緒論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章概述1.1高層建筑結(jié)構(gòu)特點定義高層與多層沒有嚴(yán)格公認(rèn)的界限。將10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)稱為高層建筑。不同國家有不同的定義：美國：22~25m（7層）英國：24m日本：31m（8層）我國有關(guān)規(guī)范對高層的定義：

《民用建筑設(shè)計通則》

1住宅建筑按層數(shù)分類：一層至三層為低層住宅，四層至六層為多層住宅，七層至九層為中高層住宅，十層及十層以上為高層；2除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者為單層和多層建筑，大于24m者為高層建筑(不包括建筑高度大于24m的單層公共建筑)；3建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》12層以上的鋼結(jié)構(gòu)建筑高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形

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側(cè)移成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制指標(biāo)，水平荷載(風(fēng)、地震)成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移要限制在一定的范圍內(nèi)，因為：（1）過大的側(cè)向變形使人不舒服（2）過大的側(cè)向位移會使填充墻及結(jié)構(gòu)開裂，使電梯軌道變形。（3）過大側(cè)移使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力,即P-△效應(yīng)。高層建筑是隨著社會生產(chǎn)發(fā)展和人類活動的需要而發(fā)展起來的，是商業(yè)化、工業(yè)化和城市化的結(jié)果。高層建筑的出現(xiàn)滿足了以下要求：（1）人口城市化：用地緊張（2）縮短交通距離（3）增加綠地、改善環(huán)境1.2高層建筑的歷史與現(xiàn)狀（1）19世紀(jì)末-20世紀(jì)50年代前世界第一幢高層是1884年在美國芝加哥建造的家庭保險公司大樓，11層，55m，鑄鐵和鋼框架承重。1931年美國紐約帝國大廈，102層，381m高，保持世界最高建筑紀(jì)錄達(dá)41年。由于當(dāng)時的理論仍停留在平面結(jié)構(gòu)，使建筑用鋼量較大。如帝國大廈用鋼量為206kg/m2帝國大廈（TheEmpireStateBuilding）位于紐約市，共有102層，381m高,鋼結(jié)構(gòu)，建成于1931年。它的名字來源于紐約州的別稱TheEmpireState（帝國之州）。帝國大廈原本共381米，20世紀(jì)50年代安裝的天線使它的高度上升至米。根據(jù)估算，建造帝國大廈的材料約有33萬噸。大廈總共擁有6500個窗戶、73部電梯，從底層步行至頂層須經(jīng)過1860級臺階。它的總建筑面積為萬平方米。1931年5月1日，帝國大廈正式落成，但許多辦公室在40年代之前一直空置，使它在早期被戲稱為EmptyStateBuilding（空國大廈）。（2）二次大戰(zhàn)后

計算機(jī)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)計算理論由二維平面結(jié)構(gòu)理論發(fā)展到三維空間結(jié)構(gòu)理論，使高層建筑結(jié)構(gòu)體系得到發(fā)展。1972年：紐約世貿(mào)中心大廈，110層，402m高。1973年：西爾斯大廈，110層，443m高。1998年：吉隆坡石油雙塔大樓，88層，452m高。2003年：臺北101大樓，地上101層，地下3層，508m高。2007年：迪拜塔。臺灣位于地震帶上，在臺北盆地的范圍內(nèi)，又有三條小斷層，臺北101的設(shè)計必定要能防止強震的破壞。且臺灣每年夏天都會受到太平洋上形成的臺風(fēng)影響，防震和防風(fēng)是臺北101必須克服的兩大難題。為了評估地震對臺北101所產(chǎn)生的影響，地質(zhì)學(xué)家通過勘探，發(fā)現(xiàn)距建筑200米左右有一處10米厚的斷層。依據(jù)這些資料，國家地震工程研究中心建立了模型，仿真地震發(fā)生時大樓可能發(fā)生的情形。為了因應(yīng)高空強風(fēng)及臺風(fēng)吹拂造成的搖晃．大樓內(nèi)設(shè)置了調(diào)質(zhì)阻尼器，是在88至92樓掛置一個重達(dá)660公噸的巨大鋼球，利用擺動來減緩建筑物的晃動幅度。防震措施方面，臺北101采用新式的“巨型結(jié)構(gòu)”，在大樓的四個外側(cè)分別各有兩支巨柱，共八支巨柱，每支截面長3公尺、寬公尺，自地下5樓貫通至地上90樓，柱內(nèi)灌入高密度混凝土，外以鋼板包覆。整個大廈平面隨層數(shù)增加而分段收縮。在51層以上切去兩個對角正方形，67層以上切去另外兩個對角正方形，91層以上又切去三個正方形，只剩下兩個正方形到頂。哈利法塔（迪拜塔）

