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(mén)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)所要求的地面面運(yùn)動(dòng)水平加加速度0.06g大6倍的地震強(qiáng)度度(0.35g，相當(dāng)于里氏氏6.3～6.5級(jí))而未倒塌，甚甚至未嚴(yán)重破破壞。馬那瓜中央銀銀行大廈試問(wèn)：那一幢破壞嚴(yán)嚴(yán)重呢？馬那瓜美洲銀銀行大廈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?chē)訃?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----馬那瓜美洲銀銀行馬那瓜美洲銀銀行大樓分析析美國(guó)ATC規(guī)程編制者RonaldSharpe所言：“到目目前為止，抗抗震設(shè)計(jì)尚不不能稱之為一一門(mén)科學(xué)，而是一門(mén)藝術(shù)，很多問(wèn)題的的解決要靠工工程判斷”。伯克利加州大大學(xué)的教授V．Bertero在震后對(duì)這幢幢建筑作了動(dòng)動(dòng)力分析。當(dāng)當(dāng)核心筒連梁梁破壞后，四個(gè)L型角筒獨(dú)立作作用時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振周期期和頂部位移移明顯加大，，而基底剪力力和傾覆力矩矩卻明顯減小小。馬那瓜美洲銀銀行大樓分析析四個(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正確的判斷力力對(duì)結(jié)構(gòu)起著著重要作用現(xiàn)今的設(shè)計(jì)雖雖受規(guī)范條文文的限制，但但設(shè)計(jì)者必須須通過(guò)思考和和判斷去了解解其內(nèi)容、吃吃透其中的實(shí)實(shí)質(zhì)含義，而而不是僅僅去去滿足允許的的最低限值。。[英國(guó)]ChasE．Reynolds工程師所掌握握的最佳計(jì)算算方法，應(yīng)該該是運(yùn)用最簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、最直接接的計(jì)算方法法。切忌使用用概念含糊不不清的計(jì)算方方法。[英國(guó)]A．L．L．Baker應(yīng)用現(xiàn)代高效效能計(jì)算機(jī)，，是能對(duì)復(fù)雜雜的結(jié)構(gòu)做出出可靠的分析析，但更需要要運(yùn)用正確的的判斷力。尤尤其是當(dāng)我們們把結(jié)構(gòu)開(kāi)拓拓成綜合型、、新材料和更更大跨度的時(shí)時(shí)候。[美國(guó)]林同炎變形縫的設(shè)置置防震縫在地震作用下下，特別不規(guī)規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄薄弱部位容易易造成震害，，可咀用防震震縫將其劃分為若干干獨(dú)立的抗震震單元，使各各個(gè)結(jié)構(gòu)單元元成為規(guī)則結(jié)結(jié)構(gòu)。伸縮縫為了避免收縮縮裂縫和溫度度裂縫，房屋屋建筑可以設(shè)設(shè)置伸縮縫。。我國(guó)規(guī)范規(guī)規(guī)定，現(xiàn)澆鋼鋼筋混凝土框框架結(jié)構(gòu)、剪剪力墻結(jié)構(gòu)伸伸縮縫的最大大間距分別為為55m和45m，框架一剪力力墻結(jié)構(gòu)伸縮縮縫的最大間間距可根據(jù)具具體情況介于于45m和55m之間。沉降縫許多高層建筑筑由主體結(jié)構(gòu)構(gòu)和層數(shù)不多多的裙房組成成，裙房和主主體結(jié)構(gòu)的高高度及重量相相差懸殊，可可采用沉降縫縫將裙房和主主體結(jié)構(gòu)從頂頂層到基礎(chǔ)全全部斷開(kāi)，使使各部分自由由沉降，避免免由沉降差引引起裂縫或破破壞?？拐鹪O(shè)設(shè)防的結(jié)構(gòu)，，沉降縫的寬寬度應(yīng)符合防防震縫最小寬寬度的要求。?；A(chǔ)形式上海環(huán)球金融融中心大廈工程概況上海環(huán)球金融融中心大廈系系一幢以辦公公為主，集商商貿(mào)、賓館、、觀光、展覽覽及其它公共共設(shè)施于一體體的大型超高高層建筑。主樓地下3層，地上101層，地面以上上結(jié)構(gòu)高度492m。大樓建筑面積積為252935m2，裙房為33370m2，地下室為63751m2，合計(jì)約35萬(wàn)m2。