第一章高層建筑結構概述

第一章高層建筑結構概述2/4/2023第一章高層建筑結構概述§1.1高層建筑結構的特點§

1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀§

1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展§

1.5摩天大樓的毀滅§

1.4高層建筑結構的學習2/4/2023多層與高層建筑如何劃分，不同國家有不同的規(guī)定。高層建筑，顧名思義，是指層數較多、高度較高的建筑。國家高層建筑起始高度前蘇聯(lián)住宅為10層及10層以上，其他建筑為7層及7層以上美國22~25m以上，或7層以上建筑法國住宅為8層及8層以上，或≥31m英國24.3m以上的建筑德國≥22m（從室內地面起）日本8層以上建筑或超過31m的建筑§1.1高層建筑結構的特點一、高層建筑的一般概念2/4/2023

《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010）（以下簡稱《高規(guī)》）規(guī)定：

10層及10層以上或房屋高度超過28m的住宅建筑結構和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑結構?！睹裼媒ㄖO計通則》（GB50352-2005）規(guī)定：10層及10層以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑（不含單層公共建筑）為高層建筑?！陡邔用裼媒ㄖO計防火規(guī)范》GB50045-95（2005版）規(guī)定10層及10層以上的居住建筑和建筑高度超過24m的公共建筑為高層建筑?！?.1高層建筑結構的特點一、高層建筑的一般概念2/4/2023§1.1高層建筑結構的特點一、高層建筑的一般概念根據聯(lián)合國教科文組織所屬的世界高層建筑委員會的建議，一般將高層建筑劃分為以下四類：Ⅰ類高層：9~16層，高度不超過50m；Ⅱ類高層：17~25層，高度不超過75m；Ⅲ類高層：26~40層，高度不超過100m；Ⅳ類高層：40層以上，高度超過100m以上。2/4/2023？思考：世界上已經建成的高層建筑中，層數最多的已達110層，高度最高的也已超過500m，為什么世界各國仍將高層建筑定位在10層或30m左右？§1.1高層建筑結構的特點一、高層建筑的一般概念2/4/2023

1、在相同的建設場地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積。這樣可以部分解決城市用地緊張和地價高漲的問題。設計精美的高層建筑還可以為城市增加景觀，如馬來西亞首都的石油大廈和上海的金茂大廈等。但高層建筑太多、太密集也會對城市帶來熱島效應，玻璃幕墻過多的高層建筑群還可能造成光污染現(xiàn)象。

§1.1高層建筑結構的特點二、高層建筑的特點2/4/2023

2、在建筑面積與建設場地面積相同比值的情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化和休息場地，有利于美化環(huán)境，并帶來更充足的日照、采光和通風效果。例如在新加坡的新建居住區(qū)中，由于建造了高層建筑群，留下了更多地面空間，可以更好地建設城市綠化和人們休閑活動空間?！?.1高層建筑結構的特點二、高層建筑的特點2/4/2023

3、從城市建設和管理的角度看，建筑物向高空延伸，可以縮小城市的平面規(guī)模，縮短城市道路和各種公共管線的長度，從而節(jié)省城市建設與管理的投資。由于建造高層建筑可以增加人們的聚集密度，縮短相互間的距離，水平交通與豎向交通相結合，使人們在地面上的活動走向空間化，節(jié)約了時間，增加了效率。但人口的過分密集有時也會造成交通擁擠、出行困難等問題?！?.1高層建筑結構的特點二、高層建筑的特點2/4/2023

4、高層建筑中的豎向交通一般由電梯來完成，這樣就會增加建筑物的造價，從建筑防火的角度看，高層建筑的防火要求要高于中低層建筑，也會增加高層建筑的工程造價和運行成本?！?.1高層建筑結構的特點二、高層建筑的特點

5、從結構受力特性來看，側向荷載（風荷載和地震作用）在高層建筑分析和設計中將起著重要的作用，特別是在超高層建筑中將起主要作用。因此高層建筑的結構分析和設計要比一般的中低層建筑復雜得多。2/4/2023

