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高层建筑结构 概述定义 高层建筑的定义 用来控制高处荷载的结构 它将建筑物立面高度所引起的垂直荷载 楼面荷载与屋面荷载 风荷载和振动荷载由上至下汇集并传递到基础 高度作用体系也常被成为高层建筑 概述结构设计特点 高层建筑结构设计特点 荷载在楼面汇集 传递至主要柱子等垂直承重构件 最终传递至基础释放到地基 其中还要有抗水平侧向作用的构件用于稳定结构本身 将荷载水平传递 改向 垂直传递到达地面 概述结构设计要点 高层建筑结构设计要点 水平荷载是决定因素竖向总荷载与建筑高度一次方成正比 而水平荷载的作用与建筑高度二次方成正比 水平侧向荷载对结构受力影响更大 层数越高 水平荷载影响越大 水平荷载下高层建筑的变形 弯曲 倾覆 剪断 扭曲和振动等 概述结构设计要点 高层建筑结构设计要点 水平荷载是决定因素一定高度的高层建筑 竖向荷载大体是定值 而水平荷载受风荷载和地震作用在不同结构形式的影响 变化幅度大 概述结构设计要点 高层建筑结构设计要点 轴向变形极为重要竖向荷载引起柱子轴向变形 从而减小连续梁支座负弯矩 加大跨中正弯矩 对结构不利 应控制轴向变形 概述结构设计要点 高层建筑结构设计要点 侧向位移作为控制指标与低层建筑有别 侧移是高层建筑设计中的决定因素 高度增加 水平荷载的影响越大 以至于起到决定性作用 水平荷载越大 结构侧移变形越大 因此 侧移必须控制在一定范围内 结构特性分类 按荷载传递方式分类 结构特性框架结构 框架体系由梁和柱组成 只能传递竖向荷载 水平荷载需要额外设置剪力墙来抵抗 剪力墙可以位于建筑内部或外墙部位 结构特性框架结构 芝加哥湖滨公寓1948 1951 纽约西格拉姆大厦1954 1958 结构特性框架结构 法国瑞士国家保险大厦1984 结构特性框架结构 芝加哥湖心大厦1968 结构特性框架结构 注意剪力墙或核心筒可抵抗水平侧向荷载 它是框架结构体系向高度发展的关键 普通框架结构体系柱网相对较密 加上剪力墙的存在 低层难以做成大空间 这时可以在下部进行结构转换 设置结构转换层 结构特性剪力墙结构 顾名思义 由剪力墙承重的结构体系 水平荷载和垂直荷载均直接向下传递 钢筋混凝土的剪力墙与钢筋混凝土的楼板刚性连接 使得这种结构刚度非常的好 横向布置剪力墙纵向布置剪力墙 结构特性剪力墙结构 横向布置剪力墙横向布置的剪力墙带来建筑内部灵活布局 但对立面约束大 开洞余地小 芝加哥城市监狱1978 结构特性剪力墙结构 纵向布置剪力墙纵向布置的剪力墙对平面灵活性约束大 常用在住宅 旅馆等建筑中 结构特性剪力墙结构 转换层剪力墙体系低层如需宽敞的大空间 必须通过结构转换 框支剪力墙 的方式 但增加了结构的复杂性和经济性 亚特兰大宾馆1985 结构特性筒结构体系 高层建筑层数层增多 高度增大时 框架 剪力墙体系不能满足建筑和结构的要求 采用具有空间受力性能的筒体系 筒体可以由剪力墙构成 也可由密柱框筒构成 结构特性筒结构体系 筒体系以圆形和方形平面最优 也可以用对称的三角形或者人字形 外框筒的柱距不宜大于4m 窗洞面积不宜大于墙面面积60 结构特性筒结构体系 外立面的几种处理方式框架网格密柱与横梁构成网格状 立面柱距小 适合直接开窗 省去额外的窗间支撑构件 注意 到建筑底部时序采用结构转换来扩大入口的宽度 结构特性筒结构体系 外立面的几种处理方式框架网格 结构特性筒结构体系 外立面的几种处理方式桁架网格 匹兹堡钢铁大厦1963 斜撑跨一层 结构特性筒结构体系 外立面的几种处理方式竖向桁架 柱 支撑 大型斜向支撑与梁柱系统共同受力 芝加哥汉考克大厦1969 结构特性荷载截获型体系 系统首先必须有核心筒作为向下的承重基础 往上向四周展开扩大使用空间 展开的部分通过框架系统由立面向核心筒传递荷载 常常是为了获取底部宽敞的大空间 或者地基较为狭小 或者用来避免基础不均匀沉降 结构特性荷载截获型体系 A 边界支柱B 边界悬吊C 支柱 悬吊 结构特性荷载截获型体系 优点 下部无柱 入口区域空间自由度大 缺点 建筑下部只有几层高的核心筒 空间损失大 结构特性荷载截获型体系 法兰克福oliverttiundausbildungszentrum1967 1972 结构特性荷载截获型体系 纽约花旗集团中心1978 结构特性悬挑结构 竖向荷载由中间的核心筒承担 向下传递至基础 由核心筒向外出挑楼板 承受水平荷载 大梁悬挑桁架悬挑 结构特性悬挑结构 要求体型对称 核心筒居中 