高層建筑結構方案設計

1.1概述

高層建筑是社會生產(chǎn)的發(fā)展和人類物質(zhì)生活需要的產(chǎn)物，是現(xiàn)代社會工業(yè)化、

商業(yè)化和城市化的必然結果?？茖W技術的進步、經(jīng)濟的發(fā)展則為高層建筑的發(fā)

展提供了堅實的物質(zhì)基礎。

自從第一棟高層建筑以來，當今世界的高層建筑發(fā)展

改革開放以來，我國高層建筑如雨后春筍迅速發(fā)展。據(jù)資料統(tǒng)計，建設部系統(tǒng)

國有建筑企業(yè)逐年竣工10層以上建筑，從1984年的263萬m2,猛增至1995

年的1841萬心1995年竣工面積為1993年的2.12倍。見表1：

表1建設部系統(tǒng)國有建筑企業(yè)1984?1995年10層以上建筑竣工簡表

年份191919191919191919191919累

848586878889909192939495計

面積2638536477888784928613181022

366658818776415

棟數(shù)3038516171706559658210128235

31481250382159

占全部面5.6.9.10131514141310152012.4

積%151.5.2.5.7.1.1.9.7.1

到1999年末，全國國有和集體建筑企業(yè)累計建成10層以上建筑估計在3億

門2左右（不包括香港、澳門、臺灣地區(qū)）。

當今國內(nèi)最高100棟建筑中，1985年建成的僅1棟（深圳國貿(mào)大廈，159m,

50層），1989?1995年建成的有14棟，而1996?1998年建成的有85棟。1990

年建成的北京京廣中心是我國大陸首棟突破200m的超高層建筑，1996年的深

圳地王大廈其高度已達325m、81層，1998年的上海金茂大廈又有突破，達421m、

88層。

國內(nèi)已建成最高100棟建筑見附錄（截至1998年末）。

對高層建筑的界定，目前全世界還沒有一個統(tǒng)一標準。例

根據(jù)聯(lián)合國科教文組織所屬的世界高層建筑委員會的建議，一般將9層以上

（含9層）稱為高層建筑，并劃分為以下四類：

9——16層，高度不超過50m；

17-----25層，圖度不超過75m：

26——40層，高度不超過100m；

40層以上，高度超過100m；

我國《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ3-2002）?第1.0.2條規(guī)定10層及

10層以上或房屋高度超過27m為高層建筑；《高層民用建筑設計防火規(guī)范

（GB50045-95）?2001年版規(guī)定10層及10層以上的居住建筑、建筑高度超過

24m的公共建筑為高層建筑；

1.2高層建筑結構作用效應的特點

1.2.1高層建筑結構的受力特點

建筑結構所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑

中，由于結構高度低、平面尺寸較大，其高寬比很小，而結構的風荷載和地震

作用也很小，故結構以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結構設

計的主要控制因素。

建筑結構的這種受力特點隨著高度的增大而逐漸發(fā)生變化。

在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，由圖1.2.17所示的框架可知，各

樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：

邊柱N=wlH/2h

中柱N=wlH/h

即框架柱的軸力和建筑結構的層數(shù)成正比；邊柱軸力較中柱小，基本上與其受

荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應很大，建筑物層

數(shù)越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也

越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結構簡化為

一根豎向懸臂梁，那么由圖1.2.1-2、圖1.2.1-3所示其底部產(chǎn)生的傾復彎

矩為：

水平均布荷載MBHX=qH72

倒三角形水平荷載MxQh73

即結構底部產(chǎn)生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結構

的高度越大，由水平作用對結構產(chǎn)生的彎矩就更大，較豎向荷載對結構所產(chǎn)

生的累積效應增加更快，其產(chǎn)生的結構內(nèi)力占總結構內(nèi)力的比重越大，從而

成為結構強度設計的主要控制因素。

1.2.2高層建筑結構的變形特點

在豎向荷載作用下，高層建筑結構的變形主要是豎向構件的壓縮變形c由于各

豎向構件的應力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在鋼筋混凝土結構中,

由于在施工過程中的找平，

同時由于各豎向構件的基底軸力大小不同，若不對基底應力進行調(diào)整，也可能

導致基礎產(chǎn)生不均勻沉降。

在水平荷載作用下，高層建筑結構最大的頂點位移為：

水平均布荷載△maxFH'GEI

倒三角形水平荷載―二11qH7120EI

式中EI為結構的

從以上可看出，結構頂點位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載

作用下的內(nèi)力累積效應增加更快，這就說明，高層建筑結構對結構的水平側(cè)

移是相當敏感的。水平荷載作用下所引起的結構內(nèi)力及側(cè)移是高層建筑結構

設計的主要控制因素。結構應具備較大的抗側(cè)剛度，而不僅僅滿足強度、剛

度和穩(wěn)定要求。

在地震區(qū)，還要求建筑物能抗震。由于地震是一種瞬時作用，但作用所產(chǎn)

生的效應非常強烈，故結構的過大變形是不可避免的(這種變形在不發(fā)生

地震時是不允許的)，這就要求結構有較好的延性，能在強烈地震作用下

結構雖產(chǎn)生較大變形而不破壞。

基礎的轉(zhuǎn)動

1.2.3高層建筑結構的P-△效應

如上所述，高層建筑結構在水平荷載作用下將產(chǎn)生側(cè)移，由于側(cè)移而引起豎

向荷載的偏心又使結構產(chǎn)生附加內(nèi)力，這個附加內(nèi)力反過來又又使結構的側(cè)

