高層建筑結構設計第一章緒論(葉)

多高層建筑結構設計主講教師：葉蘇榮聯(lián)系方式：〔〕33434061〔QQ〕建筑工程學院土木工程系

第一章緒論高層建筑的定義高層建筑結構的特點高層建筑結構設計中的總體問題高層建筑結構的類型高層建筑的歷史與開展本課程的學習要點高層建筑的定義以《高規(guī)》〔《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》〕(JGJ3-2010)的規(guī)定為準10層及10層以上或房屋高度超過28m的住宅建筑，以及房屋高度大于24m的其他民用建筑?！陡邔用裼媒ㄖO計防火標準》(GB50045—95)(2005版)和《民用建筑設計通那么》(GB50352—95)將10層及10層以上的居住建筑，以及建筑高度超過24m的公用建筑〔不包含單層建筑〕，稱為高層建筑。高層建筑的定義房屋高度指“室外地面以上至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱、構架等高度”通常將高度超過100m或層數(shù)在30層以上的高層建筑稱為超高層建筑。5

高層建筑的特點有哪些？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，這樣可以局部解決地價高漲的問題。但高層建筑太多、太密集也會對城市帶來熱島效應〔一個地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象〕，玻璃幕墻過多可能造成光污染〔視力急劇下降〕。62〕可縮小城市平面規(guī)模，縮短城市道路和各種公共管線的長度，節(jié)約城市建設和管理的投資；但人口過份密集也會造成交通擁擠，出行困難。3〕高層建筑要有電梯且防火要求較高，其工程造價及運行本錢較高。

高層建筑的特點有哪些？74〕高層建筑的結構分析與設計較復雜〔風荷載和地震荷載在高層建筑分析設計中起重要作用〕。

高層建筑的特點有哪些？高層建筑與多層建筑相比有哪些的設計特點？1、水平荷載成為設計的決定性因素1〕豎向荷載產生軸向壓力與結構高度的一次方成正比；2〕水平荷載產生的傾覆力矩以及軸力與高度的二次方成正比。3〕水平荷載產生的側向位移與高度的四次方成正比。2、側移成為設計的控制指標1〕結構頂點的側移ut與結構高度H的四次方成正比；2〕結構的側移與結構的使用功能和平安有著密切的關系；〔1〕過大側移會使人產生不平安感；〔2〕使填充墻和主體結構出現(xiàn)裂縫或損壞，影響正常使用；〔3〕因P-△效應而使結構產生的附加內力，甚至破壞。3〕必須選擇可靠的抗側力結構體系，使結構不僅具有較大的承載力，而且還應具有較大的側向剛度。對小變形結構，常以未變形的結構作為計算圖形進行分析，所得結果足夠精確，稱為一階(FirstOrder)分析。對大變形結構，那么必須以變形后的結構作為計算依據(jù)來進行內力分析，否那么所得結果誤差就較大，稱為二階(SecondOrder)分析。二階分析包括兩個效應：P-δ效應——壓桿穩(wěn)定P-△效應——重力二階效應〔重力在水平側移下產生附加彎矩〕3、軸向變形的影響在設計中不容無視1〕豎向荷載產生的結構軸向變形對其內力及變形的影響;2〕對預制構件的下料長度和樓面標高會產生較大的影響；Houston75層的某商業(yè)大廈，采用剪力墻和鋼柱混合體系，由于鋼柱負荷面積大，其底層鋼柱壓縮變形比墻多260mm。3〕水平荷載產生的結構軸向變形對其內力及側移的影響水平荷載作用下，使豎向結構體系一側構件產生軸向壓縮，另一側構件產生軸向拉伸，從而產生整體水平側移。表中為某剪力墻的計算結果。

由表可知，結構層數(shù)越高，軸向變形所產生的影響越大。4、延性成為結構設計的重要指標1〕延性表示構件和結構屈服后，具有承載能力不降低、具有足夠塑性變形能力的一種性能。2〕延性系數(shù)μ：用來衡量延性的大小。