虽然空间内可完全无柱 但出挑长度各向要一致 对建筑平面和体型是一个很大的制约 结构特性悬挑结构 Pricetower1956赖特 结构特性悬挑结构 johnsonwaxbuilding约翰森石蜡公司办公楼1969 1939赖特 结构特性悬挂结构体系 这种结构的楼层施工顺序是从上往下 受力方式 楼面荷载通过一个手拉的体系向上传递到顶部的承重构件 再通过一个或多个核心筒向下传递至基础 单核体系的基础和荷载截获体系有相同的优点 基础集中 可避免基础不均匀沉降 结构特性悬挂结构体系 慕尼黑宝马公司中部大厦1970 1972 结构特性悬挂结构体系 渣打银行1970 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 项目位置 美国 芝加哥建筑师 BruceGraham SOM结构类型 钢结构束筒体系建成时间 1974年建筑材料 钢 钢筋混凝土 铝合金 玻璃等 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 概况地上110层 主体高度443m 阶梯状向上收缩 底层平面正方形 边长68 6m 由9个方形小框筒组成 总建筑面积37万平方 外墙为褐色铝合金框架和防炫目古铜色玻璃 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 结构束筒结构的典型代表 小框筒每边6根柱 柱距4 57m 9个框筒沿高度分段截断 第50层结束对角线上2个 66层结束另一对角线上的2个 90层结束周边3个 最后剩下2个小框筒到110层 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 结构框筒内部每层设置水平钢桁架作为楼板的支撑构件 跨度为小框筒边长22 85m 间距4 57m 高度1m 每隔6层变化一次桁架的跨度方向以加强整体刚度 钢架梁上铺设压型钢板 上浇筑63mm厚的轻质混凝土 22 85m的跨度内无柱 因此室内空间布置灵活 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 结构大厦分别在35 66 90和109层设置四个结构加劲层 加劲层用桁架将所有外柱相连 加强小框筒之间的联系 相当于给整个结构加上4道圈梁 有效的提高结构的整体刚度 加劲层作为设备层和避难层使用 控制大厦结构的是侧向风荷载 顶部风压3KN m2 允许顶端位移h 500 建成后最大风速下的顶端位移46cm 完全满足要求 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 案例分析一希尔斯大厦 SearsTower 总结这种结构 内部大空间适合灵活布置 传力体系的效率高 大厦平均用钢量约160kg m2 阶梯状的设计不仅利于结构 而且形成了独特的外观 加劲层起到了保证结构刚度的作用 而且在立面上得到强调 增加建筑的表现力 案例分析二芝加哥汉考克大厦 JohnHancockCenter Chicago 项目位置 美国 芝加哥建筑师 BruceGraham SOM结构类型 核心筒 桁架外筒体系建成时间 1970年建筑材料 钢 钢筋混凝土 玻璃等 案例分析一芝加哥汉考克大厦 JohnHancockCenter Chicago 概况地上100层 建筑主体高343 5m 加上天线高度457 2m 建筑用地1 4万平方 总建筑面积26万平方 大厦底层平面为80 8mx50 3m的矩形 逐层向上缩小 形成四棱锥台 顶层平面惟50 3mx30 5m 这幢大厦属一家保险公司所有 但1 5楼是高级时装店 6 41楼是公司的办公室 42楼以上是公寓 94楼是眺望台 95楼是餐厅 96楼则是鸡尾酒馆 案例分析一芝加哥汉考克大厦 JohnHancockCenter Chicago 结构主体结构包括位于中央的核心筒和外围的桁架筒 外筒结构分为主次两部分 主结构包括角柱 斜撑和主楼层横梁 次结构包括中间柱和各层横梁 此结构支撑于主结构上 案例分析一芝加哥汉考克大厦 JohnHancockCenter Chicago 案例分析一芝加哥汉考克大厦 JohnHancockCenter Chicago 总结外柱之间加斜撑 将桁架受力机制引入外筒结构 加强大厦的刚度和稳定性 四棱锥的体系稳定性好 巨大的斜撑是结构抵抗侧向荷载的关键 结构效率高 外露的支撑系统也成为大厦的标志性外观 大厦用钢量145kg m 侧移也非常小 