哈利法塔(迪拜塔)有160層，總高828米，比臺北101大樓足足高出320米。迪拜塔2004年9月21日開始動工，2010年1月4日竣工啟用。哈利法塔擁有56部電梯，速度最高達(dá)每秒米，這是世界速度最快且運行距離最長的電梯。艾爾馬地產(chǎn)公司的銷售經(jīng)理納曼·阿塔拉說：“這一設(shè)計將觸及技術(shù)所能達(dá)到的巔峰，在此之前沒有一座建筑能修那么高。人們不得不開發(fā)能適應(yīng)這種高度的新型電梯。日本東京千年塔日本東京千年塔高約840米，外觀呈現(xiàn)圓錐形，1989年是由福斯特建筑事務(wù)所最早提出，用以解決東京開發(fā)用地短缺和人口過剩問題。按計劃，千年塔將建在距東京灣英里處的海岸邊，有170層樓那么高，占地面積平方英里，可用于商業(yè)和居住。千年塔可以容納6萬人，有一條高速地鐵網(wǎng)，每次載客量為160人，保證當(dāng)?shù)鼐用裾３鲂?。千年塔每?3層都設(shè)有一個交通中轉(zhuǎn)站，公交系統(tǒng)連接這些交通樞紐，乘客可在這些中轉(zhuǎn)站上下車，或轉(zhuǎn)乘電梯和移動人行道。千年塔的風(fēng)力渦輪機(jī)和安裝在上層的太陽能電池板可以為整棟建筑提供可持續(xù)能源，是目前提出的最環(huán)保的理想城市設(shè)計方案之一。此建筑被構(gòu)思為一根巨大的“定海神針”，包裹在螺旋線形的金屬框架內(nèi)，矗立于游艇碼頭之中。（3）我國高層建筑的發(fā)展

我國自行建造高層建筑是從20世紀(jì)50年代開始的。1959年，北京建造了幾幢鋼筋混凝土高層建筑：m）m）1975m）標(biāo)志我國高層建筑突破100m1985年以前主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，之后鋼結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用。1998年，上海金茂大廈（88層421m）采用鋼-砼混凝土組合結(jié)構(gòu)。主樓結(jié)構(gòu)的地上部分為中央鋼筋混凝土剪力墻組成的八邊形核心筒體和外框的八個鋼骨混凝土巨型組合柱、八根鋼巨型柱及鋼梁。核心筒體的厚度由下至上逐步減小，從850mm到450mm。樓板為鋼梁、金屬壓型鋼板組合樓板，一般跨度為在24層至26層、51層至53層和85層至87層三個部位設(shè)置兩層的鋼桁架，作為水平剛度加強層，使中央鋼筋混凝土核心筒體與外周均布置的八個鋼骨混凝土巨型組合柱組成“核心筒體-鋼巨型桁架-鋼骨混凝土巨型組合柱”的高效率抗側(cè)力系統(tǒng)，是典型的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。。上海金茂大廈塔樓核心筒和巨型柱施工世界先進(jìn)

