1、武漢大學土建學院土木工程專業(yè)課程高 層 建 筑 結 構 設 計,講授者：何英明 2008.09,第1章 高層建筑結構概述,1.1 高層建筑的一般概念,(1)高層建筑的范圍：國際標準,第一類高層建筑：916層 （最高到50m）,第二類高層建筑：1725層 （最高到75m）,第三類高層建筑：2640層 （最高到100m）,第四類高層建筑（超高層建筑）：40層以上（高度100m以上）。,(2)高層建筑的范圍：我國標準,防火規(guī)范（GB50045-95）規(guī)定10層及10層以上的居住建筑、或高度超過24m的公共建筑為高層建筑；,高層規(guī)程（JGJ3-2002）規(guī)定10層及10層以上，或房屋高度超過28m的為

2、高層建筑。,習慣上，12層稱低層；39層稱多層；10層及以上稱高層。,對鋼結構房屋,抗震規(guī)范GB 50011-2001規(guī)定的抗震措施，一般以12層為界區(qū)分。所以習慣上稱超過12層為高層建筑。,1.2 高層建筑結構的特點,1.2.1 荷載效應(見下圖1-1),(1)軸向力主要由垂直荷載qv引起：N=qvH B/hH,(1)水平荷載為主導作用(風荷載、地震作用)；,1.2.2 受力特點(見下圖1-2),滿足結構正常使用要求,過大位移對外裝修的影響,過大位移會使主體結構產生裂縫,過大位移會產生P效應,(2)水平側移作為結構設計的控制指標。,(3)頂點水平位移主要由水平荷載qH引起：=qHH4/8EI

3、H4,(2)底部傾覆力矩主要由水平荷載qH引起：M=0.5qHH2H2,圖1-1 結構內力、位移與高度的關系,圖1-2 高層建筑結構材料用量與高度的關系,(1)高層建筑結構需要較大的承載力。,1.2.3 設計要求,(2)高層建筑結構需要較大的剛度，以滿足側移要求。,(3)抗震概念設計的重要性,防止填充墻及裝修損壞；,防止主體結構開裂；,防止過大附加內力導致建筑物倒塌。,不影響正常使用；,1.3 高層建筑的發(fā)展概況,1.3.1 古代高層建筑,1.3.2 現(xiàn)代高層建筑（大體經歷了三個時期）,(1)醞釀成形期（整個19世紀）,(2)發(fā)展成熟期（20世紀初到第二次世界大戰(zhàn)）,(3)繁榮時期（第二次世界

4、大戰(zhàn)以后現(xiàn)在）,18841986年，美國芝加哥建成家庭保險公司大樓，11層，55m，鑄鐵框架，該大樓被認為是的一棟現(xiàn)代高層建筑。,(1)醞釀成形期（整個19世紀）,1895年，奧提斯(OTIS)安全電梯首次用于美國紐約某16層賓館。,1898年，美國建成了19世紀最高建筑紐約PARK ROW大廈，30層，高118m，鋼結構。,電梯和鋼結構的應用，推動了高層建筑的發(fā)展。,這一時期高層建筑的特點是：, 采用傳統(tǒng)材料，截面尺寸大，延性差。, 現(xiàn)代材料開始應用。,(2)發(fā)展成熟期（20世紀初到第二次世界大戰(zhàn)）,1931年，美國紐約建成了Empire State Building(帝國大廈) 鋼結構，1

5、02層，高381m。該大樓保持世界最高建筑記錄長達41年之久。(直到1972年美國紐約建成110層、高412m的世界貿易中心為止。),1903年，美國辛辛那提城建成INGALLS(英格爾斯大樓)16層，高度64m，首次采用鋼筋混凝土結構。,這一時期高層建筑的特點是：, 鋼結構的大量采用，使建筑的層數(shù)、高度大增；, 此外，鋼筋混凝土結構也開始用于高層建筑中。,(3)繁榮時期(第二次世界大戰(zhàn)以后現(xiàn)在),特點：新結構、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，設計理論日趨完善。,數(shù)量迅速增加，層數(shù)、高度大幅度提高。,19721973年，美國紐約世界貿易中心(南北樓)110層412417m，鋼結構，打破了帝國大廈41年