高層建筑由于其層數多、高度大，荷載作用下的受力特點、變形狀態(tài)以及對結構體系和各種服務設施的要求等與低層和多層建筑相比均大為不同，設計一幢高層建筑需要考慮很多因素，是一個頗為復雜的過程，應進行專門的分析與研究.§1.1高層建筑結構的特點

三、高層建筑的受力特點

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在低層建筑中，水平荷載產生的內力很小，結構主要抵抗垂直荷載產生的內力，即軸力。彎矩和剪力都比較小。

隨著建筑物高度的增加，水平荷載產生的彎矩和側移迅速增大，甚至起著控制設計的作用。HN=f(H)M=f(H2）Δ=f(H4)§1.1高層建筑結構的特點

三、高層建筑的受力特點

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當建筑物從低層進入到高層時，其受力特點一般將發(fā)生如下變化：低層垂直荷載控制設計多層垂直和水平荷載共同控制設計高層水平荷載控制設計§1.1高層建筑結構的特點

三、高層建筑的受力特點

2/4/2023高層建筑的出現(xiàn)，不僅改變了城市的建筑布局，而且為當地的經濟發(fā)展起到了巨大的帶動作用。高層建筑的發(fā)展，得益于新材料的不斷出現(xiàn)、力學分析方法和分析手段的發(fā)展、結構設計和施工技術的進步以及現(xiàn)代化機械和電子技術的飛躍。隨著高性能材料的不斷研制和開發(fā)，結構形式合理性的進一步研究，可以預見，在今后的土木工程領域，高層建筑仍將是世界各國在城市建設中的主要形式，扮演重要的角色。因此，掌握高層建筑的設計知識，是對土木工程領域技術人員的基本要求?！?.1高層建筑結構的特點2/4/2023古代的高層建筑是為防御、宗教或航海需要而建造。有代表性的高層建筑有：公元前280年，埃及亞歷山大港燈塔，高150m，石結構；公元338年，巴比倫城巴貝爾塔，90m高；公元1049年，開封佑國寺塔，現(xiàn)存最早的琉璃飾面磚塔；公元1055年，河北定縣開元寺塔，高84m，中國現(xiàn)存最高磚塔；公元1056年，山西應縣佛宮寺釋迦塔，高67m，木結構?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀一、古代2/4/2023§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀目前中國最高的木結構—山西應縣木塔。建于公元1056年，外觀5層，內有4暗層，實為9層，平面為8角形，底層直徑為30.27m，塔高為67.31m.應縣木塔夜景2/4/2023古代高層建筑的特點是：⑴、以磚石木材為主要建筑材料；⑵、不以居住和辦公為主要目的；⑶、沒有現(xiàn)代化的垂直交通運輸設施；⑷、缺少防火、防雷等設施。古代高層建筑為近代和現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展奠定了基礎。在結構方面，古代將高層建筑的平面大多設計成圓形或正多邊形，不但造型優(yōu)美，而且可減少水平荷載作用效應，增大結構剛度，受力好，為許多近代和現(xiàn)代個高層建筑所仿效?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀一、古代2/4/2023隨著社會經濟的不斷發(fā)展，工業(yè)化、城市化進程的不斷加快，以及土木工程和相關領域科學技術水平的提高，不僅使得高層、超高層建筑的建造成為可能，而且發(fā)展速度也越來越快。近代高層建筑主要是為商業(yè)和居住需要而建造。經濟的發(fā)展為高層建筑的發(fā)展提供了經濟基礎，電力、升降機、鋼鐵、水泥的出現(xiàn)為高層建筑的發(fā)展提供了物質基礎。美國是近代高層建筑的發(fā)源地和中心?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀二、近代與現(xiàn)代2/4/2023

