同济大学高层建筑第一章1.3-1.5

1、1.1.3 3 高层建筑结构的发展展望高层建筑结构的发展展望目前我国高层建筑的发展特点：目前我国高层建筑的发展特点：u层数不断增多，高度不断加大层数不断增多，高度不断加大u高层建筑向多用途、多功能方向发展高层建筑向多用途、多功能方向发展u平面布置和立面体型日益复杂化平面布置和立面体型日益复杂化u结构体系日趋多样化结构体系日趋多样化u高强材料和新技术的应用高强材料和新技术的应用u玻璃幕墙的广泛应用玻璃幕墙的广泛应用u计算机应用水平迅速提高计算机应用水平迅速提高u设计规程的不断完善设计规程的不断完善1.3 1.3 高层建筑结构的发展展望高层建筑结构的发展展望2121世纪高层建筑的高新技术预测世纪高

2、层建筑的高新技术预测1 1高层建筑复杂大系统高层建筑复杂大系统2 2高性能建筑材料高性能建筑材料3 3计算机仿真计算机仿真4 4专家系统专家系统5 5参数控制与决策准则参数控制与决策准则 软设计理论软设计理论 6 6结构控制与控制结构结构控制与控制结构7 7结构可靠性识辩和检测治理结构可靠性识辩和检测治理8 8超高层建筑的先进消防系统超高层建筑的先进消防系统9 9智能性服务系统智能性服务系统1010节能环保技术与太阳能利用节能环保技术与太阳能利用1.3 1.3 高层建筑结构的发展展望高层建筑结构的发展展望未来未来1010年高层建筑的若干研究领回年高层建筑的若干研究领回1 1、高层建筑技术研究、

3、高层建筑技术研究2 2、超高层建筑结构新体系研究、超高层建筑结构新体系研究3 3巨型结构体系研究与应用巨型结构体系研究与应用4 4超高层建筑地震与反应控制超高层建筑地震与反应控制5 5深基础设计与施工技术深基础设计与施工技术6 6高性能混凝土应用技术高性能混凝土应用技术7 7超高层建筑成套设备开发超高层建筑成套设备开发8 8 . . 钢管混凝土结构应用技术钢管混凝土结构应用技术1.3 1.3 高层建筑结构的发展展望高层建筑结构的发展展望1.1.4 4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点v1 1、水平力是设计主要因素、水平力是设计主要因素v2 2、竖向构件的轴向变形不容忽视竖向构件的轴

4、向变形不容忽视v3 3、侧移成为设计的关键、侧移成为设计的关键v 过大的位移对结构的影响过大的位移对结构的影响v4 4、抗震设计要求更高、抗震设计要求更高v5 5、概念设计与理论计算同等重要、概念设计与理论计算同等重要v6 6、减轻高层建筑自重比多层建筑更重、减轻高层建筑自重比多层建筑更重要要v7 7、轴向变形不容忽略、轴向变形不容忽略1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点1 1、水平荷载成为设计的主要因素、水平荷载成为设计的主要因素 1 1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比；）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比； 2 2）水平荷载产生的倾覆力矩以及

5、轴力与高度的二次方成正比。）水平荷载产生的倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点v说明：说明：v(1)(1)、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中所引起的轴力与轴力与H H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。的二次方成正比，侧移更大，为四次方。v(2)(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考虑竖向地震作、竖向荷载一般为定

6、值（除了需考虑竖向地震作用外），水平荷载（风、地震）均为不确定的因素，用外），水平荷载（风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结构动力特性、周边环且随很多因素（时间、地点、结构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。境等）变化有较大幅度的变化。 22qH48qHEI2max3qH4max11120qHEIv轴力轴力 N=f(H) N=f(H) v弯矩弯矩M=f(HM=f(H2 2) )v变形（侧移）变形（侧移）vf(Hf(H4 4) ) 公式公式水平荷载水平荷载1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点M M均布荷载均布荷载倒三角荷载倒三角荷载 2 2、

