高层建筑结构体系的确定与布置

高层建筑结构体系的确定与布置石建光厦门大学土木工程系本节内容高层建筑结构性能需求评价高层建筑结构性能控制和要求如何确定高层建筑结构体系高层建筑高度社会的进步和技术的发展，人们对建筑高度的感受和接受程度在不断提高。过去50多米高的建筑可能就感觉很高，而目前100多米的建筑随处可见，都不会感觉高大。整个世界范围的建筑平均高度都在迅速增高。

高层建筑高度计算高层建筑的高度对结构的内力、变形和动力反应有很大的影响，底部弯矩随高度按俩次方增长，而变形按四次方关系增加。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3自室外地面至房屋主要屋面的高度。《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99确定的建筑高度为室外地坪到建筑檐口高度。《建筑抗震设计规范》GB50011房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)高层建筑高宽比高宽比是对结构刚度、整体稳定、倾覆、承载能力和经济合理性的宏观控制。高宽比实际上反映了建筑物的“苗条”程度。随着高宽比的增大，结构的侧向变形能力也相对越强，倾覆力矩也越大。高层建筑高宽比计算最小投影法

加权平均宽度

面积法

刚度法高层建筑高度和高宽比限值高层建筑高度和高宽比限值高层建建筑长长宽比比当建筑筑物的的高度度一定定时，，随着着长宽宽比的的加大大，考考虑偶偶然偏偏心作作用对对内力力的影影响也也在加加剧；；当长长宽比比一定定时，，随着着建筑筑物高高度的的增加加，考考虑偶偶然偏偏心作作用对对结构构效应应的影影响在在减少少。高层建建筑长长宽比比的的计算算长宽比比越大大建筑筑越窄窄，楼楼板变变形会会增大大、结结构整整体性性连接接降低低、振振动不不协调调增加加。高层建建筑规规则性性平面布布置平面宜宜简单单、规规则、、对称称、减减少偏偏心；；平平面长长度不不宜宜过长长，突突出部部分长长度不不宜宜过长长.平面布布置不不规则则平面布布置不不规则则判断断平面布布置不不规则则判断断高层建建筑规规则性性--结构竖竖向布布置结构竖竖向布布置的的原则则是刚刚度均均匀连连续，，避免免刚度度突变变。在在结构构竖向向刚度度有变变化时时要做做到由由上到到下刚刚度逐逐渐变变化，，尽量量避免免在结结构的的某个个部位位出现现薄弱弱层。。避免免结构构顶部部的局局部突突起引引起““鞭梢梢效应应”。。竖向不不规则则高层建建筑5个性能能需求求指标标高层建建筑5个指标标高低低的判判断高层建建筑结结构体体系应应符合合的要要求结构性性能影影响因因素高层建建筑结结构体体系确确定方方法计算确确定结结构体体系结构方方案的的技术术关键键大量的的统计计数据据和实实践都都表明明，项项目策策划、、方案案设计计、初初步设设计、、施工工图设设计等等前期期策划划和设设计阶阶段影影响整整个建建设项项目投投资的的可能能性在在80%以上。。结构成成本占占到建建安成成本的的40%至60%。结构成成本还还常常常由于于策划划及设设计管管理的的好坏坏出现现非常常大的的波动动。结构体系设设计成成功实实例马那瓜瓜美洲洲银行行实例-马那瓜瓜美洲洲银行行1972年12月23日尼加加拉瓜瓜首都都马那那瓜发发生罕罕遇的的强烈烈地震震，5000多人死死亡，，市区区1万多栋栋楼房房灵为为平地地。而而马那那瓜当当时最最高的的建筑筑，林林同炎炎教授授于1963年设计计的18层、61m高的美美洲银银行——一栋钢钢筋混混凝土土塔楼楼，虽虽位于于震中中，在在楼前前的街街道上上出现现了13mm宽的地地裂缝缝，承承受着着比当当时设设计规规范(UBC，美国国统一一建筑筑规范范)所要求的地面面运动水平加加速度0.06g大6倍的地震强度度(0.35g，相当于里氏氏6.3～6.5级)而未倒塌，甚甚至未严重破破坏。马那瓜中央银银行大厦试问：那一幢破坏严严重呢？马那瓜美洲银银行大厦1）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。

