高层建筑结构的设计第1章高层建筑结构概述精选课件

1、第1章 高层建筑结构概述 本章提要：了解高层建筑概念；熟悉高层建筑结构的发展概况；掌握高层建筑结构设计的主要影响因素。第1章 高层建筑的发展和结构体系 1.1高层建筑概念 1.2高层建筑的发展概况 1.3高层建筑结构设计的影响因素 1.1高层建筑概念什么是高层建筑？ 1884年美国在芝加哥修建第一座11层的建筑被认为是现代高层建筑开端。高层建筑结构的划分标准与世界上各个国家和地区的地理环境、地震烈度、建筑材料、建筑技术、电梯的设置标化准以及防火的特殊要求等很多因素有关。1.1高层建筑概念根据1972年联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会的建议，一般将9层及其以上的建筑定义为高层建筑，并根据

2、建筑层数和高度划分为四类： 第一类，916层，高度不超过50m； 第二类，1725层，高度不超过75m； 第三类，2640层，高度不超过100m； 第四类，40层以上，高度超过100m以上。1.1高层建筑概念世界各国关于高层建筑的规定 美国规定2225m以上，或7层以上建筑物为高层建筑； 英国规定24m以上建筑物为高层建筑； 法国规定28m以上，居住建筑高度在50m以上建筑物为高层建筑； 日本规定高层31m以上，或8层以上建筑物为高层建筑；世界上许多国家将超过100m的高层建筑物定义为超高层建筑。1.1高层建筑概念在迪拜哈利法塔竣工前，世界上还从没有过600米以上的高楼。然而现在看，在2020

3、年之前至少会有8座这样的高楼矗立在全球各地。“超高层”（指高度在300米以上的建筑）这个名词将不足以描述这类建筑：因为我们进入了一个“极高层”时代。“极高层”这个词被芝加哥高层建筑与都市环境学会（CTBUH）正式用来描述高度超过600米或者达到超高层建筑两倍的高层建筑（见图）。1.1高层建筑概念我1.1高层建筑概念我国关于高层建筑的规定 住宅建筑设计规定（ GB 50096-2019（2019年版）中规定：1116层的住宅为中高层住宅，1630层的住宅为高层住宅。对于钢筋混凝土结构，一般情况是按高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2019）的规定来划分高层建筑的。 1.2 高层建筑的发展简况

4、高层建筑产生缘由 产业革命，大工业兴起，城市人口剧增，地价昂贵； 科学技术的进步，结构计算理论的发展，高强轻质新材料的出现，机械化电气化的应用； 上述因素等为高层建筑发展提供必要的物质条件和理论基础高层建筑的优点：节省城建投资；缺点：防火要求较高。1.2 高层建筑的发展简况城市中的高层建筑是城市经济繁荣和社会进步的重要标志，随着城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度和规模不断增加。国外高层建筑的发展一般划分为三个阶段。第一阶段，在19世纪中期之前 欧洲和美国一般只能建造层数6层左右的建筑，其主要原因是缺少材料和可靠的垂直运输系统。1.2 高层建筑的发展简况第二阶段，从19世纪中叶开始到20世

5、纪50年代 世界上第一幢高层建筑是美国于1885年兴建的芝加哥家庭保险公司大楼（Home Insurance Building，11层，55M）。 高层建筑发展很快，19世纪末，高层建筑高度已突破100M大关。 20世纪初，大量的钢结构高层建筑在美国建成，超过200M的高层建筑已有10幢，其中最为突出的是1931年建成的纽约市帝国大厦（Empire State Building,102层，381M），它保持世界最高建筑的记录长达41年之久。 1.2 高层建筑的发展简况帝国大厦102层，381m（Empire State Bui1ding）家庭保险大楼 11层（Home Insurance Bu

6、ilding）1.2 高层建筑的发展简况第三阶段，从20世纪50年代开始 高层建筑进入一个新的发展时期，高层建筑出现多种结构体系。1974年美国建成芝加哥西尔斯大厦（Sears Tower,110层，443M），其高度居世界最高水平达20年。 20世纪80年，高层建筑虽然在高度未有新的突破，但其风格有了新的变化，并酝酿着更高建筑。 美国是世界上高层建筑最多的国家，据有关专家分析，目前，其超高层建筑总数占据世界第一。 1.2 高层建筑的发展简况帝国大厦102层，381m（Empire State Bui1ding）西尔斯大厦110层，443M（Sears Tower）1.2 高层建筑的发展简况美