7、轴向变形的影响在设计中不容忽视轴向变形的影响在设计中不容忽视 1 1）对连续梁弯矩的影响对连续梁弯矩的影响中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差异中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差异2 2 ) ) 对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响；对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响；美国休斯顿美国休斯顿7575层汉克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和层汉克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合体系。根据计算，中心钢柱由于受荷面积钢柱组成的混合体系。根据计算，中心钢柱由于受荷面积大，重力荷载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多大，重力荷载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多260mm

8、260mm，总下料多总下料多260mm260mm，并且要逐层调整，并且要逐层调整1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点3 3）水平荷载产生的结构轴向变形对其）水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响内力及侧移的影响 水平荷载作用下，使竖向结构体系一水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。向拉伸，从而产生整体水平侧移。一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，在高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不在高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不考虑结果相差考虑

9、结果相差3030以上，结构顶点侧移减以上，结构顶点侧移减小一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大）小一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大） 表中为某剪力墙的计算结果。表中为某剪力墙的计算结果。由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点3 3、侧移成为设计的关键、侧移成为设计的关键 要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作用下产生的侧移用下产生的侧移. . 高规高规P30 4.6.3P30 4.6.3条规定限值（钢筋混条规定限

10、值（钢筋混凝土结构）层间位移凝土结构）层间位移 楼层层间最大位移与层高之比的限值楼层层间最大位移与层高之比的限值U/hU/h：1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点3 3、侧移成为设计的关键、侧移成为设计的关键 1 1）结构顶点的侧移）结构顶点的侧移 u ut t与结构高度与结构高度 H H 的四次方成正比；的四次方成正比； 2 2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系；）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系； 过大侧移会使人产生不安全感；会使隔墙、围护结构以及过大侧移会使人产生不安全感；会使隔墙、围护结构以及 修损坏，使电梯轨道变形使填充墙和主体结构

11、出现裂缝或修损坏，使电梯轨道变形使填充墙和主体结构出现裂缝或 损坏，影响正常使用；损坏，影响正常使用；高楼重心位置较高，过大侧移使结高楼重心位置较高，过大侧移使结 构因构因P P效应而产生较大的附加应力，甚至导致恶性循环效应而产生较大的附加应力，甚至导致恶性循环 直至倒塌。直至倒塌。 3 3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的 承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。4t41 qH8EIu11 qH120EI 水平均布荷载水平均布荷载水平倒三角荷载水平倒三角荷载1.4 1.4 高层建筑结构的基本

12、特点高层建筑结构的基本特点4 4、延性成为结构设计的重要指标、延性成为结构设计的重要指标 1 1）延性表示构件和结构屈服后，）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。性变形能力的一种性能。 2 2）延性系数）延性系数：用来衡量延性的大小。：用来衡量延性的大小。 3 3）结构的抗震性能决于其）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散能量吸收与耗散”能力的大能力的大小，即决于结构延性的大小。小，即决于结构延性的大小。 4 4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好

13、的延性。可通过加强结构抗震概念设计，外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。采取恰当的抗震构造措施来保证。 uy 1.4 1.4 高层建筑结构的基本特点高层建筑结构的基本特点5 5、构件的基本形式构件的基本形式 线形构件线形构件具有较大的长细比的细长构件具有较大的长细比的细长构件 梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆 线性构件是组成框架体系、框撑体系、框墙体系或板柱线性构件是组成框架体系、框撑体系、框墙体系或板柱 体系的基本构件体系的基本构件 平面构件平面构件具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构件具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构