2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。

马那瓜中央银行大厦

结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。美洲银行实例----马那瓜美洲银银行马那瓜美洲银银行大楼分析析美国ATC规程编制者RonaldSharpe所言：“到目目前为止，抗抗震设计尚不不能称之为一一门科学，而是一门艺术，很多问题的的解决要靠工工程判断”。伯克利加州大大学的教授V．Bertero在震后对这幢幢建筑作了动动力分析。当当核心筒连梁梁破坏后，四个L型角筒独立作作用时，结构构的自振周期期和顶部位移移明显加大，，而基底剪力力和倾覆力矩矩却明显减小小。马那瓜美洲银银行大楼分析析四个角筒共同作用四个角筒分别独立作用自振周期(s)基底剪力(t)倾覆力矩(t·m)顶部位移(mm)1.32700930001203.3130037000240正确的判断力力对结构起着着重要作用现今的设计虽虽受规范条文文的限制，但但设计者必须须通过思考和和判断去了解解其内容、吃吃透其中的实实质含义，而而不是仅仅去去满足允许的的最低限值。。[英国]ChasE．Reynolds工程师所掌握握的最佳计算算方法，应该该是运用最简简单、最直接接的计算方法法。切忌使用用概念含糊不不清的计算方方法。[英国]A．L．L．Baker应用现代高效效能计算机，，是能对复杂杂的结构做出出可靠的分析析，但更需要要运用正确的的判断力。尤尤其是当我们们把结构开拓拓成综合型、、新材料和更更大跨度的时时候。[美国]林同炎变形缝的设置置防震缝在地震作用下下，特别不规规则结构的薄薄弱部位容易易造成震害，，可咀用防震震缝将其划分为若干干独立的抗震震单元，使各各个结构单元元成为规则结结构。伸缩缝为了避免收缩缩裂缝和温度度裂缝，房屋屋建筑可以设设置伸缩缝。。我国规范规规定，现浇钢钢筋混凝土框框架结构、剪剪力墙结构伸伸缩缝的最大大间距分别为为55m和45m，框架一剪力力墙结构伸缩缩缝的最大间间距可根据具具体情况介于于45m和55m之间。沉降缝许多高层建筑筑由主体结构构和层数不多多的裙房组成成，裙房和主主体结构的高高度及重量相相差悬殊，可可采用沉降缝缝将裙房和主主体结构从顶顶层到基础全全部断开，使使各部分自由由沉降，避免免由沉降差引引起裂缝或破破坏。抗震设设防的结构，，沉降缝的宽宽度应符合防防震缝最小宽宽度的要求。。基础形式上海环球金融融中心大厦工程概况上海环球金融融中心大厦系系一幢以办公公为主，集商商贸、宾馆、、观光、展览览及其它公共共设施于一体体的大型超高高层建筑。主楼地下3层，地上101层，地面以上上结构高度492m。大楼建筑面积积为252935m2，裙房为33370m2，地下室为63751m2，合计约35万m2。此工程由日本本森大厦株式式会社一级建建筑师事务所所（MoriBuildingArchitects&Engineers）负责总设计计和审查；由由美国KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑师事务务所负责建筑筑设计；美国国赖思里.罗伯逊联合股股份有限公司司（LeslieE.RobertsonAssociates）负责结构设设计。根据我国《高层建筑混凝凝土结构技术术规程》（JGJ3-2002），其结构高度492m超过了型钢混混凝土框架－－钢筋混凝土土筒体最大高高度190m的限值，同时时高宽比8.49超过了设防烈烈度7度的上海地区区高宽比限值值为7的要求。上海环球金融融中心结构体体系由巨型柱、巨巨型斜撑构成成的巨型框架架-支撑结构、钢钢筋混凝土核核心筒结构以以及构成核心心筒和巨型结结构柱之间相相互作用的伸伸臂钢桁架组组成。有7道加强层的框框架-支撑巨型框架架-混凝土核心筒筒结构核心筒在57层-60层及78层-79层楼层处进行行了二次转换换,内部核芯筒由由平面形状不不同的低筒、、中筒和上部部筒组成；伸臂桁架在核核心筒内不贯贯通；由于考虑到建建筑立面效果果和采光的要要求，巨型斜斜撑采用的是是单向斜撑。。巨型斜撑巨型柱A带状桁架核芯筒伸臂桁架巨型柱B巨型柱A巨型柱B上海环球金融融中心结构规则性判判断建筑平面为59.95m59.95m的正方形形状状规则，无局局部凸凹；建筑的立面形形状逐渐变化化，无过大外外挑和内收。。上海环球金融融中心的平面面布置和竖向向体型无明显显的不规则性性。核芯筒竖向布布置不连续，，不符合竖向向抗侧力构件件宜上下连续续贯通的要求求。带状桁架、伸伸臂桁架和核核芯筒内的转转换桁架等结结构加强层，，使得结构的的楼层侧向刚刚度沿竖向分分布不均匀。。结构高度、高高宽比超限。。上海环球金融融中心的高度度和高宽比远远远超过了规规范限值；且且结构竖向变变化较大；筒筒体多次转换换；多重结构构体系混用，，是属于特别别复杂的超高高层结构体系系。主楼规范限值检查结果H(m)492190超限B(m)57.95––L(m)57.95––H/B8.217.0超限上海海虹虹口口中中信信城城地上上47层.高度度230米.总建建筑筑面面积积14万m2建筑筑结结构构方方案案建筑筑：：平平面面、、立立面面规规则则；；刚刚度度、、质质量量分分布布均均匀匀。。高度度230米：：满满足足300（抗抗震震）），，160（190）（（高高层层混混规规）），，180（高高层层混混规规））；；高宽宽比比5小于于6.5（抗抗震震）），，5（高高层层钢钢规规）），，7（高高层层混混规规））；；长宽宽比比1.04结构构体体系系：：有有四四道道加加强强层层的的框框架架-核心心筒筒结结构构；；构构件件布布置置均均匀匀对对称称。。平面面布布置置调调整整前前后后调整整结结果果和和效效果果调整整结结果果楼