高層建筑結(jié)構(gòu)體系的確定與布置

高層建筑結(jié)構(gòu)體系的確定與布置石建光廈門大學(xué)土木工程系本節(jié)內(nèi)容高層建筑結(jié)構(gòu)性能需求評(píng)價(jià)高層建筑結(jié)構(gòu)性能控制和要求如何確定高層建筑結(jié)構(gòu)體系高層建筑高度社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)建筑高度的感受和接受程度在不斷提高。過(guò)去50多米高的建筑可能就感覺(jué)很高，而目前100多米的建筑隨處可見(jiàn)，都不會(huì)感覺(jué)高大。整個(gè)世界范圍的建筑平均高度都在迅速增高。

高層建筑高度計(jì)算高層建筑的高度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和動(dòng)力反應(yīng)有很大的影響，底部彎矩隨高度按倆次方增長(zhǎng)，而變形按四次方關(guān)系增加?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3自室外地面至房屋主要屋面的高度?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99確定的建筑高度為室外地坪到建筑檐口高度?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂?shù)母叨?不包括局部突出屋頂部分)高層建筑高寬比高寬比是對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、傾覆、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。高寬比實(shí)際上反映了建筑物的“苗條”程度。隨著高寬比的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力也相對(duì)越強(qiáng)，傾覆力矩也越大。高層建筑高寬比計(jì)算最小投影法

加權(quán)平均寬度

面積法

剛度法高層建筑高度和高寬比限值高層建筑高度和高寬比限值高層建建筑長(zhǎng)長(zhǎng)寬比比當(dāng)建筑筑物的的高度度一定定時(shí)，，隨著著長(zhǎng)寬寬比的的加大大，考考慮偶偶然偏偏心作作用對(duì)對(duì)內(nèi)力力的影影響也也在加加??；；當(dāng)長(zhǎng)長(zhǎng)寬比比一定定時(shí)，，隨著著建筑筑物高高度的的增加加，考考慮偶偶然偏偏心作作用對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)效應(yīng)應(yīng)的影影響在在減少少。高層建建筑長(zhǎng)長(zhǎng)寬比比的的計(jì)算算長(zhǎng)寬比比越大大建筑筑越窄窄，樓樓板變變形會(huì)會(huì)增大大、結(jié)結(jié)構(gòu)整整體性性連接接降低低、振振動(dòng)不不協(xié)調(diào)調(diào)增加加。高層建建筑規(guī)規(guī)則性性平面布布置平面宜宜簡(jiǎn)單單、規(guī)規(guī)則、、對(duì)稱稱、減減少偏偏心；；平平面長(zhǎng)長(zhǎng)度不不宜宜過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)，突突出部部分長(zhǎng)長(zhǎng)度不不宜宜過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng).平面布布置不不規(guī)則則平面布布置不不規(guī)則則判斷斷平面布布置不不規(guī)則則判斷斷高層建建筑規(guī)規(guī)則性性--結(jié)構(gòu)豎豎向布布置結(jié)構(gòu)豎豎向布布置的的原則則是剛剛度均均勻連連續(xù)，，避免免剛度度突變變。在在結(jié)構(gòu)構(gòu)豎向向剛度度有變變化時(shí)時(shí)要做做到由由上到到下剛剛度逐逐漸變變化，，盡量量避免免在結(jié)結(jié)構(gòu)的的某個(gè)個(gè)部位位出現(xiàn)現(xiàn)薄弱弱層。。避免免結(jié)構(gòu)構(gòu)頂部部的局局部突突起引引起““鞭梢梢效應(yīng)應(yīng)”。。豎向不不規(guī)則則高層建建筑5個(gè)性能能需求求指標(biāo)標(biāo)高層建建筑5個(gè)指標(biāo)標(biāo)高低低的判判斷高層建建筑結(jié)結(jié)構(gòu)體體系應(yīng)應(yīng)符合合的要要求結(jié)構(gòu)性性能影影響因因素高層建建筑結(jié)結(jié)構(gòu)體體系確確定方方法計(jì)算確確定結(jié)結(jié)構(gòu)體體系結(jié)構(gòu)方方案的的技術(shù)術(shù)關(guān)鍵鍵大量的的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)據(jù)據(jù)和實(shí)實(shí)踐都都表明明，項(xiàng)項(xiàng)目策策劃、、方案案設(shè)計(jì)計(jì)、初初步設(shè)設(shè)計(jì)、、施工工圖設(shè)設(shè)計(jì)等等前期期策劃劃和設(shè)設(shè)計(jì)階階段影影響整整個(gè)建建設(shè)項(xiàng)項(xiàng)目投投資的的可能能性在在80%以上。。結(jié)構(gòu)成成本占占到建建安成成本的的40%至60%。結(jié)構(gòu)成成本還還常常常由于于策劃劃及設(shè)設(shè)計(jì)管管理的的好壞壞出現(xiàn)現(xiàn)非常常大的的波動(dòng)動(dòng)。結(jié)構(gòu)體系設(shè)設(shè)計(jì)成成功實(shí)實(shí)例馬那瓜瓜美洲洲銀行行實(shí)例-馬那瓜瓜美洲洲銀行行1972年12月23日尼加加拉瓜瓜首都都馬那那瓜發(fā)發(fā)生罕罕遇的的強(qiáng)烈烈地震震，5000多人死死亡，，市區(qū)區(qū)1萬(wàn)多棟棟樓房房靈為為平地地。而而馬那那瓜當(dāng)當(dāng)時(shí)最最高的的建筑筑，林林同炎炎教授授于1963年設(shè)計(jì)計(jì)的18層、61m高的美美洲銀銀行——一棟鋼鋼筋混混凝土土塔樓樓，雖雖位于于震中中，在在樓前前的街街道上上出現(xiàn)現(xiàn)了13mm寬的地地裂縫縫，承承受著著比當(dāng)當(dāng)時(shí)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范(UBC，美國(guó)國(guó)統(tǒng)一一建筑筑規(guī)范范)所要求求的地地面運(yùn)運(yùn)動(dòng)水水平加加速度度0.06g大6倍的地地震強(qiáng)強(qiáng)度(0.35g，相當(dāng)當(dāng)于里里氏6.3～6.5級(jí))而未倒倒塌，，甚至至未嚴(yán)嚴(yán)重破破壞。。馬那瓜瓜中央央銀行行大廈廈試問(wèn)：：那一幢幢破壞壞嚴(yán)重重呢？？馬那瓜瓜美洲洲銀行行大廈廈1）平面不規(guī)則4個(gè)樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻。4層以上的樓板僅為5cm厚，擱置在高45cm長(zhǎng)14m小梁上。

