物理緒論與結(jié)構(gòu)體系

物理緒論與結(jié)構(gòu)體系第1頁/共46頁2023/4/18左起臺北101大樓、芝加哥席爾斯大樓、吉隆坡雙子星大樓、上海金茂大廈、香港國際金融中心、紐約帝國大廈世界十大高樓第2頁/共46頁2023/4/18世界最高十大建筑排名建筑物名稱所在城市建成年份層數(shù)高度（m）結(jié)構(gòu)材料用途1國際金融中心大廈臺北2003101508鋼多用途2石油大廈吉隆坡199688451.9組合多用途3西爾斯大廈芝加哥1974110443鋼辦公4金貿(mào)大廈上海199888420.5組合多用途5世界貿(mào)易中心紐約1972110471鋼辦公5帝國大廈紐約1931102381鋼辦公6中環(huán)大廈香港199278374混凝土辦公7中銀大廈香港198970369組合辦公8Ｔ&Ｃ大廈高雄199785348鋼多用途9艾莫科大廈芝加哥197380346鋼辦公10漢考克大廈芝加哥1969100344鋼多用途第3頁/共46頁2023/4/18第4頁/共46頁2023/4/18國際金融中心大廈，中國臺北。臺北101大樓高508米（含天線），有世界最大且最重的“風阻尼器”，還有兩臺世界最高速的電梯，從一樓到89樓，只要39秒的時間世界第一高樓臺灣臺北101購物中心，樓高508米，擁有101層樓第5頁/共46頁2023/4/18臺北101大廈——世界最高大廈第6頁/共46頁2023/4/18臺北101大廈第7頁/共46頁2023/4/18國家石油雙子星座大廈（塔樓1），451.9米，位于馬來西亞吉隆坡。第8頁/共46頁2023/4/18西爾斯大樓，443米，位于美國芝加哥第9頁/共46頁2023/4/18金茂大廈，420.5米，位于中國上海第10頁/共46頁2023/4/18國際金融中心大廈（二期），420米，位于中國香港第11頁/共46頁2023/4/18中信廣場大廈，391米，位于中國廣州第12頁/共46頁2023/4/18信興廣場大廈，384米，位于中國深圳第13頁/共46頁2023/4/18帝國大廈，381米，位于美國紐約第14頁/共46頁2023/4/18中央廣場大廈，374米，位于中國香港第15頁/共46頁2023/4/18阿聯(lián)酋迪拜未來世界最高樓“迪拜塔”

艾瑪爾公司宣稱迪拜塔不僅是世界上的最高樓，他還有很多值得標榜的地方。該樓集居住單元、商務單元、賓館和娛樂休閑設施于一體，并且配有開闊的綠地，水面，步行街，“老城”和世界上最大的購物中心。據(jù)原方案，該樓高度將達704.9米，將以絕對優(yōu)勢成為世界第一高。后來也有人建議蓋到810米，艾瑪爾公司未對最后高度表示確認。

