高層建筑結構的受力特征和結構的概念設計

1、主 講 人：謝 孝 副教授后勤工程學院建筑工程系結構教研室 1、水平荷載成為決定因素說明：說明：(1)(1)、豎向荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度、豎向荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎向構件中所引起的軸力與向構件中所引起的軸力與H H的二次方成正比，側移更大，為四次方。的二次方成正比，側移更大，為四次方。(2)(2)、豎向荷載一般為定值（除了需考慮豎向地震作用外），水平荷載豎向荷載一般為定值（除了需考慮豎向地震作用外），水平荷載（風、地

2、震）均為不確定的因素，且隨很多因素（時間、地點、結（風、地震）均為不確定的因素，且隨很多因素（時間、地點、結構動力特性、周邊環(huán)境等）變化有較大幅度的變化。構動力特性、周邊環(huán)境等）變化有較大幅度的變化。 22qH48qHEI2max3qH4max11120qHEI軸力 N=f(H)N=f(H) 彎矩 M=f(HM=f(H2 2) )變形（側移）f(Hf(H4 4) ) 2 2、豎向構件的軸向變形不容忽視、豎向構件的軸向變形不容忽視 (1)、對連續(xù)梁彎矩的影響中柱、邊柱軸向應力不同引起壓縮變形的差異(2)、對預制構件下料長度影響美國休斯頓75層漢克薩斯商業(yè)大廈，采用型鋼混凝土墻和鋼柱組成的混合體系

3、。根據計算，中心鋼柱由于受荷面積大，重力荷載下軸向壓縮變形要比型鋼混凝土墻多260mm，總下料多260mm，并且要逐層調整2 2、豎向構件的軸向變形不容忽視、豎向構件的軸向變形不容忽視 (3)、對構件剪力和側移的影響一般情況下不考慮豎向構件的軸向變形，在高層中，考慮軸向變形計算的剪力與不考慮結果相差30以上，結構頂點側移減小一半以上（考慮軸向變形計算的側移大） 3、側移成為主要控制指標之一 結構側移已經成為高層結構設計中的關鍵，側移f(H4) 要求：強度滿足要求，足夠的抗推剛度，控制水平荷載作用下產生的側移. 高規(guī)P30 4.6.3條規(guī)定限值（鋼筋混凝土結構）層間位移 樓層層間最大位移與層高之

4、比的限值U/h： 說明： 過大的側移使人有一種不安全感、不舒適感 過大的側移會使隔墻、圍護結構以及裝修損壞，使電梯軌道變形 高樓重心位置較高，過大側移使結構因P效應而產生較大的附加應力， 甚至導致惡性循環(huán)直至倒塌。 4 4、結構延性是重要設計指標 與較低層建筑相比，高層建筑較柔，地震作用下與較低層建筑相比，高層建筑較柔，地震作用下變形較大，為使結構在進入塑性變形階段后仍然變形較大，為使結構在進入塑性變形階段后仍然具有較強的變形能力，避免倒塌，需要在構件上具有較強的變形能力，避免倒塌，需要在構件上采取恰當的措施，保證結構具有足夠的延性采取恰當的措施，保證結構具有足夠的延性 5 5、構件的基本形式

5、 線形構件具有較大的長細比的細長構件 梁、柱、桁架支撐弦桿、腹桿梁、柱、桁架支撐弦桿、腹桿 線性構件是組成框架體系、框撐體系、框墻體線性構件是組成框架體系、框撐體系、框墻體系或板柱體系的基本構件系或板柱體系的基本構件 平面構件具有較大橫截面邊長比（寬厚比）的片狀構件 樓板、墻體：構件平面外剛度和承載力很小，結構分樓板、墻體：構件平面外剛度和承載力很小，結構分析中常常忽略析中常常忽略 面構件是組成全墻體系、框墻體系、框托墻體系和面構件是組成全墻體系、框墻體系、框托墻體系和疊和體系的基本構件疊和體系的基本構件 立體結構由線構件或面構件組成具有較大橫截面尺寸和較小壁厚的整體筒狀構件 框筒梁柱構成的立

