混凝土是近40年来建筑材料最重要的发明创造。高强可减小柱、墙截面尺寸,早强可加快施工进度,密实可提高耐久性、弹性模量高,徐变小可减小压缩变形。但高强混凝土变形能力小,脆性大,易开裂,耐火不如普通混凝土等。 4)组合结构是以钢骨为骨架,外包钢筋混凝土,钢骨、混凝土为整体、共同受力,钢骨可以做施工平台,与钢构件比:用钢少
15、,刚度大,防火、防锈;与混凝土构件比:重量轻,承载力大,抗震性能好。,1.3 高层建筑结构的类型,1.4 高层建筑的发展概况,高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物,至今已有100余年的历史,是城市现代化的象征。尽管历史较短,但其发展速度很快。近30年来,世界各地兴建的高层建筑,其规模之大,数量之多,技术之先进,形式之多样,外观之新颖,无一不让人惊叹称奇。 国外发展概况: 1) 19 世纪中期至 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。高层建筑从最初采用铸铁框架到钢框架,建筑物的高度越过了100m大关,1898年纽约建造了Park Row大
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