4、延性成為結構設計的重要指標3〕結構的抗震性能決于其“能量吸收與耗散”能力的大小，即決于結構延性的大小。4〕為了保證結構具有較好的抗震性能，除承載力、剛度外，還需要有較好的延性?？赏ㄟ^加強結構抗震概念設計，采取恰當?shù)目拐饦嬙齑胧﹣肀ＷC。5、結構材料用量顯著增加1〕對于高層建筑結構，隨高度增大，材料用量增大較多。2〕特別是水平荷載對材料用量影響較大。3〕結構方案對材料用量影響很大，水平力作用下對結構進行優(yōu)化設計至關重要。1〕高層建筑同時承受豎向荷載和水平荷載，隨著房屋層數(shù)的增加，雖然豎向荷載對結構設計仍有著重要的影響，但水平荷載已成為結構設計的控制因素。2〕側移與高度的四次方成正比，是高層建筑設計的控制指標。3〕對高層建筑，水平荷載和豎向荷載產生的軸力均很大，不容忽略。4〕為了保證高層建筑的抗震性能，結構應具有較大的延性。5〕高層建筑的材料用量隨高度增加而加大，可通過優(yōu)化設計減小材料用量。高層建筑的設計特點

按材料不同高層建筑的類型

砌體結構取材容易、施工簡便、造價低廉，缺點材料強度低，抗震性能差。鋼筋砼造價低、材料來源豐富，便于作成各種形狀,結構剛度大,耐火性能好.缺點自重大，周期長。鋼結構自重輕、強度高、抗震性能好、施工方便，缺點造價高，防火性能差，剛度小。

按使用的材料，高層建筑可采用砌體結構、混凝土結構、鋼結構和鋼-混凝土組合/混合結構等類型。〔1〕組合結構：將鋼骨放在構件內部，外部，采用外包或內填混凝土，稱為鋼骨混凝土或鋼管混凝土?！残纬山M合構件〕〔2〕混合結構：指由鋼構件、鋼筋混凝土構件或鋼骨混凝土組合構件一起組成的空間結構?！残纬苫旌辖Y構〕不僅具有鋼結構自重輕、截面尺寸小、施工進度快、抗震性能好等特點，同時還兼有混凝土結構剛度大、防火性能好、造價低的優(yōu)點。