6、體構件；具有較大的抗推剛度、框筒梁柱構成的立體構件；具有較大的抗推剛度、抗扭剛度抗扭剛度 立體構件是框筒體系、筒中筒體系、筒體體系、框筒立體構件是框筒體系、筒中筒體系、筒體體系、框筒束體系、支撐框筒體系、大型支撐筒體系和巨型框架體束體系、支撐框筒體系、大型支撐筒體系和巨型框架體系中的基本構件系中的基本構件 結構方案選擇：在滿足建筑使用要求的前提下，選擇結構形式、結構體系和結構布置1 1、磚石結構、磚石結構缺點：自重大，強度低，抗震性能差，施工難以機械化，工人勞動強度高，工期長和結構面積大，難以用于高層房屋，國內目前磚石結構房屋只建到19層左右新型砌體結構配筋砌體 10曾以上采用， 北京（八度區(qū)

7、）擬建30層 2 2、鋼筋混凝土結構、鋼筋混凝土結構優(yōu)點：結構強度較高，抗震性能較好，并具有良好的可塑性缺點：自重大 3 3、鋼結構、鋼結構鋼結構強度高、自重輕，具有良好的延性和抗震性能，能夠滿足鋼結構強度高、自重輕，具有良好的延性和抗震性能，能夠滿足建筑上對大跨度、大空間的要求建筑上對大跨度、大空間的要求抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結構：混凝土的抗拉和抗剪強度均較低，抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結構：混凝土的抗拉和抗剪強度均較低，延性也差，混凝土構件開裂后的承載力和變形能力迅速降低，鋼延性也差，混凝土構件開裂后的承載力和變形能力迅速降低，鋼材基本上屬于各向同性的材料，抗壓、抗拉和抗剪強度均很高，材基本上

8、屬于各向同性的材料，抗壓、抗拉和抗剪強度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，鋼結構因良好的延性，重要的是具有良好的延性。地震作用下，鋼結構因良好的延性，不僅能夠減弱地震反應，而且屬于較理想的彈塑性結構，具有抵不僅能夠減弱地震反應，而且屬于較理想的彈塑性結構，具有抵抗強烈地震的變形能力抗強烈地震的變形能力減輕結構自重，降低基礎工程造價：兩類結構的結構自重的比例減輕結構自重，降低基礎工程造價：兩類結構的結構自重的比例為為2 2：1 1，荷載減小，基礎處理的難度和基礎工程的造價均下降，荷載減小，基礎處理的難度和基礎工程的造價均下降減少建筑中結構所占的面積減少建筑中結構所占的面積施工周期短：工

9、廠制作，現場安裝，無須大量腳手架，壓型鋼板施工周期短：工廠制作，現場安裝，無須大量腳手架，壓型鋼板可以作為混凝土樓板的永久模板，可節(jié)約可以作為混凝土樓板的永久模板，可節(jié)約20%30%20%30%的施工時間的施工時間 4 4、組合結構、組合結構 綜合鋼框架與鋼筋混凝土筒體，具有二者的優(yōu)點側向剛度大于鋼結構結構造價介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間施工速度比鋼筋混凝土結構加快結構面積小于鋼筋混凝土結構 發(fā)揮鋼管混凝土柱的強度和剛度作用 結構形式選擇的基本要求結構形式選擇的基本要求經濟性（必要時考慮綜合經濟效果）技術條件（包括設計技術、施工技術等等）材料供應情況受力特點 現代高層建筑現代高層建筑 結構體

10、系分類結構體系分類框架體系（含板柱體系）框架體系（含板柱體系）框架剪力墻體系（含框架筒體體系）框架剪力墻體系（含框架筒體體系）剪力墻體系剪力墻體系全落地剪力墻體系全落地剪力墻體系部分框支剪力墻體系部分框支剪力墻體系筒體體系筒體體系框筒體系框筒體系筒中筒體系筒中筒體系多筒體系多筒體系結構抵抗外部作用的構件組成方式結構抵抗外部作用的構件組成方式1 1、框架結構、框架結構（由桿件梁、柱組成） 圖 特點：結構布置靈活，較大的室內空間，使用方便分類：（按照施工方法） 現澆框架 裝配整體式框架 裝配式框架 抗側剛度：梁柱，但梁柱截面慣性矩小，側向變形較大，限制使用高度缺點：抗震性能差，剛度較低，地震中填充

