第一章高层建筑结构概述

第一章高层建筑结构概述2/4/2023第一章高层建筑结构概述§1.1高层建筑结构的特点§

1.2高层建筑结构的历史和现状§

1.3现代高层建筑结构的发展§

1.5摩天大楼的毁灭§

1.4高层建筑结构的学习2/4/2023多层与高层建筑如何划分，不同国家有不同的规定。高层建筑，顾名思义，是指层数较多、高度较高的建筑。国家高层建筑起始高度前苏联住宅为10层及10层以上，其他建筑为7层及7层以上美国22~25m以上，或7层以上建筑法国住宅为8层及8层以上，或≥31m英国24.3m以上的建筑德国≥22m（从室内地面起）日本8层以上建筑或超过31m的建筑§1.1高层建筑结构的特点一、高层建筑的一般概念2/4/2023

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》）规定：

10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑结构和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑结构。《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）规定：10层及10层以上的住宅建筑和建筑高度大于24m的其他民用建筑（不含单层公共建筑）为高层建筑。《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005版）规定10层及10层以上的居住建筑和建筑高度超过24m的公共建筑为高层建筑。§1.1高层建筑结构的特点一、高层建筑的一般概念2/4/2023§1.1高层建筑结构的特点一、高层建筑的一般概念根据联合国教科文组织所属的世界高层建筑委员会的建议，一般将高层建筑划分为以下四类：Ⅰ类高层：9~16层，高度不超过50m；Ⅱ类高层：17~25层，高度不超过75m；Ⅲ类高层：26~40层，高度不超过100m；Ⅳ类高层：40层以上，高度超过100m以上。2/4/2023？思考：世界上已经建成的高层建筑中，层数最多的已达110层，高度最高的也已超过500m，为什么世界各国仍将高层建筑定位在10层或30m左右？§1.1高层建筑结构的特点一、高层建筑的一般概念2/4/2023

1、在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积。这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨的问题。设计精美的高层建筑还可以为城市增加景观，如马来西亚首都的石油大厦和上海的金茂大厦等。但高层建筑太多、太密集也会对城市带来热岛效应，玻璃幕墙过多的高层建筑群还可能造成光污染现象。

§1.1高层建筑结构的特点二、高层建筑的特点2/4/2023

2、在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境，并带来更充足的日照、采光和通风效果。例如在新加坡的新建居住区中，由于建造了高层建筑群，留下了更多地面空间，可以更好地建设城市绿化和人们休闲活动空间。§1.1高层建筑结构的特点二、高层建筑的特点2/4/2023

3、从城市建设和管理的角度看，建筑物向高空延伸，可以缩小城市的平面规模，缩短城市道路和各种公共管线的长度，从而节省城市建设与管理的投资。由于建造高层建筑可以增加人们的聚集密度，缩短相互间的距离，水平交通与竖向交通相结合，使人们在地面上的活动走向空间化，节约了时间，增加了效率。但人口的过分密集有时也会造成交通拥挤、出行困难等问题。§1.1高层建筑结构的特点二、高层建筑的特点2/4/2023

4、高层建筑中的竖向交通一般由电梯来完成，这样就会增加建筑物的造价，从建筑防火的角度看，高层建筑的防火要求要高于中低层建筑，也会增加高层建筑的工程造价和运行成本。§1.1高层建筑结构的特点二、高层建筑的特点

5、从结构受力特性来看，侧向荷载（风荷载和地震作用）在高层建筑分析和设计中将起着重要的作用，特别是在超高层建筑中将起主要作用。因此高层建筑的结构分析和设计要比一般的中低层建筑复杂得多。2/4/2023

高层建筑由于其层数多、高度大，荷载作用下的受力特点、变形状态以及对结构体系和各种服务设施的要求等与低层和多层建筑相比均大为不同，设计一幢高层建筑需要考虑很多因素，是一个颇为复杂的过程，应进行专门的分析与研究.§1.1高层建筑结构的特点

三、高层建筑的受力特点

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在低层建筑中，水平荷载产生的内力很小，结构主要抵抗垂直荷载产生的内力，即轴力。弯矩和剪力都比较小。