鋼-混凝土組合結構或混合結構鋼管混凝土柱RC核心筒+外框型鋼混凝土柱及鋼柱，88層，高420m，7度抗震設防上海金茂大廈辦公層平面客房平面第88層平面剖面截面從1.5*4.9~1*3.5m結構體系是一個用外伸桁架與外側8個巨型組合柱連接的混凝土核心筒。上海環(huán)球金融中心RC核心筒+外伸桁架+巨型〔型鋼〕柱(三重結構體系)，101層，高492m，7度抗震設防核芯筒底部剪力墻高層建筑的歷史與開展第—階段——古代19世紀中期以前，由于主要建筑材料是磚石和木材，以及設計手段和施工技術的限制，歐美國家一般只能建造6層及以下的建筑，而中國古代高層建筑多為塔類。高層建筑的歷史與開展第二階段——近代19世紀中期開始到20世紀50年代初。被認為世界上第—幢的近代高層建筑是美國芝加哥的家庭保險公司大樓(HomeInsuranceBuilding)，10層，高55m，建于1885年、采用鑄鐵框架承重結構；它標志著一種區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑結構的新結構體系的誕生。美國家庭保險大樓1884~1885年美國Chicago10層鑄鐵鋼框架結構：磚墻、鑄鐵柱、鋼梁第一座現(xiàn)代意義上的高層建筑第一個里程碑高層建筑的歷史與開展第二階段——近代19世紀中期開始到20世紀50年代初。被認為世界上第—幢的近代高層建筑是美國芝加哥的家庭保險公司大樓(HomeInsuranceBuilding)，它標志著一種區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑結構的新結構體系的誕生。1889年美國奧提斯公司平安電梯首次在紐約16層的賓館——德瑪利斯大廈應用。鋼結構和電梯的結合，對高層建筑的開展有很大的推動作用。埃菲爾鐵塔1889年建成位于法國巴黎戰(zhàn)神廣場上的鋼框架鏤空結構鐵塔，高300米，天線高24米，總高324米。鋼框架+電梯第二個里程碑高層建筑的歷史與開展第二階段——近代19世紀中期開始到20世紀50年代初。被認為世界上第—幢的近代高層建筑是美國芝加哥的家庭保險公司大樓(HomeInsuranceBuilding)，它標志著一種區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑結構的新結構體系的誕生。1889年美國奧提斯公司平安電梯首次在紐約16層的賓館——德瑪利斯大廈應用。鋼結構和電梯的結合，對高層建筑的開展有很大的推動作用?；炷敛牧线M入高層建筑領域，但應用受到限制。高層建筑的歷史與開展1903年：美國辛辛那提市建造的英格爾斯大樓〔Ingalls〕，16層，64m，為鋼筋混凝土框架結構。混凝土材料進入高層建筑領域，但由于采用平面設計理論，材料強度低，建筑用材量大，結構自重較大，且僅限于框架結構，建造于非地震區(qū)。第三個里程碑帝國大廈〔EmpireStateBuilding〕，位于美國紐約市，共有102層，381米，塔尖449米。1930年開工，1931年落成，只用了410天。采用鋼框架結構，鋼柱內部填充礦渣混凝土。第四個里程碑帝國大廈——鋼框架+鋼管混凝土高層建筑的歷史與開展第三階段——現(xiàn)代從20世紀50年代開始，由于在輕質高強材料、抗風抗震結構體系、新的設計理論、計算機在設計中的應用、施工技術及施工機械等方面都取得了較大的進步，使得高層建筑得到了大規(guī)模的迅速開展。60年代，美國人FazlurKhan提出了框筒體系，為建造高層建筑提供了理想的結構形式。從這種體系中衍生出筒中筒、多束筒和斜撐筒等體系。芝加哥約翰漢考克大廈JohnHancockCenter樓高344m，加上天線高達457m，地上100層。巨大的沉箱根底，最深達58.255m。對角支撐桁架型筒體結構楔形結構和外外表巨大的X形斜支撐不僅有利于結構穩(wěn)定，又有利于有效使用空間。芝加哥約翰漢考克大廈——筒體結構高381m的帝國大廈，采用平面框架結構體系，用鋼量為206kg/m2；高344m的約翰.漢考克大廈用鋼量僅為146kg/m2；高443m的西爾斯大廈用鋼量僅為161kg/m2。第五個里程碑建于1973年，110層、樓高417〔北塔〕和415米〔南塔〕，北塔在1972年，而南塔在1973年完工。首次進行了模型風洞試驗，首次采用壓型鋼板組合樓板，首次在樓梯采用輕質防火隔墻，首次用粘彈性阻尼器減輕風振動效應等。紐約世界貿易中心〔WorldTradeCenter〕隨著筒體結構的開展，加上焊接和高強螺栓在鋼結構上的推廣和進一步應用，使美國高層建筑開展到了頂峰時期。第六個里程碑家庭保險大樓〔HomeInsuranceBuilding〕建于1885年，位于美國伊利諾伊州的芝加哥，樓高10層，42米，公認為世界第一幢摩天建筑，由美國建筑師威廉·詹尼設計。1890年這座大樓又加建2層，增高至55米。最后于1931年拆毀。(1885年到1890年最高)歷史上的世界最高摩天大樓世界大樓〔NewYorkWorldBuilding〕，是紐約市早期的一幢摩天大樓，完工于1890年，在1955年被撤除。它超過家庭保險大樓成為最高摩天大樓。世界大樓擁有地上20層，屋頂高94.2米，含尖頂高106.4米。它的屋頂高度記錄于1894年被曼哈頓壽險大樓超越〔雖然沒有超過它的尖頂高度〕。1899年其尖頂高度被公園街大樓超越。〔1890-1894〕曼哈頓壽險大廈〔ManhattanLifeInsuranceBuilding〕曾經是紐約市早期的一幢摩天大樓。它擁有348英尺〔106.1米〕高，18層，完成于1894年并于1904年有一次小幅度的擴建。它代表世界上第一幢高度超過100米大樓的標志。它于1930年被拆毀，改建為歐文信托銀行總部大廈?！?894-1899〕公園街大樓〔英語：ParkRowBuilding〕曾經是紐約市早期的一幢摩天大樓。在1899年完工至1908年勝家大樓完成之前的這段時間，它曾是世界最高的摩天大樓。高度119米(391英尺)樓層30。〔1899-1908〕費城大會堂〔PhiladelphiaCityHall〕是美國費城的社區(qū)會堂，建于1901年，這只有9層高大樓樓高167米〔548英呎〕。建成后曾成為世界最高摩天大樓，7年后〔1908年〕被勝家大樓取代，但仍然是費城最高建筑物，直到1987年?，F(xiàn)為美國國家歷史地標〔NationalHistoricLandmark〕之一，并設有官方網站。勝家大樓〔SingerBuilding〕位于美國紐約市曼哈頓百老匯自由街〔LibertyStreet〕，建于1908年，是美國勝家衣車的總部。大樓樓高612英呎〔187米〕，樓層數(shù)47，建成后曾為世界最高摩天大樓，直到翌年〔1909年〕被同樣位于曼哈頓大都會人壽保險大樓取代。最后于1968年拆卸，成為世界最高已拆卸摩天大樓，直到2001年9月11日，世界貿易中心倒塌為止?！?908-1909〕帝國大廈〔英語：EmpireStateBuilding〕，是位于美國紐約市的一棟著名的摩天大樓，共有102層，381米，塔尖449米。由Shreeve,Lamb,andHarmon建筑公司設計，1930年開工，1931年落成，只用了410天，它的名字來源于紐約州的別稱帝國州〔EmpireState〕，所以英文原意實際上是“紐約州大廈”，而“帝國州大廈”是以英文字面意思直接翻譯之譯法，但因此帝國大廈的譯法已廣泛流傳，故沿用至今?！驳蹏髲B在1931年—1972年曾是全世界最高的大樓?！臣~約世界貿易中心〔WorldTradeCenter，1973年－2001年9月11日〕原為美國紐約的地標之一，位于紐約市曼哈頓島上，在2001年9月11日發(fā)生的九一一襲擊事件中倒塌。世貿中心由日裔美籍的建筑師山崎實〔MinoruYamasaki〕設計，由七座建筑組成，最明顯的是110層、樓高417〔北塔〕和415米〔南塔〕的摩天大樓，北塔在1972年，而南塔在1973年完工，成為當時世界上最高的摩天大樓。但這個頭銜并沒有維持很久，很快就被西爾斯大樓取而代之。韋萊集團大廈〔WillisTower〕，原名：“西爾斯大廈”，是位于美國伊利諾伊州芝加哥的一幢摩天大樓，樓高442.3米，共地上110層，地下3層。大廈在1974年落成，超越紐約的世界貿易中心，成為當時世界上最高的大樓。落成至2009年7月16日前命名為“西爾斯大廈”〔SearsTower〕。2009年7月16日正式更名為韋萊集團大廈。韋萊集團大廈是由建筑師布魯斯·格雷厄姆(BruceGraham)和結構工程師法茲勒汗(FazlurKhan)所設計。韋萊集團大廈在1973年—1998年曾是全世界最高的大樓。98年之前的最高樓全部在美國雙峰塔〔英語：PetronasTwinTowers，或稱佩重納斯大廈、馬來西亞國家石油大廈、國家石油雙塔、雙子塔〕，是兩棟位于馬來西亞吉隆坡市區(qū)內的摩天大樓，1998年建成，曾經是世界最高的摩天大樓，直到2003年10月17日被臺北101超越，但仍是目前世界最高的雙塔樓，也是世界第5高的大樓。樓高452米，共地上88層。臺北101〔TAIPEI101〕是位于臺灣臺北市信義區(qū)的一棟摩天大樓。天線／尖頂509.2米[1]，屋頂449.2米，樓層數(shù)101。臺北101在2004年—2009年曾是全世界最高的大樓。哈里發(fā)塔，原稱為迪拜塔，是位于阿拉伯聯(lián)合酋長國的迪拜境內的摩天大樓，于2004年9月21日開工，總建筑師是芝加哥建筑事務所史基摩爾-歐文斯-梅瑞爾〔Skidmore,OwingsandMerrill，SOM〕的亞德里恩·史密斯〔AdrianSmith〕。是目前世界第一高樓與建筑，從2007年初開始已有玻璃帷幕安裝，而金屬外墻也于2007年6月開始施裝，2010年1月4日造價15億美元的哈里發(fā)塔建造完工正式啟用，哈里發(fā)塔高度為828米〔2,717英尺〕，樓層總數(shù)169層樓。哈里發(fā)塔自2010年起是全世界最高的大樓。46高層建筑關鍵技術電梯建材〔鋼材、鋼筋混凝土、玻璃幕墻〕散熱〔空調、玻璃幕墻〕施工速度〔預制拼裝、泵送混凝土、塔吊〕抗風抗震抗恐怖襲擊目前全世界最高的10棟建筑迪拜哈里發(fā)塔臺北101上海環(huán)球香港環(huán)球吉隆坡國家金融中心貿易廣場石油大廈目前全世界最高的10棟建筑南京紫峰芝加哥韋萊集團廣州西塔金茂大廈大廈〔原“西爾斯大廈”〕1.迪拜哈里發(fā)塔【建筑現(xiàn)況】已完工投入使用【動土時間】2004年9月21日【封頂時間】2009年10月【使用時間】2010年1月4日【建筑高度】