11、墻損壞嚴重，修復費用高適用范圍：非抗震地區(qū)和層數較少的建筑，1520層以下較適宜框架結構框架結構框架結構框架結構框架結構受力變形特點框架結構受力變形特點2 2、剪力墻結構、剪力墻結構（縱橫方向的墻體組成抗側力體系 ） 剪力墻結構剪力墻結構 特點：結構剛度很大，空間整體性好，水平荷載作用下側向變形小，用鋼量較省，抗震性能好，剪力墻的間距取決于樓板跨度38m，適于小開間建筑，例如住宅、旅館建筑，房間不外露梁柱棱角，整體美觀，可以適用于較高的高層建筑缺點：自重大，基礎處理要求較高，不利于布置大開間房間，不能滿足公共建筑的使用要求。解決方法：解決方法： 底部大空間剪力墻結構底部大空間剪力墻結構（框支剪

12、力墻）（框支剪力墻） 底部若干層部分剪力墻取消底部若干層部分剪力墻取消剛度差異（限制落地剪力墻的比例和剪力墻之剛度差異（限制落地剪力墻的比例和剪力墻之間的間距）間的間距）轉換層（板式轉換和梁式轉換）轉換層（板式轉換和梁式轉換）3 3、框架、框架剪力墻（筒體）結構剪力墻（筒體）結構3 3、框架、框架剪力墻（筒體）結構剪力墻（筒體）結構3 3、框架、框架剪力墻（筒體）結構剪力墻（筒體）結構特點：剪力墻（核心筒）承擔大部分水平力(8090)，是主要的抗側力構件，框架承擔豎向荷載，提供較大的空間，既具有框架結構布置靈活、方便使用的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力，適用于公共建筑和旅館建筑3 3、框

13、架、框架剪力墻（筒體）結構剪力墻（筒體）結構（1 1）剪力墻數量）剪力墻數量以滿足位移限制為依據設置剪力墻數量以滿足位移限制為依據設置剪力墻數量（2 2）剪力墻的布置及間距）剪力墻的布置及間距宜分散不宜集中宜分散不宜集中滿足建筑使用要求和結構剛度的要求滿足建筑使用要求和結構剛度的要求縱橫向剪力墻布置均應滿足要求縱橫向剪力墻布置均應滿足要求布置應均勻、對稱、周邊，使剛度中心和質量中心盡量接布置應均勻、對稱、周邊，使剛度中心和質量中心盡量接近，避免扭轉效應近，避免扭轉效應剪力墻的間距不宜過大，保證樓蓋剛度足夠剪力墻的間距不宜過大，保證樓蓋剛度足夠剪力墻應貫通全高，結構上下剛度連貫均勻剪力墻應貫通全

14、高，結構上下剛度連貫均勻框架筒體結構：框架筒體結構：利用剪力墻筒體作電梯、樓梯和豎向管道，便于采用鋼筋混凝土利用剪力墻筒體作電梯、樓梯和豎向管道，便于采用鋼筋混凝土內筒和鋼框架的混合結構內筒和鋼框架的混合結構板柱剪力墻結構：板柱剪力墻結構：剪力墻承擔全部剪力墻承擔全部水平力，但控制水平力，但控制板柱部分能夠承板柱部分能夠承擔擔20水平力水平力4 4、筒體結構、筒體結構 （空間受力體系）（空間受力體系）一個或多個筒體來抵抗水平力的結構為筒體結構（筒體由剪力墻組成空間薄壁筒體或框架柱形成密柱框筒） 4 4、筒體結構、筒體結構 （空間受力體系）（空間受力體系）（1 1）框筒結構：）框筒結構：內筒承受

15、豎向荷載，外筒承受水平荷載，柱距一般在3m以內，框筒梁比較高，開洞面積在60%以下 1931年102層帝國大廈：鋼框架 剪 力 墻 體 系 ， 用 鋼 量2.06kN/m21972年110層世界貿易中心：筒中 筒 結 構 體 系 ， 用 鋼 量1.81kN/m21974年110層西爾斯大樓：鋼成束 筒 結 構 體 系 ， 用 鋼 量1.61kN/m2（2 2）桁架筒結構）桁架筒結構：桁架形成的筒體，鋼材，節(jié)省材料桁架形成的筒體，鋼材，節(jié)省材料實例：芝加哥的約翰實例：芝加哥的約翰 漢考克大廈，漢考克大廈，100100層，用鋼量層，用鋼量1.45kN/m1.45kN/m2 2 香港中國銀行，鋼斜撐