世界上第一幢近代高層建筑是由稱為“摩天樓之父”的詹萊(w．B．Jenney)在美國的芝加哥建造的家庭保險大樓，該樓10層，高55m，建于1885年，采用鐵柱和磚墻作為結構體系，其中鐵框架(部分鋼梁)承受全部大樓里的重力，外墻僅為自承重墻的高層建筑,1931年被拆除?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023在19世紀50年代初期由奧提斯（OnS）發(fā)明的安全升降機，也使高層建筑成為可能。1895年安全電梯首次在紐約某16層賓館應用?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/202319世紀末各種型鋼有很大發(fā)展，1889年巴黎埃菲爾鐵塔建成，對高層建筑的發(fā)展有很大的推動作用?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/202320世紀30年代出現(xiàn)了高層建筑發(fā)展的第一個高潮。1931年建成的紐約帝國大廈，102層，高381m，保持了世界最高建筑紀錄達41年之久?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023美國在20世紀60年代末和70年代初建成了415m和417m高的紐約世界貿易中心雙塔樓、443m高的芝加哥西爾斯大廈等一批100層以上的超高層建筑，是這個時期最有代表性的建筑物，它們至今仍位于世界上少數最高的建筑物之列?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023

紐約世界貿易中心大樓在規(guī)模和技術上的創(chuàng)新，是前所未有的。該工程首次進行了模型風洞試驗，首次采用了壓型鋼板組合樓板，首次在樓梯井道采用了輕質防火隔墻，首次用粘彈性阻尼器減輕風振動效應等，對后來的高層建筑結構的設計和建造都具有重要的參考價值。在2001年9.11事件中紐約世界貿易中心被恐怖分子摧毀?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023