超高層建筑施工采用自行開發(fā)研制的整體提升鋼平臺模板體系和進(jìn)口的液壓自動爬模體系，在上海環(huán)球金融中心塔樓核心筒和巨型柱結(jié)構(gòu)施工中發(fā)揮了獨特作用?；炷烈淮伪盟椭?92米

高強度、高耐久、高流態(tài)、高泵送混凝土技術(shù)在上海環(huán)球金融中心施工中見奇效，刷新了一次連續(xù)40個小時澆筑主樓底板3萬余立方混凝土的國內(nèi)房建領(lǐng)域新紀(jì)錄和混凝土一次泵送至492米高空的世界紀(jì)錄。

噸可吊至500米高空

采用了2臺M900D塔吊，是目前國內(nèi)房建領(lǐng)域中起重量最大、高度可達(dá)500米的巨型變臂塔吊，塔吊總重量達(dá)噸。大廈封頂后，該塔吊將在500米高空拆卸，這在世界范圍內(nèi)尚無先例。遭遇強臺風(fēng)不會引起搖晃

為提高遭遇強風(fēng)時大廈酒店和辦公人員使用環(huán)境的舒適性，上海環(huán)球金融中心在90層安裝了2臺用來抑制建筑物由于強風(fēng)引起搖晃的風(fēng)阻尼器，這是中國大陸地區(qū)首座使用風(fēng)阻尼器裝置的超高層建筑。該裝置通過使用傳感器，能夠探測強風(fēng)時建筑物的搖晃程度，抑制建筑物的搖晃。上海環(huán)球金融中心

世界貿(mào)易中心—鋼結(jié)構(gòu)世界貿(mào)易組織大廈(世界貿(mào)易中心大廈)，1973年建成，位于曼哈頓市區(qū)南端，由5幢建筑物組成，是美國紐約市最高、樓層最多的摩天大樓。自1973年啟用以來即成為紐約的地標(biāo)之一，主樓呈雙塔形，各高412米、110層，鋼結(jié)構(gòu)，四周均是玻璃外墻，有“世界之窗”之稱。2001年9月11日遭受恐怖襲擊。美國東部時間2001年9月11日上午8時45分，一架起飛重量達(dá)160噸的波音767型飛機(jī)，直接撞擊紐約世界貿(mào)易中心北塔；9時03分，又一架起飛重量為100噸的波音757型飛機(jī)，幾乎攔腰撞擊世界貿(mào)易中心南塔。10時05分，南樓倒塌10時37分，北樓倒塌由貝聿銘建筑師事務(wù)所設(shè)計。建成于1990年，總建筑面積12.9萬平方米，地上72層，總高367.4米(其中建筑高度315.4米，頂層天線高度52米)。香港中國銀行大廈香港中國銀行大廈采用由八片平面支撐和五根型鋼混凝土柱所組成的混合結(jié)構(gòu)“大型立體支撐體系”。采用幾何不變的軸力代替幾何可變的彎曲桿系，來抵抗水平荷載，更加經(jīng)濟(jì)有效。利用多片平面支撐的組合，形成一個立體支撐體系，使立體支撐在承擔(dān)全部水平荷載的同時，還承擔(dān)了高樓的幾乎全部的重力，從而進(jìn)一步增強了立體支撐抵抗傾覆力矩的能力。將抵抗傾覆力矩用的抗壓和抗拉豎桿件，布置在建筑方形平面的四個角，從而在抵抗任何方向的水平力時，均具有最大的抗力矩的力偶臂。利用立體支撐及各支撐平面內(nèi)的鋼柱和斜桿，將各樓層重力荷載傳遞至角柱，加大了樓層重力荷載作為抵抗傾覆力矩平衡重的力偶臂，從而提高了作為平衡重的有效性。約翰·漢考克大廈