16、、鋼香港中國銀行，鋼斜撐、鋼梁、鋼骨組合混凝土柱的空間桁梁、鋼骨組合混凝土柱的空間桁架體系架體系. .（3 3）筒中筒結構）筒中筒結構： 薄壁內筒和密柱外框筒（桁架筒）組成，抗風、抗震能力好深圳國際貿易中心大廈，深圳國際貿易中心大廈，5050層，層，158m158m，鋼筋混，鋼筋混凝土筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成凝土筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成廣東國際大廈，廣東國際大廈，6363層，層，200m200m，鋼筋混凝土內筒體，外筒鋼筋混凝土內筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成由鋼骨混凝土和鋼柱組成 上海金貿大廈上海金貿大廈 框架筒體結構，共88層，高420.5米，用于辦公、賓館。內筒為八角形

17、內筒為八角形鋼 筋 混 凝鋼 筋 混 凝土核心筒，土核心筒，外 筒 由 八外 筒 由 八根 復 合 巨根 復 合 巨型柱、型柱、8 8根根鋼 柱 ， 用鋼 柱 ， 用鋼量鋼量0.7kN/m0.7kN/m2 2 上海金貿大廈上海金貿大廈 上海上海金貿金貿大廈大廈筒體結構的布置原則筒體結構的布置原則：減少剪力滯后 密柱深梁：柱中距為1.2m3.0m，橫梁跨高比為2.54 長寬比不宜大3，高度不宜低于60m 選擇合適的樓板體系，樓板具有足夠的剛度筒體結構的布置原則筒體結構的布置原則：設置剛度很大的轉換層（實腹梁、空腹鋼架、桁架、拱），以提供底層使用空間（4）成束筒結構：成束筒結構：超 高 層 ， 若

18、 干 筒 體 并 聯 而 成 ， 強 度 、 剛 度 均 很 大 （美國希爾斯大廈，109層，443m，框筒由鋼柱和桁架梁組成） 多筒體結構：多筒體結構：多個鋼筋混凝土剪力墻筒體，適應于復雜平面的布置要求芝加哥西爾斯芝加哥西爾斯大廈大廈 共 8 0 層 ，高322米，混 凝 土 結構 ， 商 用辦公樓（5 5）巨型結構體系）巨型結構體系 ： （5 5）巨型結構體系）巨型結構體系 ： 由兩級結構組成 一級為：跨越若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型桁架，提供較大的抗側剛度和承載力承受水平力和豎向荷載； 二級：其它樓層梁柱，承受豎向荷載并將荷載產生的內力傳遞到一級結構上 框架體系（含板柱體系）框

19、架體系（含板柱體系）框架剪力墻體系（含框架筒體體系）框架剪力墻體系（含框架筒體體系）剪力墻體系剪力墻體系全落地剪力墻體系全落地剪力墻體系部分框支剪力墻體系部分框支剪力墻體系筒體體系筒體體系框筒體系框筒體系筒中筒體系筒中筒體系多筒體系多筒體系(一)、結構抗側力體系的選擇 根據建筑高度選擇抗側力體系A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度 結構體系結構體系非抗震非抗震設計設計抗震設防烈度抗震設防烈度6度度7度度8度度9度度框架框架7060554525框架框架剪力墻剪力墻14013012010050剪力剪力墻墻全部落地全部落地15014012010060部分框支部分框體筒體

20、框架心筒框架心筒16015013010070筒中筒筒中筒20018015012080板柱板柱剪力墻剪力墻70403530B B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度 結構體系結構體系非抗震非抗震設計設計抗震設防烈度抗震設防烈度6度度7度度8度度框架框架剪力墻剪力墻170160140120剪力剪力墻墻全部落地全部落地180170150130部分框支部分框支150140120100筒體筒體框架核心框架核心筒筒220210180140筒中筒筒中筒300280230170房屋高度：室外地面至檐口高度，不包括局部突出屋面的水箱、電梯間等部分的高度A級高度鋼筋混凝土高

21、層建筑的最大高寬比 結構體系非抗震設計抗震設防烈度6度7度8度9度框架、板柱剪力墻5432框架剪力墻5543剪力墻6654筒中筒、框架核心筒6654控制結構高寬比控制結構高寬比H/B H/B ：控制結構剛度和側移：控制結構剛度和側移說明：結構合理，滿足側移和自振周期，說明：結構合理，滿足側移和自振周期， 經驗算可以適經驗算可以適當放寬當放寬非抗震設計抗震設防烈度6度7度8度876B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大高寬比 ( (二二) )、樓蓋體系的選擇、樓蓋體系的選擇1、 肋形樓蓋（單向板、雙向板）梁板式樓蓋梁板式肋形樓蓋應用最廣 現澆樓板最小厚度現澆樓板最小厚度80mm 80mm 實際應實際應