總高度：828米〔2,684英尺〕【建筑用途】綜合【建筑層數(shù)】162層【結構形式】鋼筋混凝土結構【抗震能力】6.3級地震【建筑造價】105億〔RMB〕【占地面積】34.4公頃【設計單位】SOM--阿德里安·史密斯【建筑工人】1.2萬名【建筑溫差】底層-頂層：-10℃【開發(fā)單位】伊瑪爾地產【施工單位】中國南通六建、韓國三星工程、BESIX、Arabtec1.迪拜哈里發(fā)塔1至39層是高級酒店，40至108層是高級公寓，109層至156層是辦公樓和展望臺(位于124層)，157至160層用于安放通訊設施。160層以上是200多米高、直徑為2.1米的尖塔。它還能在每秒55米的大風中保持穩(wěn)定，在高樓中辦公的人完全感覺不到大風的影響。1.迪拜哈里發(fā)塔哈利法塔也將包含未來的世界最快電梯，速度達17.5米/秒。大樓設計了4個隱蔽所，每30層一個，用于對付火災和恐怖襲擊等緊急情況。另外，除了54部高速電梯，還安裝有專門的應急電梯，可以從高處迅速而平安地疏散人員。1.迪拜哈里發(fā)塔哈利法塔的設計為伊斯蘭教建筑風格，樓面為“Y”字形，并由三個建筑部份逐漸連貫成一核心體，從沙漠上升，以上螺旋的模式，減少大樓的剖面使它更如直往天際，至頂上，中央核心逐轉化成尖塔，Y字形的樓面也使的哈利法塔有較大的視野享受。2.