該項目2003年2月啟動，預計2007年竣工。第16頁/共46頁2023/4/18第17頁/共46頁2023/4/18第18頁/共46頁2023/4/18第19頁/共46頁2023/4/18第20頁/共46頁2023/4/18據(jù)英國《星期日泰晤士報》12月23日報道，莫斯科即將興建一座堪稱“全球最大建筑”的摩天塔樓——“水晶島”。它高達457米，形如一枚華麗絕倫的巨大水晶，可供3萬人居住。令人嘆為觀止的是，“水晶島”簡直就是一座功能齊全的“樓中之城”，其中包括學校、醫(yī)院、超市、電影院、公園等一切生活設施。據(jù)悉，這座“世界上最具野心的建筑”造價達20億英鎊(1英鎊約為14.6元)，將于6年內(nèi)竣工?？胺Q“全球最大建筑”這座摩天塔樓名為“水晶島”，高達457米，底部最大直徑701米，由當今國際上最杰出的72歲英國建筑大師諾曼·福斯特設計?！八u”塔樓頂部是一個高聳入云的玻璃尖頂，然后樓身呈螺旋形下降，到塔樓底部越來越寬，其形狀正猶如一枚被切割的水晶?！八u”內(nèi)部中軸處是一個中空的天井，夏天它將打開，從而讓空氣形成對流，為塔樓內(nèi)大約152.4米高的公共空間降溫。雖然“水晶島”不是世界上最高建筑，但它其中的所有樓層空間面積總計有250.84萬平方米，相當于美國華盛頓五角大樓面積的4倍，堪稱“全球最大建筑”。象征俄羅斯復興據(jù)悉，在“水晶島”中，總計將有900個公寓和3000個酒店房間，可供3萬人同時在其中居住。令人嘆為觀止的是，“水晶島”里還將建造一所可供500名學生讀書的國際學校，以及多個電影院、博物館、劇院、醫(yī)院、體育館和數(shù)十家商店。據(jù)悉，“水晶島”的造價達20億英鎊，建造地點可能將位于距莫斯科市中心5英里的一個半島上。12月13日，它的初步設計方案已獲得批準，它將于2008年正式動工，并有望在6年之內(nèi)竣工。福斯特認為，“水晶島”無疑將成為俄羅斯重新復興為世界大國的象征，并將成為俄羅斯的新地標。被諷形如“圣誕樹”不過，“水晶島”的設計方案也引起了一些爭議。有觀察家認為，它的古怪外形就仿佛是一棵圣誕樹，而且俗不可耐。莫斯科建筑協(xié)會的主席亞歷山大·庫德亞特瑟夫諷刺說：“每個人看到它之后的第一印象就是，這是個什么玩意——圣誕樹嗎？”第21頁/共46頁2023/4/18我國內(nèi)地最高十大建筑

排名建筑名稱城市建成年份層數(shù)高度（ｍ）結(jié)構(gòu)材料用途１金茂大廈上海199888420.5組合辦公、賓館２地王大廈深圳199681325組合辦公３中天（中信）廣場廣州199780322混凝土辦公４塞格廣場深圳199872292組合辦公５中銀大廈青島199658246混凝土辦公６明天大廈上海199860238混凝土辦公７上海交銀金融大廈－北樓上海199855230混凝土辦公８武漢世界貿(mào)易大廈武漢199858229混凝土辦公９浦東國際金融大廈上海199856226組合辦公１０彭年廣場深圳199858222混凝土賓館

第22頁/共46頁2023/4/18高層建筑的界定高層建筑有什么特點？或者說什么樣的建筑算作高層建筑？對于這一問題，世界各國有不同的劃分標準，或者說不同的國家有不同的規(guī)定。1972年召開的國際高層建筑會議制訂了如下的劃分標準：多層建筑≤8層高層建筑第一類9～16層高度≤50m第二類17～25層高度≤75m第三類25～40層高度≤100m超高層建筑＞40層

高度＞100m第23頁/共46頁2023/4/18美國、英國、日本對高層建筑的規(guī)定美國高度22～25m以上或7層以上的建筑為高層建筑英國高度24.3m以上的建筑為高層建筑日本8層以上或建筑高度超過31m的建筑稱為高層建筑30層以上的旅館、辦公樓和超過20層以上的住宅規(guī)定為超高層建筑第24頁/共46頁2023/4/18我國對高層建筑的規(guī)定《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045—95（2001年修訂版）10層及10層以上的居住建筑(包括首層設置商業(yè)服務網(wǎng)點的住宅)或建筑高度超過24m的公共建筑?！睹裼媒ㄖO計通則》GB50352-200510層及10層以上的住宅建筑以及高度超過24ｍ的公共建筑和綜合性建筑為高層建筑，而高度超過100m時，不論是住宅建筑還是公共建筑，一律稱為超高層建筑?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2002/J186—2002規(guī)定：10層及10層以上或房屋高度超過28m的混凝土結(jié)構(gòu)高層民用建筑物稱為高層建筑，常規(guī)高度的高層建筑物稱為A級高度的高層建筑，高度超過A級高度限值的高層建筑稱為B級高度的高層建筑。第25頁/共46頁2023/4/18A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度（m）結(jié)構(gòu)體系非抗震設計抗震設防烈度6789框架7060554525框架－剪力墻14013012010050剪力墻全部落地15014012010060部分框應采用筒體框架－核心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱－剪力墻70403530不應采用注：1.房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱、構(gòu)架等高度；2.表中框架不含異形柱框架結(jié)構(gòu)；3.部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；4.平面和豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)或Ⅳ類場地上的結(jié)構(gòu)，最大適用高度應適當降低；5.甲類建筑，6、7、8度時宜按本地區(qū)抗震設防烈度提高一度后符合本表的要求，9度時應門研究：6.9度抗震設防、房屋高度超過本表數(shù)值時，結(jié)構(gòu)設計應有可靠依據(jù)，并采取有效措施。