移進一步加大。對非對稱結構，平移與扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，當結構產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，豎向

荷載的合力和抗側(cè)力構件的形心將產(chǎn)生偏心也會產(chǎn)生附加內(nèi)力。這種由于豎向

荷載作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和側(cè)移增大的現(xiàn)象稱之為P-△效應。

1.2.4高層建筑結構構件的受力特點

溝成高層建筑結構的主要受力構件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框

架柱是豎向構件，它們是形成結構抗側(cè)力剛度的最主要構件，承擔著整個結構

的豎向荷載和絕大部分水平荷載；框架梁、樓板是水平構件，結構各樓層的豎

向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構件，同時，對結構抗側(cè)力剛度也有貢

獻頗的框架梁，還和豎向構件一起承擔整個結構的荷載水平荷載；次外，有些

高層建筑結構還有斜向構件，它們對結構抗側(cè)力剛度貢獻很大，對構件之間的

傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

1.2.5高層建筑結構的設計要求

強度

剛度

穩(wěn)定性

2.2控制結構側(cè)移大小保證建筑使用功能和安全的主要相關因素。

1.結構在水平陣風作用下，當振動加速度a超過0.015G時會使人的正常

生活受影響，因為加速度Q=A(2nf),當頻率f為定值時，a與振幅A

成正比，因此結構的側(cè)移幅值的大小要受限制。

2.過大的側(cè)移易使隔墻、圍護結構以及高級裝修受損，地震或陣風引起的

過大變形也會造成電梯軌道無法使用。

3.結構過大的變形會引起結構的二階效應，造成結構桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，

影響結構承載力。

雖然受上述因素的影響，但考慮到鋼結構自身具有很強的變形能力而且在

鋼結構中采用的隔墻、裝飾材料又多為較輕，采用的幕墻、懸掛板、鋁板

等變形能力較強，所以鋼結構JGJ99-98標準中規(guī)定的限值標準要比鋼筋混

凝土結構規(guī)定的限制標準寬松。

2.3我國現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的主要限定標準

1.風荷載作用下房屋頂點質(zhì)心位置的側(cè)移應H/500（總高），各層質(zhì)心層

間位移H/400（總高）且結構平面端部構件的最大側(cè)移值不得超過質(zhì)點側(cè)移

值的L2倍。

2.地震作用下，第一階段抗震設防時在多遇地震作用下結構層間位移應《

h/250,且結構平面端部構件最大側(cè)移值不得超過質(zhì)心位置側(cè)移的1.3倍。

對于框架一支撐（剪力板）體系中總框架所承擔的地震剪力不得小于結構

底部總剪力的25%,當對結構平面的兩個主軸方向分別計算水平地震效應

時，要求角柱和兩個方向的支撐（或剪力墻板）所共有的柱構件應在這地

震剪力的基礎上再將桿件內(nèi)力提高30%進行設計。

3.在第二階段抗震設計時結構層間位移應Wh/70,層間側(cè)移延性比（指結

陶層間最大側(cè)移與其彈性側(cè)移之比）不得超過下表中限值：

結構種類結構體系層間側(cè)移延性比

框架體系3.5

全鋼結構框架偏心支撐3.0

框架中心支撐2.5

型鋼一混凝土框架2.5

鋼骨結構

鋼一混凝土混合2.0

4.風荷載作用下順風和橫風向頂點最大加速度應滿足以下要求：

對公共建筑小（或包「）^0.20m/s2

對公寓建筑a.（或k）^0.28m/s2

5.園筒形平面的高層建筑容易因橫向風引起的渦流共振，為防止橫風向引

起共振，因此JGJ99-98中采用房屋頂部風速來限制要求：

頂部風速Vn<Ucr臨界風速

5D//（「為直徑D的結構基本自振周期）

當滿足不了k<U,『時應增大結構剛度或進行橫風向渦流脫落試驗。

6.為了較合理選擇適宜的結構方案規(guī)范對不同的結構種類提出了結構高寬

比限值。

1.3高層建筑的作用

1.3.1高層建筑的靜荷載

1.3.2高層建筑的活荷載

1.3.2.1樓面和屋面活荷載

第3.L1條民用建筑樓面均布活載的標準值及其組合值，頻遇值和準永久值系

數(shù)，應按《建筑結構荷載規(guī)范》GBJ50009-XXXX（以下簡稱《荷載規(guī)范》）

的第4.1.1條的規(guī)定采用，該條無規(guī)定者，可按本規(guī)定表3.1.1采用。

民用建筑樓面均布活載表3.1.1

項標準值

值系

準永久

數(shù)

值系

頻遇

系數(shù)

次組合值

2

另IJ

類

m

(kN/

數(shù)6g

d）f

<i>c

)

—?

0.5

0.6

0.7

.0

3.0-4

展銷間

間、

酒吧

0.5

0.7

0.6

.0

3.5-5

樂室

、娛

體操房

筑

店建

、飯

賓館

0.5

0.7

.0

3.0-4

1

0.5

宴會廳

2

0.5

0.6

0.7

.0

4.0-5

型

：中小

廚房

0.7

0.5

0.6

.0

6.0-8

大型

0.6

0.5

0.7

3

.0

4.0-5

洗衣房

0.8

0.6

0.7

.0

5.0-8

4

貯藏室

算機房

電子計

n

1

0.5

0.6

0.7

3.0

機

一般微

0.5

0.7

2

0.6

4.5

心

網(wǎng)絡中

0.6

0.6

0.7

6.0

機房

電梯間

五

庫

案的書

書館檔

六圖

和檔案

0.8

0.6

0.7