2）豎向不規(guī)則塔樓上部（4層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4層樓板水平處的過(guò)渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（間距9.4m）。上下兩部分嚴(yán)重不均勻，不連續(xù)。主要破壞：第4層與第5層之間(豎向剛度和承載力突變),周圍柱子嚴(yán)重開(kāi)裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿3層以上的所有樓板(有的寬達(dá)1cm),直至電梯井東側(cè)；塔樓西立面、其他立面窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其它非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均嚴(yán)重破壞或倒塌。震后計(jì)算分析結(jié)果:1.結(jié)構(gòu)存在十分嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)效應(yīng);2.塔樓3層以上北面和南面大多數(shù)柱子抗剪能力大大不足,率先破壞；3.水平地震作用下,柔而長(zhǎng)的樓板產(chǎn)生可觀的豎向運(yùn)動(dòng)等。

馬那瓜中央銀行大廈

結(jié)構(gòu)是均勻?qū)ΨQ的，基本的抗側(cè)力體系包括4個(gè)L形的桶體，對(duì)稱地由連梁連接起來(lái)，這些連梁在地震時(shí)遭到剪切破壞，是整個(gè)結(jié)構(gòu)能觀察到的主要破壞。分析表明：1.對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置及相對(duì)剛強(qiáng)的聯(lián)肢墻，有效地限制了側(cè)向位移，并防止了明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；2.避免了長(zhǎng)跨度樓板和砌體填充墻的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞；3.當(dāng)連梁剪切破壞后，結(jié)構(gòu)體系的位移雖有明顯增加，但由于抗震墻提供了較大的側(cè)向剛度，位移量得到控制。美洲銀行實(shí)例----馬那瓜瓜美洲洲銀行行馬那瓜瓜美洲洲銀行行大樓樓分析析美國(guó)ATC規(guī)程編編制者者RonaldSharpe所言：：“到到目前前為止止，抗抗震設(shè)設(shè)計(jì)尚尚不能能稱之之為一一門科學(xué)，而是是一門門藝術(shù)，很多多問(wèn)題題的解解決要要靠工工程判斷”。伯克利利加州州大學(xué)學(xué)的教教授V．Bertero在震后后對(duì)這這幢建建筑作作了動(dòng)動(dòng)力分分析。。當(dāng)核核心筒筒連梁梁破壞壞后，，四個(gè)L型角筒筒獨(dú)立立作用用時(shí)，，結(jié)構(gòu)構(gòu)的自自振周周期和和頂部部位移移明顯顯加大大，而而基底底剪力力和傾傾覆力力矩卻卻明顯顯減小小。馬那瓜瓜美洲洲銀行行大樓樓分析析四個(gè)角筒共同作用四個(gè)角筒分別獨(dú)立作用自振周期(s)基底剪力(t)傾覆力矩(t·m)頂部位移(mm)1.32700930001203.3130037000240正確的的判斷斷力對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)起著著重要要作用用現(xiàn)今的的設(shè)計(jì)計(jì)雖受受規(guī)范范條文文的限限制，，但設(shè)設(shè)計(jì)者者必須須通過(guò)過(guò)思考考和判判斷去去了解解其內(nèi)內(nèi)容、、吃透透其中中的實(shí)實(shí)質(zhì)含含義，，而不不是僅僅僅去去滿足足允許許的最最低限限值。。[英國(guó)]ChasE．Reynolds工程師師所掌掌握的的最佳佳計(jì)算算方法法，應(yīng)應(yīng)該是是運(yùn)用用最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、、最直直接的的計(jì)算算方法法。切切忌使使用概概念含含糊不不清的的計(jì)算算方法法。[英國(guó)]A．L．L．Baker應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)代高高效能能計(jì)算算機(jī)，，是能能對(duì)復(fù)復(fù)雜的的結(jié)構(gòu)構(gòu)做出出可靠靠的分分析，，但更更需要要運(yùn)用用正確確的判判斷力力。尤尤其是是當(dāng)我我們把把結(jié)構(gòu)構(gòu)開(kāi)拓拓成綜綜合型型、新新材料料和更更大跨跨度的的時(shí)候候。[美國(guó)]林同炎炎變形縫縫的設(shè)設(shè)置防震縫縫在地震震作用用下，，特別別不規(guī)規(guī)則結(jié)結(jié)構(gòu)的的薄弱弱部位位容易易造成成震害害，可可咀用用防震震縫將將其劃分分為若若干獨(dú)獨(dú)立的的抗震震單元元，使使各個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)單元元成為為規(guī)則則結(jié)構(gòu)構(gòu)。