約翰-漢考克大廈以其100層、344米的高度至今名列世界十大最高建筑物。建筑師法責(zé)勒-凱恩借助電腦軟件設(shè)計漢卡克大廈，開創(chuàng)電腦在設(shè)計運用的先河，是芝加哥建筑史上又一個劃時代的進(jìn)步。漢卡克大廈就像一個被無限拉高的埃及金字塔，借助三面的錐體設(shè)計，使所有傾斜度對角線全部與建筑呈圓筒狀的中心對準(zhǔn)，有效地阻擋四面八方的強風(fēng)。深圳地王大廈325/384米69層建成于1996年廣州中信廣場

322/391米80層19971.3高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

一、鋼結(jié)構(gòu)：設(shè)計實例：西爾斯大廈、帝國大廈、紐約世貿(mào)中心、約翰·漢考克大廈。優(yōu)點：1、自重輕：高層鋼結(jié)構(gòu)的自重（鋼骨架及樓板）約為6-8kN/m2。僅為混凝土高層自重12-14kN/m2的一半，相當(dāng)于建75層的高層鋼結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)重力荷載，可等同于50層高層混凝土結(jié)構(gòu)的重量。地震作用小、可減小基礎(chǔ)的負(fù)荷。2、結(jié)構(gòu)面積小

由于鋼結(jié)構(gòu)強度高、鋼柱截面的外輪廓面積僅為鋼筋混凝土柱的1/3。據(jù)統(tǒng)計鋼柱和混凝土柱的結(jié)構(gòu)面積分別占建筑面積的3%和7%?，F(xiàn)以8萬平米的建筑為例，如采用鋼結(jié)構(gòu)，可比采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)增加樓房有效使用面積3200平米。3、工期短

鋼結(jié)構(gòu)的施工速度比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約快1.5倍，一般鋼結(jié)構(gòu)多高層建筑，每4天完成一層；鋼筋混凝土高層建筑，每6天才能完成一層。40層樓房，如采用鋼結(jié)構(gòu)可節(jié)省工期3個月4、降低層高

多高層建筑內(nèi)管道較多，而鋼梁的腹板上允許開洞，可降低層高。在建筑總高不變的情況下、采用鋼結(jié)構(gòu)可增加層數(shù)5、延性好

歷次證明鋼結(jié)構(gòu)具有較強的抵抗強烈地震的變形能力，其破壞率明顯低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國某些多高層建筑的經(jīng)濟(jì)分析、對于50層左右的高層建筑，考慮自重、截面小、施工速度快等綜合因素，采用鋼結(jié)構(gòu)與采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩者的工程造價基本持平。層數(shù)再高，鋼結(jié)構(gòu)較經(jīng)濟(jì)缺點：防銹、防火性能差，需特別處理防護(hù)。鋼材自身的防火極限僅為15min，在應(yīng)用中應(yīng)按設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用防銹及防火涂料。二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：設(shè)計實例：目前世界上最高的混凝土結(jié)構(gòu)是香港的中環(huán)大廈，374米。優(yōu)點：

價格低、材料來源豐富、防火性能好、剛度較大

三、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(鋼骨砼、鋼管砼)設(shè)計實例：臺北101大廈、吉隆坡雙塔、金茂大廈、香港的中國銀行、深圳地王大廈包括：鋼管混凝土、鋼骨混凝土、部分鋼材、部分混凝土的混合結(jié)構(gòu)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)賽格廣場,深圳(1998）武漢國際證券大廈，武漢(2004）鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)鋼——混凝土組合結(jié)構(gòu)1、截面尺寸小鋼筋混凝土柱由于受到軸壓比及配筋率的限制，提高承載力的唯一途徑只有加大截面面積，而型鋼混凝土柱可以不受含鋼率的限制。2、構(gòu)件延性好由于柱內(nèi)有型鋼的作用，延性遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)3、耐火防腐性高由于型鋼外包有混凝土，因而耐火極限和防腐性能均高于鋼結(jié)構(gòu)鋼骨混凝土優(yōu)點：1、承載力高鋼管混凝土構(gòu)件的受壓承載力可達(dá)到鋼管和混凝土單獨承載力之