此工程由日本本森大廈株式式會(huì)社一級(jí)建建筑師事務(wù)所所（MoriBuildingArchitects&Engineers）負(fù)責(zé)總設(shè)計(jì)計(jì)和審查；由由美國(guó)KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑師事務(wù)務(wù)所負(fù)責(zé)建筑筑設(shè)計(jì)；美國(guó)國(guó)賴思里.羅伯遜聯(lián)合股股份有限公司司（LeslieE.RobertsonAssociates）負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)。根據(jù)我國(guó)《高層建筑混凝凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002），其結(jié)構(gòu)高度492m超過(guò)了型鋼混混凝土框架－－鋼筋混凝土土筒體最大高高度190m的限值，同時(shí)時(shí)高寬比8.49超過(guò)了設(shè)防烈烈度7度的上海地區(qū)區(qū)高寬比限值值為7的要求。上海環(huán)球金融融中心結(jié)構(gòu)體體系由巨型柱、巨巨型斜撐構(gòu)成成的巨型框架架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼鋼筋混凝土核核心筒結(jié)構(gòu)以以及構(gòu)成核心心筒和巨型結(jié)結(jié)構(gòu)柱之間相相互作用的伸伸臂鋼桁架組組成。有7道加強(qiáng)層的框框架-支撐巨型框架架-混凝土核心筒筒結(jié)構(gòu)核心筒在57層-60層及78層-79層樓層處進(jìn)行行了二次轉(zhuǎn)換換,內(nèi)部核芯筒由由平面形狀不不同的低筒、、中筒和上部部筒組成；伸臂桁架在核核心筒內(nèi)不貫貫通；由于考慮到建建筑立面效果果和采光的要要求，巨型斜斜撐采用的是是單向斜撐。。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)球金融融中心結(jié)構(gòu)規(guī)則性判判斷建筑平面為59.95m59.95m的正方形形狀狀規(guī)則，無(wú)局局部凸凹；建筑的立面形形狀逐漸變化化，無(wú)過(guò)大外外挑和內(nèi)收。。上海環(huán)球金融融中心的平面面布置和豎向向體型無(wú)明顯顯的不規(guī)則性性。核芯筒豎向布布置不連續(xù)，，不符合豎向向抗側(cè)力構(gòu)件件宜上下連續(xù)續(xù)貫通的要求求。帶狀桁架、伸伸臂桁架和核核芯筒內(nèi)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換桁架等結(jié)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，，使得結(jié)構(gòu)的的樓層側(cè)向剛剛度沿豎向分分布不均勻。。結(jié)構(gòu)高度、高高寬比超限。。上海環(huán)球金融融中心的高度度和高寬比遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)規(guī)范限值；且且結(jié)構(gòu)豎向變變化較大；筒筒體多次轉(zhuǎn)換換；多重結(jié)構(gòu)構(gòu)體系混用，，是屬于特別別復(fù)雜的超高高層結(jié)構(gòu)體系系。主樓規(guī)范限值檢查結(jié)果H(m)492190超限B(m)57.95––L(m)57.95––H/B8.217.0超限上海海虹虹口口中中信信城城地上上47層.高度度230米.總建建筑筑面面積積14萬(wàn)m2建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)方方案案建筑筑：：平平面面、、立立面面規(guī)規(guī)則則；；剛剛度度、、質(zhì)質(zhì)量量分分布布均均勻勻。。高度度230米：：滿滿足足300（抗抗震震）），，160（190）（（高高層層混混規(guī)規(guī)）），，180（高高層層混混規(guī)規(guī)））；；高寬寬比比5小于于6.5（抗抗震震）），，5（高高層層鋼鋼規(guī)規(guī)）），，7（高高層層混混規(guī)規(guī)））；；長(zhǎng)寬寬比比1.04結(jié)構(gòu)構(gòu)體體系系：：有有四四道道加加強(qiáng)強(qiáng)層層的的框框架架-核心心筒筒結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)；；構(gòu)構(gòu)件件布布置置均均勻勻?qū)?duì)稱稱。。平面面布布置置調(diào)調(diào)整整前前后后調(diào)整整結(jié)結(jié)果果和和效效果果調(diào)整整結(jié)結(jié)果果樓