随着建筑物高度的增加，水平荷载产生的弯矩和侧移迅速增大，甚至起着控制设计的作用。HN=f(H)M=f(H2）Δ=f(H4)§1.1高层建筑结构的特点

三、高层建筑的受力特点

2/4/2023

当建筑物从低层进入到高层时，其受力特点一般将发生如下变化：低层垂直荷载控制设计多层垂直和水平荷载共同控制设计高层水平荷载控制设计§1.1高层建筑结构的特点

三、高层建筑的受力特点

2/4/2023高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑布局，而且为当地的经济发展起到了巨大的带动作用。高层建筑的发展，得益于新材料的不断出现、力学分析方法和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞跃。随着高性能材料的不断研制和开发，结构形式合理性的进一步研究，可以预见，在今后的土木工程领域，高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式，扮演重要的角色。因此，掌握高层建筑的设计知识，是对土木工程领域技术人员的基本要求。§1.1高层建筑结构的特点2/4/2023古代的高层建筑是为防御、宗教或航海需要而建造。有代表性的高层建筑有：公元前280年，埃及亚历山大港灯塔，高150m，石结构；公元338年，巴比伦城巴贝尔塔，90m高；公元1049年，开封佑国寺塔，现存最早的琉璃饰面砖塔；公元1055年，河北定县开元寺塔，高84m，中国现存最高砖塔；公元1056年，山西应县佛宫寺释迦塔，高67m，木结构。§1.2高层建筑结构的历史和现状一、古代2/4/2023§1.2高层建筑结构的历史和现状目前中国最高的木结构—山西应县木塔。建于公元1056年，外观5层，内有4暗层，实为9层，平面为8角形，底层直径为30.27m，塔高为67.31m.应县木塔夜景2/4/2023古代高层建筑的特点是：⑴、以砖石木材为主要建筑材料；⑵、不以居住和办公为主要目的；⑶、没有现代化的垂直交通运输设施；⑷、缺少防火、防雷等设施。古代高层建筑为近代和现代高层建筑的发展奠定了基础。在结构方面，古代将高层建筑的平面大多设计成圆形或正多边形，不但造型优美，而且可减少水平荷载作用效应，增大结构刚度，受力好，为许多近代和现代个高层建筑所仿效。§1.2高层建筑结构的历史和现状一、古代2/4/2023随着社会经济的不断发展，工业化、城市化进程的不断加快，以及土木工程和相关领域科学技术水平的提高，不仅使得高层、超高层建筑的建造成为可能，而且发展速度也越来越快。近代高层建筑主要是为商业和居住需要而建造。经济的发展为高层建筑的发展提供了经济基础，电力、升降机、钢铁、水泥的出现为高层建筑的发展提供了物质基础。美国是近代高层建筑的发源地和中心。§1.2高层建筑结构的历史和现状二、近代与现代2/4/2023

世界上第一幢近代高层建筑是由称为“摩天楼之父”的詹莱(w．B．Jenney)在美国的芝加哥建造的家庭保险大楼，该楼10层，高55m，建于1885年，采用铁柱和砖墙作为结构体系，其中铁框架(部分钢梁)承受全部大楼里的重力，外墙仅为自承重墙的高层建筑,1931年被拆除。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023在19世纪50年代初期由奥提斯（OnS）发明的安全升降机，也使高层建筑成为可能。1895年安全电梯首次在纽约某16层宾馆应用。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/202319世纪末各种型钢有很大发展，1889年巴黎埃菲尔铁塔建成，对高层建筑的发展有很大的推动作用。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/202320世纪30年代出现了高层建筑发展的第一个高潮。1931年建成的纽约帝国大厦，102层，高381m，保持了世界最高建筑纪录达41年之久。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023美国在20世纪60年代末和70年代初建成了415m和417m高的纽约世界贸易中心双塔楼、443m高的芝加哥西尔斯大厦等一批100层以上的超高层建筑，是这个时期最有代表性的建筑物，它们至今仍位于世界上少数最高的建筑物之列。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023

纽约世界贸易中心大楼在规模和技术上的创新，是前所未有的。该工程首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔墙，首次用粘弹性阻尼器减轻风振动效应等，对后来的高层建筑结构的设计和建造都具有重要的参考价值。在2001年9.11事件中纽约世界贸易中心被恐怖分子摧毁。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023