6、之久的381m記錄，該建筑于2001年9月11日被恐怖分子劫持的飛機撞毀，史稱911事件。,1974年，美國芝加哥建成希爾斯大廈(SEARS TOWER)110層，443m，鋼結構。,19901991年，朝鮮平壤市建成柳京飯店，地面以上101層，地下4層，高319.8m，是目前世界上層數(shù)最多的鋼筋混凝土高層建筑。,1993年，香港建成中環(huán)大廈，75層，368M，是目前世界上最高的鋼筋混凝土高層建筑。,2003年7月1日，中國臺北101金融大樓結構封頂。該大樓地下5層，地上101層，高度508m ，是目前世界最高的建筑。,結構體系新穎多變，建筑材料豐富多彩。,筒體結構：框架筒體結構；筒中筒結構(

7、紐約世界貿易中心，412m)；成束筒結構(西爾斯大廈443m)；桁架筒結構(約翰考克大廈，384m)。,懸掛結構、懸挑結構：其中著名的有南非約翰內斯堡標準銀行(懸掛37層)；幕尼黑廣播中心(懸掛17層)等。,巨型框架結構和巨型桁架結構：其中有54層的新加坡華僑銀行(巨型框架)；香港中國銀行(巨型桁架)，72層，368m，1988年建成。,應力蒙皮結構：美國費城1990年建成了One Mellon銀行大廈，56層，242m。,抗震設計水平大幅度提高,美國頒布了一系列抗震設計的法規(guī)，建成了地震區(qū)最高的鋼筋混凝土建筑落杉磯的加利福尼亞聯(lián)合銀行大廈(62層，262m)。,日本在沖破31m限制高度后，全

8、力進行鋼結構和型鋼混凝土結構的抗震設計方法研究，建成了大批lOOm以上的高層建筑。1991年建成東京市府大廈，48層，243m，鋼結構。1993年建成橫濱標志大廈，71層，296m，鋼結構，帶阻尼減震器。,1.3.3 我國高層建筑的發(fā)展,50年代：開始自行設計和建造。如1959年建成的北京民族飯店，12層，高47.4m，裝配式框架-剪力墻結構)。,60年代：有較多高層建筑建成。1968年建成的廣州賓館，27層，高88m，現(xiàn)澆剪力墻結構，是60年代我國建成的最高建筑。,70年代：突破100m大關。1976年在廣州建成的白云賓館，33層，高114m，現(xiàn)澆剪力墻結構，是以后9年中我國最高的建筑。,8

9、0年代：是我國高層建筑高速度發(fā)展時期。1985年，深圳建成了50層、高158.9m的國際貿易中心大廈；1990年，廣東建成高度為200m、63層的廣州國際大廈；1989年，高208m、53層的北京京廣中心大廈建成，成為當時全國最高的建筑。,90年代：1996年建成的深圳地王大廈，8l層、高325m，鋼-混凝土組合結構，是當時全國最高建筑；1998年建成的上海金茂大廈，88層、高421m，鋼-混凝土組合結構，是目前全國第一、亞洲第二、世界第四的摩天大樓。,起步較晚、發(fā)展迅速、差別不大。,(1)地位和現(xiàn)狀,1992年，國際高層建筑與城市住宅委員會（CTBUH）發(fā)布全球100幢最高建筑，中國大陸沒有

10、，當時排名第100位是美國洛杉磯的大西洋里奇菲爾德大廈，高213m，而當時中國的北京京廣中心大廈最高，為208m。,1995年，該組織公布全球100幢最高建筑中，中國大陸占3席。第一，上海金茂大廈，88層、高421m，排名第4（實際第3，石油雙塔樓占2席）；第二，深圳地王大廈，8l層、高325m，排名第13；第三，廣州中天大廈，80層，322m，排名第14。,(2)我國高層建筑發(fā)展的幾個特點,a.層數(shù)增多，高度加大,至1986年，我國建成lOOm以上的高層建筑14幢；,僅僅過了三年，至1990年，我國建成lOOm以上的高層建筑已達78幢，其中120m以上的已超過了20幢；,到1998年，超過2

11、00m的高層建筑已達20幢，最高建筑上海金茂大廈達88層、高421m，排名第4。,b.平面布置和立面體型日益復雜,在80年代之前，體型大多規(guī)則，平面多為矩形，少量為L形、槽形，一般比較簡單。,近年來，結構的平面形狀日趨復雜，立體體型也較多外挑。,c.向多用途、多功能發(fā)展,早期多為單一用途，如高層住宅，高層旅館、高層辦公樓等；,到70年代末期，上層為住宅、下層為商店的商住樓開始在上海、北京興建。,高層綜合大廈：它的上部為旅館、住宅；中層部分為辦公用房；而下層和裙房則布置商店、餐廳、銀行和娛樂設施；地下部分為停車場或地鐵車站。這樣在一條垂直線上就可以滿足用戶各種需要。例如，深圳發(fā)展中心大廈(43層