第26頁/共46頁2023/4/18B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度（m）

結(jié)構(gòu)體系非抗震設計抗震設防烈度678框架－剪力墻170160140120剪力墻全部落地180170150130剪力墻部分框支150140120100框架－核心筒220210180140筒中筒300280230170注：1房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱、構(gòu)架等高度；2部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；3平面和豎向均不規(guī)則的建筑或位于Ⅳ類場地的建筑，表中數(shù)值應適當降低；4甲類建筑，6、7度時宜按本地區(qū)設防烈度提高一度后符合本表的要求，8度時應專門研究；5當房屋高度超過表中數(shù)值時，結(jié)構(gòu)設計應有可靠依據(jù)，并采取有效措施。

第27頁/共46頁2023/4/18鋼結(jié)構(gòu)高層建筑的最大適用高度（m）

結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)體系非抗震設計抗震設防烈度6、789鋼結(jié)構(gòu)框架11011090－框架－支撐（剪力墻）240200180140各類筒體400350300250混凝土－鋼結(jié)構(gòu)鋼框架－混凝土剪力鋼框架－混凝土芯筒220180－－鋼框筒－混凝土芯筒220220150－型鋼混凝土結(jié)構(gòu)框架1101109070框架－剪力墻180150120100各類筒體200180150120第28頁/共46頁2023/4/18高層建筑的科學界定

究竟什么樣的建筑算作高層建筑，應該視建筑的結(jié)構(gòu)體系受力特點而定。如果建筑的結(jié)構(gòu)體系，在側(cè)向力的作用下，表現(xiàn)出了高層建筑的受力特點，則不論其高度如何，應該按照高層建筑來對待。第29頁/共46頁2023/4/18高層建筑的特點一般而論，高層建筑具有占地面積少、建筑面積大、造型特殊、集中化程度高的特點。正是這一特點，使得高層建筑在現(xiàn)代化大都市中得到了迅速的發(fā)展。在現(xiàn)代化大都市中，過度的人口和建筑密度，城市用地日趨緊張，真可謂寸土千金，使得人們不得不向空間發(fā)展。高層建筑占地面積少，可以大量的節(jié)省土地的投資，而且有較好的日照、采光和通風效果。但是，隨著建筑高度的增加，建筑的防火、防災、熱島效應等已成為人們急待解決的難題。從結(jié)構(gòu)受力角度來看，隨著高層建筑高度的增加，水平荷載（風載及地震作用）對結(jié)構(gòu)起的作用將越來越大。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力將明顯加大，側(cè)向位移增加更快。第30頁/共46頁2023/4/18高層建筑結(jié)構(gòu)的受力與變形特點uVM

u=f(H4)雖則多層和高層建筑所受的荷載和作用無差別，但所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應卻有明顯差別。qHV=f(H)M=f(H2)第31頁/共46頁2023/4/18高層建筑的設計特點高層建筑在結(jié)構(gòu)分析方面與多層建筑結(jié)構(gòu)基本是一致的，也有其特殊性，只要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1．構(gòu)件軸向變形（墻，柱軸力大）與剪切變形（截面高度大）對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移影響不可忽略。

2．側(cè)向風荷載或地震作用所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移往往成為控制因素。

3．側(cè)向位移是結(jié)構(gòu)設計控制因素。

（1）頂點總位移Δ：過大會導致電梯正常運行困難，豎向荷載下易產(chǎn)生P-Δ效應，鋼材用量增加，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，傾覆危險性增加。（2）層間相對側(cè)移量（層間位移）δ：過大會導致建筑裝修及隔墻開裂，甚至引起承重構(gòu)件裂縫與破壞。因此必須限制Δ/H與δ/h兩個參數(shù)。