14、件 楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小， 结构分析中常常忽略结构分析中常常忽略 面构件是组成全墙体系、框墙体系、框托墙体系面构件是组成全墙体系、框墙体系、框托墙体系 和叠和体系的基本构件和叠和体系的基本构件 1.4 高层建筑结构的基本特点 立体结构立体结构由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸和较小由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸和较小壁厚的整体筒状构件壁厚的整体筒状构件框筒梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、抗扭刚度框筒梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、抗扭刚度 立体构件是框筒体系、筒中筒体系、筒体体系、框筒束体系、立体构件是框筒体

15、系、筒中筒体系、筒体体系、框筒束体系、 支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体系中的基本构件支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体系中的基本构件 1.4 高层建筑结构的基本特点6 6、概念设计与理论计算同等重要、概念设计与理论计算同等重要概念设计概念设计: :以功能优越、造型美观、技术先进的总体方案以功能优越、造型美观、技术先进的总体方案为目标的设计阶段为目标的设计阶段是指一些难以作出精确力学分析或在规范中难以具体规定是指一些难以作出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用的问题，必须由工程师运用“概念概念”进行分析，作出判断，进行分析，作出判断，以便采取相应措施。以便采

16、取相应措施。例如结构破坏机理的概念、力学概念以及由震害和试验现例如结构破坏机理的概念、力学概念以及由震害和试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验，也包括一些教训，象等总结提供的各种宏观的和具体的经验，也包括一些教训，以及建筑要求和造价、施工要求等以及建筑要求和造价、施工要求等1.4 高层建筑结构的基本特点1.51.5高层建筑的结构形式高层建筑的结构形式v结构方案选择：在满足建筑使用要求的前提下，选择结构形结构方案选择：在满足建筑使用要求的前提下，选择结构形式、结构体系和结构布置式、结构体系和结构布置v1 1、砖石结构、砖石结构l优点优点：取材容易、施工简便、造价低廉；：取材容易、施工简便、

17、造价低廉；l缺点缺点：脆性材料，其抗拉、：脆性材料，其抗拉、 抗弯、抗剪强度均较低抗弯、抗剪强度均较低，自重自重大，强度低，抗震性能差，施工难以机械化，工人劳动强度高，大，强度低，抗震性能差，施工难以机械化，工人劳动强度高，工期长和结构面积大，难以用于高层房屋，国内目前砖石结构工期长和结构面积大，难以用于高层房屋，国内目前砖石结构房屋只建到房屋只建到1919层左右层左右l新型砌体结构新型砌体结构配筋砌体配筋砌体 10 10层层以上采用，以上采用， 北京（八度区）北京（八度区）拟建拟建3030层层 1 . 5 高 层 建 筑 的 结 构 形 式v 2 2、钢筋混凝土结构、钢筋混凝土结构l 优点：

18、取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大，刚度优点：取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大，刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好；好、节约钢材、降低造价、可模性好；l 缺点：自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较缺点：自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响；长且受季节的影响；l 应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今后仍将是高层建筑发展的主流。后仍将是高层建筑发展的主流。 最早混凝土框架结构高层建筑，是最早混凝土框架结构高层建筑，是19031903年在美国辛辛那提年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大

19、楼，建造的因格尔斯大楼，1616层，高层，高64m64m。 目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达7878层层374m374m、其次是平壤柳京饭店达其次是平壤柳京饭店达105105层层300m 300m 1 . 5 高 层 建 筑 的 结 构 形 式v 3 3、钢结构、钢结构l 钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够满足建筑上对大跨度、大空间的要求满足建筑上对大跨度、大空间的要求l 抗震性能优于钢筋混凝土结构：混凝土的抗拉和抗剪强度均抗震性能优于钢筋混凝土结构：混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，延性也差，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力迅较低，延性也差，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力迅速降低，钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗速降低，钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，钢剪强度均很高，重要的是具有良好的延性。地震作用下，钢结构因良好的延性，不仅能够减弱地震反应，而且属于较理结构因良好的延性，不仅能够减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力l 减轻结构自重，降低基础工程造价：两类结构的结构自重的减轻结构自重，降低基础工程造价：两类