上述建筑能達到如此新的高度，主要是因為采用了適應這種高度的新的結構體系，即60年代美國人坎恩（FailerKhan）提出的框筒體系，為建造超高層建筑提供了理想的結構形式。從這種體系衍生出來的筒中筒、多束筒和斜撐筒等體系，各有特色，將高層建筑的發(fā)展推向了新階段?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023近年來，亞太地區(qū)經濟迅速發(fā)展，1998年，在馬來西亞吉隆坡建成當時世界上最高建筑——石油雙塔（PetronasTwinTowers），88層，452米高。雙塔在第60層、72層、82層、85層處收進，46層以下有兩個圓形副樓?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023臺北市國際金融中心是現(xiàn)在世界上最高的建筑，101層，508米。由李祖原建筑師事務所設計，耗資580億新臺幣（合人民幣144億）1998年動工，2005年竣工，主體高448m，總高508m，高寬比7.2，地下5、主體91、屋頂10層，8度設防，T=7.02s§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023我國的現(xiàn)代高層建筑起步較晚，解放前，我國高層建筑很少，僅上海、天津、廣州等少數城市有高層建筑，其中最高的是上海國際飯店，地上22層，地下2層，高82.51m。解放后，在50和60年代陸續(xù)建成了一些，如1959年建成的北京民族飯店，12層，高47.4m；1964年建成的北京民航大樓，15層，高60.8m等。70年代初期，我國在北京、上海、廣州等幾個大城市開始加速建造高層建筑，70年代以后的發(fā)展速度很快，大量建造的高層住宅，多數在10一30層之間，旅游飯店及辦公樓也已有相當數量。目前，在許多中等城市及一些小城市也都已建造了高層建筑?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/202320世紀80年代末期積90年代，我國高層建筑進入飛速發(fā)展的時代，在數量、質量及高度上都有了迅猛的發(fā)展。如：1985年建成的我國當時最高建筑——深圳國際貿易中心，50層、158.65米?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/20231998年建成的上海金茂大廈，88層，高420米，美國SOM設計事務所設計，投資5．4億美元。它是我國目前最高的建筑，世界第四，建筑面積29萬平方米，88層包括52層辦公用房34層旅館用房。金茂大廈是中國建筑工程史上的里程碑。§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/20231996年建成的深圳地王大廈，81層，高325米，高度至桅桿頂383.95米。地王大廈整個形體分為3個部分。主體為68層寫字樓，立面由兩個柱型塔組成；輔樓是一座33層、120米高的酒店式商務住宅，形體是兩塊板式疊合相錯，中間一巨型門洞，貫通大廈南北；5層高的購物裙樓，將兩個主體聯(lián)接在一起?！?.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀香港中國銀行大廈建于1989年。地上71層，高315m，天線頂端高368m。平面為正方形52×52m。底面為正方形，沿正方形對角線劃分為4個等腰三角形，向上每隔若干層切去一個角區(qū)，僅一個角區(qū)到頂，上部結構為4個結合在一起，而高度遞增不同的三棱柱組成。2/4/2023§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2008年前建成使用的北京-央視新大樓，高230米，地上部分由5層樓群及30層的塔樓組成，14層懸挑75m，瑞士OMA公司雷姆·庫哈斯和奧勒·舍仁（上海華東建筑設計研究院）設計。2/4/2023§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2003年2月23日破土動工的上海環(huán)球金融中心，2008年建成，492m高，地上101層，地下3層，底部尺寸57.95m×57.95m，高寬比8.49，日資建造，美國KPF設計事務所設計（華東建筑設計院為設計顧問），采用中美規(guī)范。2/4/2023在20世紀，高層建筑發(fā)展集中在發(fā)達國家，主要在美國，紐約、芝加哥都有成片的高層建筑群。20世紀的末期，隨著東南亞經濟的騰飛，高層建筑迅速發(fā)展，東京、吉隆坡、新加坡以及我國的上海、北京、深圳、廣州的高層建筑如雨后春筍般建造起來。高層建筑正有向亞洲轉移的趨勢。§1.2高層建筑結構的歷史和現(xiàn)狀2/4/2023現(xiàn)代高層建筑主要著重于使用功能，同時又充分表現(xiàn)美學功能。高層建筑往往成為現(xiàn)代城市的點綴或標志性建筑。為適應高層建筑多樣化及高度不斷增加的要求，在過去的100多年來，高層建筑結構的技術有了巨大發(fā)展，其發(fā)展包括材料、結構體系及施工技術等?！?.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展2/4/2023現(xiàn)代高層建筑結構的材料主要有：鋼筋混凝土、鋼、鋼一鋼筋混凝土的組合（主要指鋼筋混凝土核芯筒，外圍鋼框架柱或鋼管混凝土柱）。高層建筑結構的材料主要是鋼筋混凝土和鋼。除了全部采用鋼材的鋼結構和全部采用鋼筋混凝土的結構外，同時采用兩種材料做成的混合結構在近年得到愈來愈廣泛的應用?！?.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料2/4/2023鋼筋混凝土結構造價低，材料來源豐富，可以澆注成各種復雜的斷面形式，節(jié)省鋼材，承載能力也不低。經過合理的設計，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構具有較好的整體性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能方面，更是有著鋼結構無法比的優(yōu)勢。其缺點是自重較大，抗震性能不如鋼結構，建造高度也不如鋼結構。近年來開始采用高強混凝土，并且改進了結構體系，鋼筋混凝土的建造高度也逐漸增加，鋼筋混凝土結構仍將是今后高層建筑的主要結構體系。1、鋼筋混凝土結構§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料2/4/20232、鋼結構§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料鋼材強度高、韌性大、易于加工。鋼結構構件可以在工廠加工，縮短了現(xiàn)場施工工期，施工方便。高層鋼結構具有結構斷面小、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點。但是，高層鋼結構用鋼量大，造價高，而且鋼材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐處理，增加了工程工期和造價。2/4/2023將型鋼布置在構件內部，外部由鋼筋混凝土做成，或者是在鋼管內部填充混凝土，做成鋼—混凝土組合結構。此種形式使上述兩種結構材料優(yōu)勢互補，結構具有很好的抗震性能，建造高度可與鋼結構相當。經濟合理、技術性能優(yōu)良的鋼—混凝土組合結構，是目前的發(fā)展趨勢。吉隆坡的石油大廈，就是這種結構形式。3、鋼—混凝土組合結構§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料2/4/2023在國內，絕大多數高層建筑都是采用鋼骨混凝土結構，極少數采用鋼結構，但由于我國鋼產量已有相當數量，要求逐步推廣鋼結構。我國鋼結構設計、鋼構件加工及安裝技術都已成熟，鋼骨混凝土、鋼管混凝土構件的研究和應用也正在蓬勃發(fā)展，混合結構應用已有相當多數量。§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料2/4/2023