第32頁/共46頁2023/4/18高層建筑的結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)代高層建筑所采用的材料，主要是鋼材和混凝土兩種。不同國家、不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)形式所采用的結(jié)構(gòu)材料不同，大致有以下幾種形式：鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)鋼材強度高、韌性大、易于加工。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)斷面小、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點。高層鋼結(jié)構(gòu)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。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jīng)過合理的設計，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)無法比的優(yōu)勢。自重較大，抗震性能不如鋼結(jié)構(gòu)，建造高度也不如鋼結(jié)構(gòu)。將型鋼布置在構(gòu)件內(nèi)部，外部由鋼筋混凝土做成，或者是在鋼管內(nèi)部填充混凝土，做成鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)。此種形式使上述兩種結(jié)構(gòu)材料優(yōu)勢互補，結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性能，建造高度可與鋼結(jié)構(gòu)相當。經(jīng)濟合理、技術(shù)性能優(yōu)良的鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，是目前的發(fā)展趨勢。第33頁/共46頁2023/4/18鋼結(jié)構(gòu)美國芝加哥的西爾斯大廈第34頁/共46頁2023/4/18香港的中環(huán)廣場大廈，是目前最高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；其次，朝鮮平壤市的柳京飯店，101層，高度319.8m。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)第35頁/共46頁2023/4/18鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)馬來西亞吉隆坡國家石油大廈，也就是雙子星大樓，樓高451.9米，88層第36頁/共46頁2023/4/18高層建筑的發(fā)展簡介高層建筑的發(fā)展大致可以分成古代高層建筑和現(xiàn)代高層建筑兩部分。在古代，高層建筑主要是寺廟或紀念性建筑，結(jié)構(gòu)形式大都是木結(jié)構(gòu)或磚石結(jié)構(gòu)。如磚塔，許多磚塔經(jīng)受了上千年的風吹雨打和地震的搖撼而屹立至今，足見其設計和施工的高超技術(shù)。河北定縣開元寺塔但是，真正意義上的高層建筑，卻是自從1885年美國芝加哥市建成10層高的家庭生命保險大廈開始的。此后10年中,在芝加格和紐約相繼建成了30幢類似的高層建筑，尤其是1895年奧提斯（Otis）安全電梯的投入應用，對高層建筑的發(fā)展起到了巨大的推動作用。20世紀30年代，是現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的第一個高潮。第37頁/共46頁2023/4/18第38頁/共46頁2023/4/181931年建成的紐約帝國大廈，102層，高度381m,保持了世界最高建筑記錄長達41年之久。該建筑為鋼結(jié)構(gòu)，采用了框架結(jié)構(gòu)體系。

1929－1933年美國經(jīng)濟發(fā)生嚴重經(jīng)濟危機，1939年第二次世界大戰(zhàn)全面爆發(fā)，使得高層建筑的發(fā)展幾乎處于停頓狀態(tài)。二戰(zhàn)后，隨著鋼材焊接技術(shù)的成熟和發(fā)展，尤其是60年代美國人坎恩（FazlerKhan）提出的框筒體系，為建造超高層建筑提供了理想的結(jié)構(gòu)形式。從框筒體系中衍生出來的筒中筒、成束筒等結(jié)構(gòu)體系，將高層建筑的發(fā)展推向了第二個高潮。在美國出現(xiàn)了一批100層以上的超高層建筑。如1969年芝加哥建成了100層、高344m的漢考克大廈；1972年紐約建成了110層、高417m的世界貿(mào)易中心；1974年芝加哥又建成了110層、高443m的西爾斯大廈。其中，西爾斯大廈作為新的世界最高建筑，享譽22年之久。日本是一個地震多發(fā)生國家，從抗震防災角度出發(fā)，政府曾規(guī)定房屋高度不得超過31m。自從1965年取消此項規(guī)定后，高層建筑在日本也得到了充分的發(fā)展。第39頁/共46頁2023/4/18我國的高層建筑的真正發(fā)展是在新中國成立以后。在50～60年代，受當時經(jīng)濟條件的限制，高