7、国在高层方面的优势正在逐渐被改变，如表1.1和图1.3所示。在世界20座最高建筑中，东南亚地区与美国平分秋色，在已建成的高层建筑中，台北101大厦（Taipei 101，地上101层，地下5层，508m），是目前全球最高的摩天大楼。由表1.1还可以看到，在当今世界20座最高建筑中，建成于30年代者2座、60年代者1座、70年代2座、90年代达11座、2000年以后建成为4座。在世界高楼向高度发展的历史进程中，最近的十年多建成的高层建筑超过了以往的数十年。表1.1 全球最高建筑前10位 序号建筑名称层数高度/m竣工年份1台北台北10110150820192吉隆坡石油大厦8845220193芝加哥

8、西尔斯大厦10844319744上海金茂大厦8842120195香港国际金融中心8841520196广州中信广场8039120197深圳地王大厦6938420198纽约帝国大厦10238119319香港中环广场78374199210香港中国银行大厦7236919901.2 高层建筑的发展简况1.2 高层建筑的发展简况目前我国高层建筑的发展特点：层数不断增多，高度不断加大高层建筑向多用途、多功能方向发展平面布置和立面体型日益复杂化结构体系日趋多样化高强材料和新技术的应用玻璃幕墙的广泛应用计算机应用水平迅速提高设计规程的不断完善1.2 高层建筑的发展简况中国七大500米以上在建超高层建筑进展状况深

9、圳平安金融中心（660m），2009年开工，2019年竣工（计划）。上海中心大厦（632m）， 2019年开工，2019年12月封顶， 2019年竣工。武汉绿地中心（606米），2019年开工，2019年竣工。天津117大厦（597米），2019年开工，2019年竣工。广州东塔（530米）， 2009年开工，2019年竣工中国尊（Z15）（528米），2019年动工，2018年竣工，北京第一高楼。苏州中南中心（729米）， 2019年9月动工。1.2 高层建筑的发展简况目前我国高层建筑的发展特点：层数不断增多，高度不断加大高层建筑向多用途、多功能方向发展平面布置和立面体型日益复杂化结构体系日趋

10、多样化高强材料和新技术的应用玻璃幕墙的广泛应用计算机应用水平迅速提高设计规程的不断完善1.2 高层建筑的发展简况目前我国高层建筑的发展特点：层数不断增多，高度不断加大高层建筑向多用途、多功能方向发展平面布置和立面体型日益复杂化结构体系日趋多样化高强材料和新技术的应用玻璃幕墙的广泛应用计算机应用水平迅速提高设计规程的不断完善1.2 高层建筑的发展简况1.2 高层建筑的发展简况阿联酋“迪拜塔”成世界最高(2019年7月23日) 阿联酋迪拜在建的摩天大厦“迪拜塔”20日高度达到512.1米，成为世界第一高楼。之前的世界第一高楼是中国台北的101大楼。据报道，“迪拜塔”开发商艾马尔地产公司发表声明说，

11、“迪拜塔”已建部分的高度20日超过了台北101大楼。报道说：“（迪拜塔）仅用1276天就成为了世界第一高楼。”自2019年1月工程开始以来，开发商一直没有透露“迪拜塔”的最终高度和确切楼层数。预计明年完工。到2019年底竣工时，“迪拜塔”的耗资将达到10亿美元，高度将超过700米，楼层数超过160层。1.2 高层建筑的发展简况阿联酋迪拜塔取代101大厦成为世界第一高楼 1.2 高层建筑的发展简况世界最高建筑为台北101大楼，高度508米，囊括了高度项目中3个第一，包括“世界最高建筑物”、“世界最高使用楼层”、“世界最高屋顶高度”。1.2 高层建筑的发展简况石油大厦国家石油公司双峰塔摩天大厦国油

12、双峰塔楼高452米、95层位于马来西亚首都吉隆坡市中心钢与混凝土混合结构1.2 高层建筑的发展简况2019年8月28日，高达492米的上海环球金融中心（SHANGHAI WORLD FINACIAL CENTER ）正式宣布落成启用，从而超越421米的金茂大厦成为我国大陆目前最高的在用建筑。位于上海浦东新区陆家嘴金融贸易区的上海环球金融中心地上101层、地下3层，总建筑面积38.16万平方米。其中地下2层至地上2层为车库和配套商业设施，3至5层为会议中心，7至77层为商业办公楼层，79至93层为上海柏悦酒店，94至100层为观光厅。1.2 高层建筑的发展简况1.2 高层建筑的发展简况上海陆家嘴

13、高层建筑群最高建筑为上海（塔）中心1.2 高层建筑的发展简况1974年在美国建成的芝加哥西尔斯大厦（Sears Tower），其层数为110层，高度为443m，高度居世界最高水平长达20年 美国芝加哥的西尔斯大楼（SearsTower）现保有“世界最高天线高度”的最高纪录。1.2 高层建筑的发展简况我国最高的高层建筑上海的金茂大厦，金茂大厦是中国最高的大厦，也是世界第四高楼。金茂大厦于1992年12月17日被批准立项，1994年5月10日动工，2019年8月28日结构封顶，至2019年3月18日开张营业，当年8月28日全面营业。金茂大厦占地2.3公顷，塔楼高420.5米，总建筑面积29办公和宾