臺北101大廈臺北101〔Taipei101〕，又稱臺北101大樓，位于我國臺灣省臺北市信義區(qū)，由建筑師李祖原設計，KTRT團隊建造，保持了中國世界紀錄協(xié)會多項世界紀錄。臺北101在2004年—2009年曾是全世界最高的大樓。因應高空強風及臺風吹拂造成的搖晃．臺北101設置了“調和質塊阻尼器〔tunedmassdamper〕”，是在88-92樓層掛置一個重達680公噸的巨大鋼球，利用擺動來減緩建筑物的晃幅。而大樓外形的鋸齒狀，經由風洞測試，能減少30-40%風所產生的搖晃。2.

臺北101大廈這也是全世界唯一開放游客欣賞的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。防震措施方面，臺北101采用新式的“巨型結構〔megastructure〕”，在大樓之四個外側分別各有二支巨柱，共八支巨柱，每支巨柱截面約3米長、2.4米寬，自地下5樓貫穿至地上90樓，柱內灌入高密度混凝土，外以鋼板包覆。2.

臺北101大廈2.

臺北101大廈臺北101打地基的工程總共進行了15個月，挖出70萬噸土，基樁由382根鋼筋混凝土樁構成。臺北101所使用的鋼至少有5種，依不同部位所設計，特別配制的混凝土，比一般混疑土強度強60%。日本東芝〔TOSHIBA〕公司制造了兩臺電梯，16.8米/秒，能夠在39秒之內從5樓上升至觀景臺位在的89樓。而游客也能從樓梯上到位在91樓的室外觀景臺。3.上海環(huán)球金融中心

3.上海環(huán)球金融中心建設位置：上海市浦東陸家嘴金融貿易區(qū)Z4-1號地塊

開工日期：1997年年初；2003年2月工程復工

竣工日期：2008年8月29日

用地面積：30,000m2

占地面積：14,400m2

建筑面積：381,600m2

建筑層數(shù)：地上101層、地下3層

建筑高度：492.5米

結構形式：鋼筋混凝土結構、鋼結構

建筑造價：83億人民幣

投資單位：森海外株式會社

建筑設計：KPF建筑師事務所

結構設計：籟思理·羅伯遜聯(lián)合股份(LERA)

設計單位：上?，F(xiàn)代建筑設計〔集團〕、華東建筑設計研究院

施工單位：中國建筑工程總公司、上海建工〔集團〕總公司總承包聯(lián)合體

所獲榮譽：2008年竣工的最正確高層建筑〔美國芝加