伸縮縫縫為了避避免收收縮裂裂縫和和溫度度裂縫縫，房房屋建建筑可可以設(shè)設(shè)置伸伸縮縫縫。我我國(guó)規(guī)規(guī)范規(guī)規(guī)定，，現(xiàn)澆澆鋼筋筋混凝凝土框框架結(jié)結(jié)構(gòu)、、剪力力墻結(jié)結(jié)構(gòu)伸伸縮縫縫的最最大間間距分分別為為55m和45m，框架架一剪剪力墻墻結(jié)構(gòu)構(gòu)伸縮縮縫的的最大大間距距可根根據(jù)具具體情情況介介于45m和55m之間。。沉降縫縫許多高高層建建筑由由主體體結(jié)構(gòu)構(gòu)和層層數(shù)不不多的的裙房房組成成，裙裙房和和主體體結(jié)構(gòu)構(gòu)的高高度及及重量量相差差懸殊殊，可可采用用沉降降縫將將裙房房和主主體結(jié)結(jié)構(gòu)從從頂層層到基基礎(chǔ)全全部斷斷開(kāi)，，使各各部分分自由由沉降降，避避免由由沉降降差引引起裂裂縫或或破壞壞。抗抗震設(shè)設(shè)防的的結(jié)構(gòu)構(gòu)，沉沉降縫縫的寬寬度應(yīng)應(yīng)符合合防震震縫最最小寬寬度的的要求求?；A(chǔ)形形式上海環(huán)環(huán)球金金融中中心大大廈工程概概況上海環(huán)環(huán)球金金融中中心大大廈系系一幢幢以辦辦公為為主，，集商商貿(mào)、、賓館館、觀觀光、、展覽覽及其其它公公共設(shè)設(shè)施于于一體體的大大型超超高層層建筑筑。主樓地地下3層，地地上101層，地地面以以上結(jié)結(jié)構(gòu)高高度492m。大樓建建筑面面積為為252935m2，裙房房為33370m2，地下下室為為63751m2，合計(jì)計(jì)約35萬(wàn)m2。此工程程由日日本森森大廈廈株式式會(huì)社社一級(jí)級(jí)建筑筑師事事務(wù)所所（MoriBuildingArchitects&Engineers）負(fù)責(zé)責(zé)總設(shè)設(shè)計(jì)和和審查查；由由美國(guó)國(guó)KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑筑師事事務(wù)所所負(fù)責(zé)責(zé)建筑筑設(shè)計(jì)計(jì)；美美國(guó)賴賴思里里.羅伯遜遜聯(lián)合合股份份有限限公司司（LeslieE.RobertsonAssociates）負(fù)責(zé)責(zé)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)。根據(jù)我我國(guó)《高層建建筑混混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)技術(shù)術(shù)規(guī)程程》（JGJ3-2002），其結(jié)構(gòu)構(gòu)高度度492m超過(guò)了了型鋼鋼混凝凝土框框架－－鋼筋筋混凝凝土筒筒體最最大高高度190m的限值值，同同時(shí)高高寬比比8.49超過(guò)了了設(shè)防防烈度度7度的上上海地地區(qū)高高寬比比限值值為7的要求求。上海環(huán)環(huán)球金金融中中心結(jié)結(jié)構(gòu)體體系由巨型型柱、、巨型型斜撐撐構(gòu)成成的巨巨型框框架-支撐結(jié)結(jié)構(gòu)、、鋼筋筋混凝凝土核核心筒筒結(jié)構(gòu)構(gòu)以及及構(gòu)成成核心心筒和和巨型型結(jié)構(gòu)構(gòu)柱之之間相相互作作用的的伸臂臂鋼桁桁架組組成。。有7道加強(qiáng)強(qiáng)層的的框架架-支撐巨巨型框框架-混凝土土核心心筒結(jié)結(jié)構(gòu)核心筒筒在57層-60層及78層-79層樓層層處進(jìn)進(jìn)行了了二次次轉(zhuǎn)換換,內(nèi)部核核芯筒筒由平平面形形狀不不同的的低筒筒、中中筒和和上部部筒組組成；；伸臂桁桁架在在核心心筒內(nèi)內(nèi)不貫貫通；；由于考考慮到到建筑筑立面面效果果和采采光的的要求求，巨巨型斜斜撐采采用的的是單單向斜斜撐。。巨型斜撐巨型柱A帶狀桁架核芯筒伸臂桁架巨型柱B巨型柱A巨型柱B上海環(huán)環(huán)球金金融中中心結(jié)構(gòu)規(guī)規(guī)則性性判斷斷建筑平平面為為59.95m59.95m的正方方形形形狀規(guī)規(guī)則，，無(wú)局局部凸凸凹；；建筑的的立面面形狀狀逐漸漸變化化，無(wú)無(wú)過(guò)大大外挑挑和內(nèi)內(nèi)收。。上海環(huán)環(huán)球金金融中中心的的平面面布置置和豎豎向體體型無(wú)無(wú)明顯顯的不不規(guī)則則性。。核芯筒豎向布置不不連續(xù)，不符合豎豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜宜上下連續(xù)貫通的的要求。帶狀桁架、伸臂桁桁架和核芯筒內(nèi)的的轉(zhuǎn)換桁架等結(jié)構(gòu)構(gòu)加強(qiáng)層，使得結(jié)結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛剛度沿豎向分布不不均勻。結(jié)構(gòu)高度、高寬比比超限。上海環(huán)球金融中心心的高度和高寬比比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)范范限值；且結(jié)構(gòu)豎豎向變化較大；筒筒體多次轉(zhuǎn)換