14、馆，钢混凝土混合结构1.2 高层建筑的发展简况重庆世贸中心挺身而立解放碑、西部第一高、360度全景观景台。作为一个总高262米，共计62层的超高建筑物，总建筑面积近13万平方米，是一个集国际会议中心、国际商务中心、国际信息中心和国际俱乐部为一体多种功能的国际商贸中心。（重庆）最高的高层建筑化龙桥在建的嘉陵帆影建筑高度是468米，世界花高出了2米。重庆建成10大高楼（根据资料整理，以主体完工为准）1、重庆环球金融中心 339米 2、英利国际金融中心 288米 3、重庆宾馆保利国际广场 287米4、重庆联合国际大厦 285米5、世界贸易中心 283.1米6、浪高凯悦大厦 258米7、浪高会展国际广

15、场 258米8、重庆企业天地2号 246米9、上城国际 242.4米10、新华国际大厦 238.6米1.2 高层建筑的发展简况1.2 高层建筑的发展简况21世纪高层建筑的高新技术预测1高层建筑复杂大系统2高性能建筑材料3计算机仿真4专家系统5参数控制与决策准则软设计理论6结构控制与控制结构7结构可靠性识辩和检测治理8超高层建筑的先进消防系统9智能性服务系统10节能环保技术与太阳能利用1.2 高层建筑的发展简况未来10年高层建筑的若干研究领域1、高层建筑技术研究2、超高层建筑结构新体系研究3巨型结构体系研究与应用4超高层建筑地震与反应控制5深基础设计与施工技术6高性能混凝土应用技术7超高层建筑成

16、套设备开发8. 钢管混凝土结构应用技术世界贸易中心简介1.世界贸易中心的建筑形式2. 撞机1（首先撞击北楼）3. 撞机2（约18分钟撞击南楼）1. 倒塌瞬间2. 倒塌后3.美国,新世贸1.3高层建筑结构设计的影响因素1.水平力是设计主要因素2.侧移成为控制指标3. 抗震设计要求更高4.轴向变形不容忽略5.概念设计与理论计算同等重要6.减轻高层建筑自重比多层建筑更重要7.结构整体稳定和二阶效应1、水平力是设计主要因素高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。荷载效应的最大值(轴力N、弯矩M和位移)可用下列式子表达：N=wH f(H)M=qH2/2 f(H2)=qH4/8EI f(

17、H4)1、水平力是设计主要因素1、水平力是设计主要因素内力或位移结构内力、位移与高度H的关系H N=f(H) M=f(H2)=f(H4)结构内力/位移2、侧移成为控制指标高层建筑要控制结构侧移，其主要原因有： 侧移过大，使建筑物内的人在心理上产生不适应感觉，控制结构侧移是保证建筑物正常使用的需要； 侧移过大，使建筑物内的填充墙、建筑装饰和电梯轨道等服务设施产生裂缝、变形、甚至损坏；2、侧移成为控制指标高层建筑要控制结构侧移，其主要原因有： 侧移过大，将导致结构开裂或损坏，进而危及结构正常使用和耐久性。 地震对建筑物的破坏程度，主要取决于结构侧移大小，如果结构变形能力不足以抵御地震输入能量对结构

18、变形的要求，结构则会发生倒塌。3、轴向变形不容忽略高层建筑由于层数多、轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大影响。采用框架体系和框架剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴向压力往往大于边柱的轴向压力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。对于简化的手算方法，一般只计及最基本的变形。3、轴向变形不容忽略4、抗震设计要求更高 在高层建筑结构的抗震设防设计时，要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好的抗震性能，做到“小震不坏、中震可修，大震不倒”。计算结构的延性是困难的，因而，结构或构件的延性是通过一系列的构造措施实现的。在高层建筑的设计中，

19、为使结构具有良好的延性，构件要有足够大的截面尺寸，柱的轴压比、梁和剪力墙的剪压比、构件的配筋率都要适宜，应遵照规范、规程的规定要求。4、抗震设计要求更高4、抗震设计要求更高5、概念设计与理论计算同等重要概念设计: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。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“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应措施。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。6、减轻高层建筑自重比多层更重要减轻高层建筑的自重比多层建筑更有意义。如果在同样的地基或桩基情况下，减轻房屋自重意味着在不增加基础的造价和处理措施的前提下，可以多建层