22、100mm100mm以上以上(二)、樓面體系的選擇2、無梁樓蓋層高受限情況下，公共建筑常采用無梁樓蓋，最好采用現澆柱帽合適跨度：普通鋼筋混凝土樓面6m以內，預應力混凝土樓面9m活荷載較大時比較經濟（5kN/m5kN/m2 2），），多用于倉庫、多層廠房等(二)、樓面體系的選擇2、無梁樓蓋(二)、樓面體系的選擇3、密肋樓蓋跨度較大而梁高受限的情況下，肋距常為0.91.5m，一般為1.2m合適跨度：現澆混凝土密肋樓蓋跨度不超過9m，預應力混凝土密肋樓蓋跨度不超過12m，適用于大跨度及大荷載 ( (一一) )、結構平面布置原則、結構平面布置原則 平面布置要求：有利于抵抗水平荷載和豎向荷載，受力明確，

23、平面布置要求：有利于抵抗水平荷載和豎向荷載，受力明確，傳力途徑清楚；力爭均勻對稱，減少扭轉影響傳力途徑清楚；力爭均勻對稱，減少扭轉影響平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱，盡量避免過大的外伸、內平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱，盡量避免過大的外伸、內收收避免地震影響避免地震影響總長度總長度L L：避免兩端振動不一致使建筑物破壞：避免兩端振動不一致使建筑物破壞平面外伸：凹角部分容易產生應力集中（樓板加強，且凹平面外伸：凹角部分容易產生應力集中（樓板加強，且凹角和端角不宜設樓電梯間角和端角不宜設樓電梯間抗側力結構布置時，宜對稱、均勻，使剛度中心與荷載作抗側力結構布置時，宜對稱、均勻，使剛度中心與荷載作用中心盡量接

24、近用中心盡量接近避免產生扭矩避免產生扭矩筒體結構多采用正多邊形、圓形、矩形和等邊三角形筒體結構多采用正多邊形、圓形、矩形和等邊三角形 選擇有選擇有利于利于抗震抗震的結的結構平構平面面抗震不利結構平面抗震不利結構平面l不對稱突出部分過長L/B過長l突出部分過長抗震不利結構平面抗震不利結構平面(二)、結構豎向布置的要求 高寬比限制：保證建筑物在水平力作用下不發(fā)生傾覆，保證建筑物的整體穩(wěn)定性 布置原則：結構的強度、剛度宜均勻、連續(xù)、不突變 豎向剛度突變的原因豎向剛度突變的原因 1、結構豎向體形突變（1）頂部收進形成塔樓，小塔樓因鞭梢效應而放大地震作用，且塔樓的質量和剛度越小，地震放大越明顯（2）樓層

25、外挑內收，結構剛度和質量變化大，地震作用下易形成薄弱環(huán)節(jié)結構豎向布置的要求 2 2、結構體系的變化、結構體系的變化（1）底部大空間要求，底層若干層剪力墻不落地，產生剛度突變（措施：盡量增加落地剪力墻、柱、筒體截面尺寸，提高混凝土等級，減少剛度變化）（2）中部樓層部分剪力墻中斷不宜超過1/3，不允許超過1/2，墻體加強（3）頂部大空間高振型影響顯著結構豎向布置的要求 豎向規(guī)則建筑要求：豎向規(guī)則建筑要求：l當結構上部樓層收進部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進后的水平尺寸B1不宜小于下部樓層水平尺寸B的 0.75倍。l下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸B1的 0.9倍,且水平外挑尺寸a不宜大于4m。豎向規(guī)則建筑要求：豎向規(guī)則建筑要求：選擇有利于抗震的豎向布置選擇有利于抗震的豎向布置剛度均勻而連續(xù)，避免剛度突變 防止結構因溫度變化和混凝土干縮變形產生裂縫（基防止結構因溫度變化和混凝土干縮變形產生裂縫（基礎以上上部結構斷開）礎以上上部結構斷開）不設溫度縫的措施：不設溫度縫的措施：溫度影響較大部位提高配筋