進入上世紀90年代。值得注意的發(fā)展趨勢是原來從高層鋼結構起步的美國和日本，鋼筋混凝土高層建筑也迅速發(fā)展起來。主要原因是：鋼筋混凝土結構整體性好，剛度大，變形小；阻尼比高，舒適性佳；且鋼筋混凝土結構耐腐蝕、耐火、維護方便、造價低?！?.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展一、高層建筑的材料2/4/2023§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展二、世界高層建筑比較2/4/2023預測今后高層建筑結構的發(fā)展趨勢如下：（1）新材料的開發(fā)和應用（2）高層建筑的高度將出現(xiàn)突破（3）組合結構高層建筑將增多（4）新型結構形式的應用將增多（5）耗能減震技術的應用將得到發(fā)展

§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展三、高層建筑結構的發(fā)展趨勢2/4/2023§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展三、高層建筑結構的發(fā)展趨勢阿聯(lián)酋迪拜布吉大樓，高700-800米，有160-200層，它將成為世界上最高的人工建筑，大樓建設所用的混凝土數量同10萬頭大象一樣重，并擁有世界上升速度最快的電梯———時速達到40英里（約64公里）每小時。2/4/2023

日本從20世紀80年代開始，在高層建筑結構的抗風和抗震控制中，大膽地使用了結構主動控制技術和混合控制技術，代表了現(xiàn)代機械和電子技術在高層建筑工程中的應用方向。擬建中的日本“動力智能大廈-200”，地上200層，高800米。日本擬建的“空中城市”，高度將超過1000m。§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展三、高層建筑結構的發(fā)展趨勢2/4/2023§1.3現(xiàn)代高層建筑結構的發(fā)展三、高層建筑結構的發(fā)展趨勢日本大成建筑公司正構想在東京建造“X-Seed4000”摩天巨塔—一座4000米高、擁有800層樓、可住100萬人的超級建筑。這座摩天巨塔仿照富士山形狀建造，但要比富士山還高213米。2/4/2023相關課程：高等數學

房屋建筑學材料力學

鋼筋混凝土結構結構力學

鋼結構彈性力學

建筑結構抗震§1.4高層建筑結構的學習2/4/2023相關的設計標準《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程》《混凝土結構設計規(guī)范》《鋼結構設計規(guī)范》《建筑抗震設計規(guī)范》《建筑結構荷載規(guī)范》§1.4高層建筑結構的學習2/4/2023注意：1.數學與力學知識的運用；2.簡化計算模型的建立；3.結構總體特點的把握；4.對基本假定的深入理解。§1.4高層建筑結構的學習2/4/2023由于目前計算機應用程序的發(fā)展以及各種結構設計軟件的出現(xiàn)，絕大部分的高層建筑結構設計都是通過設計軟件來完成的，然而大量的工程實踐告訴我們，結構的概念設計更加重要，結構體系的選用和結構布置往往對設計起著決定的作用。§1.4高層建筑結構的學習

因此，對土木工程專業(yè)學生來說，只有掌握了扎實的高層建筑結構設計的基本知識，才能在今后的工作中正確地運用各種設計軟件完成一個個有自己創(chuàng)新特點的建筑工程的設計。2/4/2023教學參