12、，160m)、廣州國際大廈(63層，200m)、北京京廣中心大廈(53層，208m)、京城大廈(50層，185m)等。,d.結構體系多樣化,1980年以前，基本上是鋼筋混凝土三大常規(guī)體系：框架結構，剪力墻結構和框架剪力墻結構。,進入80年代，筒體結構得到了廣泛應用。在正建和已建成的lOOm以上高層建筑中，采用筒體結構的占60以上。,最近幾年，一些更新穎的結構型式已經得到應用，如：,深圳亞洲大酒店(33層，114m)采用了巨型框架結構；,上海錦江飯店(44層，154m、鋼結構)、北京京城大廈(50層，185m，鋼結構)、深圳發(fā)展中心(43層，160m，鋼結構)都在頂層和中部樓層設置了剛性水平桁架

13、；,廣州國際大廈(63層，200m，鋼筋混凝土結構)在62層，43層、22層分別設置了三道水平桁架。,e.鋼結構高層建筑興建,自1985年以后，陸續(xù)興建了一些鋼結構高層建筑。根據(jù)預測，今后高層建筑仍將以鋼筋混凝土結構和鋼鋼筋混凝土組合結構為主。,1984年以前建成的近千幢高層建筑結構中，沒有采用鋼結構。,f.結構設計水平提高,自上世紀70年代開始，根據(jù)我國自己的科研成果編制了三批規(guī)范，如鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)定(JZ102-79)、鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程(JGJ3-91)、高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ 3-2002）、高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程（JGJ 99-9

14、8）等。,編制了一批適合中國國情的結構分析程序，如PKPM系列；TBSA；GSCAD；FBCAD等等。,到1998年，超過200m的高層建筑已達20幢，最高建筑上海金茂大廈達88層、高421m，排名第4。,典型建筑照片,上海金茂大廈：88層，421m，1998年建成,吉隆坡佩特鈉斯大廈：88層，452m，1996年建成,香港國際金融中心：88層，415m，2003年建成,芝加哥西爾斯大廈：108層，443m，1974年建成,臺北101大廈：101層，508m，2004年建成,漢城國際商務中心：130層，512m，2008年建成,上海環(huán)球金融中心：101層，492m，2007年建成,美國芝加哥阿

15、摩珂大廈：83層，346m，1983年建成,臺灣高雄東帝士大廈：85層，378m，1997年建成,臺灣高雄東帝士大廈,美國紐約帝國大廈,美國紐約帝國大廈：102層，381m，1931年建成,美國紐約世界貿易中心：110層，417m，1972年建成,香港九龍站第7期：102層，480m，2007年建成,1.3.4 展望,(1)醞釀高度上的突破,(2)新材料的開發(fā)和應用,高性能混凝土材料 高強度且具有良好可焊性的厚鋼板 耐火鋼材FR鋼,(3)組合結構高層建筑將增多,采用組合結構可以建造比混凝土結構更高的建筑。 外包混凝土組合柱的應用， 鋼管混凝土組合柱應用， 外包混凝土的鋼管混凝土雙重組合柱的應用

16、。 上海金茂大廈結構中也成功地應用了巨型組合柱。,(4)新型結構形式的應用將增多,桁架筒體已建成的香港中國銀行大廈和正在籌劃中的芝加哥532m高的摩天大樓方案，都采用了桁架筒體，并將全部垂直荷載傳至周邊結構，特別節(jié)省鋼材。預計這種結構體系今后在300m以上的高層建筑中將得到更多的應用。,(5)耗能減震技術的應用將得到發(fā)展,多束筒體系已表明在適應建筑場地、豐富建筑造型、滿足多種功能和減小剪力滯后等方面具有很多優(yōu)點，預計今后也將擴大應用。,巨型框架體系由于其剛度大，便于在內部設置大空間，今后也將得到更多的應用。,1.4 本課程的教學內容與要求,(1)主要內容,結構的體系和布置；,結構的荷載作用及其組合；,結構的設計原則和設計方法；,結構的靜力和動力分析方法以及實用簡化分析方法；,結構的抗震分析和抗震設計；,框架