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 项目位置 香港建筑师 诺曼 福特斯建筑事务所结构类型 组合柱外伸桁架悬挂结构建造时间 1981 1985年建筑材料 钢 铝板 混凝土板 玻璃等 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 概况大楼共52层 主体47层 地下4层 底层为开放式城市广场 建筑最高处178 8m 平面类矩形72mx55m 建筑用地5000平方 总建筑面积9 9万平方 标准层层高3 9m 大楼前后共3跨 高度方向分5段 每段层数不同 前后三跨高度也各不相同 大厦底层架空12m高 留给城市公共广场 薄片组合式体量 外露的结构 屋顶停机台和起重机架都彰显出他的独特 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 结构由组合柱外伸桁架 桁架悬挂拉杆承受楼板重量 是间接传力系统中的一种 组合柱共8组 每组由4根钢柱组成 四根钢柱由每层的水平横梁联系 钢柱由钢管焊接而成 底部直径1 4m 壁厚10cm 组合柱的轴线尺寸5 1mx4 8m 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 结构每组组合柱之间跨度38 4m 组合柱之间用x型斜撑联系 共同抵抗风荷载 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 结构组合柱上悬挑出2层高的三角桁架 桁架向内悬挑16 8m 向外悬挑10 5m 桁架悬挂垂直拉杆 承受楼层荷载 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 结构桁架悬挂的楼层数往上逐渐减少 从下往上以此惟7 6 5 4层 设备用房 电梯及楼梯布置在组合柱的外侧 使得内部空间使用灵活 且改善桁架的受力性能 案例分析三香港汇丰银行总部大楼 总结间接传力结构没有直接传力体系效率高 建造成本相对较高 但如果追求大跨度使用空间 则仍是一种有效的方式 结构美感成为了建筑显著的特征 外露的结构使得大楼充满了张力 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 项目位置 香港建筑师 贝聿明结构类型 巨型空间桁架结构建造时间 1985 1989年建筑材料 钢 钢筋混凝土 铝合金 玻璃等 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 概况地下4层 地上70层 塔楼主体高315m 加上桅杆高368 5m 标准层层高4m 总建筑面积13万平方 外形为4个组合在一起的三棱柱 棱柱逐个递增 分别到达17 38 51和70层 顶部呈45度斜坡 平面为规则的正方形 边长52m 被划分为4个等腰三角形 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 概况外形为4个组合在一起的三棱柱 棱柱逐个递增 分别到达17 38 51和70层 顶部呈45度斜坡 平面为规则的正方形 边长52m 被划分为4个等腰三角形 南向入口平面20 37层平面 38 50层平面51 66层平面 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 结构巨型空间桁架式结构 主体由8个垂直平面支撑和5根巨柱 4角柱和1中心柱 组成 4片X型支撑沿建筑四周 4片z型支撑沿对角线垂直面 四角的巨柱为多边形型钢 混凝土柱 最大尺寸4 8mx4 1m 平面每边另设5根立柱 承担楼面竖向荷载 并传至主体结构 中心巨柱从25层开始 直达顶层 支撑于一个四棱锥结构顶部 四棱锥将中心柱的受力传递至四角巨柱 南向入口平面 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 结构最终由巨柱间的斜撑将整个结构组合成一个空间桁架式受力系统 荷载主要集中在建筑外围结构上 大厦在4 5 18 31 44 51层设置加劲层 以一层高的桁架将外围角柱水平连接起来 增强结构的整体刚度 案例分析四香港中国银行 BankofChinaBuilding HongKong 总结这种空间桁架结构侧向刚度很大 抗倾覆很强 这种构造足够可以做到100层以上 由下至上逐渐收进的平面 做到了与周围场地环