上述建筑能达到如此新的高度，主要是因为采用了适应这种高度的新的结构体系，即60年代美国人坎恩（FailerKhan）提出的框筒体系，为建造超高层建筑提供了理想的结构形式。从这种体系衍生出来的筒中筒、多束筒和斜撑筒等体系，各有特色，将高层建筑的发展推向了新阶段。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023近年来，亚太地区经济迅速发展，1998年，在马来西亚吉隆坡建成当时世界上最高建筑——石油双塔（PetronasTwinTowers），88层，452米高。双塔在第60层、72层、82层、85层处收进，46层以下有两个圆形副楼。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023台北市国际金融中心是现在世界上最高的建筑，101层，508米。由李祖原建筑师事务所设计，耗资580亿新台币（合人民币144亿）1998年动工，2005年竣工，主体高448m，总高508m，高宽比7.2，地下5、主体91、屋顶10层，8度设防，T=7.02s§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023我国的现代高层建筑起步较晚，解放前，我国高层建筑很少，仅上海、天津、广州等少数城市有高层建筑，其中最高的是上海国际饭店，地上22层，地下2层，高82.51m。解放后，在50和60年代陆续建成了一些，如1959年建成的北京民族饭店，12层，高47.4m；1964年建成的北京民航大楼，15层，高60.8m等。70年代初期，我国在北京、上海、广州等几个大城市开始加速建造高层建筑，70年代以后的发展速度很快，大量建造的高层住宅，多数在10一30层之间，旅游饭店及办公楼也已有相当数量。目前，在许多中等城市及一些小城市也都已建造了高层建筑。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/202320世纪80年代末期积90年代，我国高层建筑进入飞速发展的时代，在数量、质量及高度上都有了迅猛的发展。如：1985年建成的我国当时最高建筑——深圳国际贸易中心，50层、158.65米。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/20231998年建成的上海金茂大厦，88层，高420米，美国SOM设计事务所设计，投资5．4亿美元。它是我国目前最高的建筑，世界第四，建筑面积29万平方米，88层包括52层办公用房34层旅馆用房。金茂大厦是中国建筑工程史上的里程碑。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/20231996年建成的深圳地王大厦，81层，高325米，高度至桅杆顶383.95米。地王大厦整个形体分为3个部分。主体为68层写字楼，立面由两个柱型塔组成；辅楼是一座33层、120米高的酒店式商务住宅，形体是两块板式叠合相错，中间一巨型门洞，贯通大厦南北；5层高的购物裙楼，将两个主体联接在一起。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023§1.2高层建筑结构的历史和现状香港中国银行大厦建于1989年。地上71层，高315m，天线顶端高368m。平面为正方形52×52m。底面为正方形，沿正方形对角线划分为4个等腰三角形，向上每隔若干层切去一个角区，仅一个角区到顶，上部结构为4个结合在一起，而高度递增不同的三棱柱组成。2/4/2023§1.2高层建筑结构的历史和现状2008年前建成使用的北京-央视新大楼，高230米，地上部分由5层楼群及30层的塔楼组成，14层悬挑75m，瑞士OMA公司雷姆·库哈斯和奥勒·舍仁（上海华东建筑设计研究院）设计。2/4/2023§1.2高层建筑结构的历史和现状2003年2月23日破土动工的上海环球金融中心，2008年建成，492m高，地上101层，地下3层，底部尺寸57.95m×57.95m，高宽比8.49，日资建造，美国KPF设计事务所设计（华东建筑设计院为设计顾问），采用中美规范。2/4/2023在20世纪，高层建筑发展集中在发达国家，主要在美国，纽约、芝加哥都有成片的高层建筑群。20世纪的末期，随着东南亚经济的腾飞，高层建筑迅速发展，东京、吉隆坡、新加坡以及我国的上海、北京、深圳、广州的高层建筑如雨后春笋般建造起来。高层建筑正有向亚洲转移的趋势。§1.2高层建筑结构的历史和现状2/4/2023现代高层建筑主要着重于使用功能，同时又充分表现美学功能。高层建筑往往成为现代城市的点缀或标志性建筑。为适应高层建筑多样化及高度不断增加的要求，在过去的100多年来，高层建筑结构的技术有了巨大发展，其发展包括材料、结构体系及施工技术等。§1.3现代高层建筑结构的发展2/4/2023现代高层建筑结构的材料主要有：钢筋混凝土、钢、钢一钢筋混凝土的组合（主要指钢筋混凝土核芯筒，外围钢框架柱或钢管混凝土柱）。高层建筑结构的材料主要是钢筋混凝土和钢。除了全部采用钢材的钢结构和全部采用钢筋混凝土的结构外，同时采用两种材料做成的混合结构在近年得到愈来愈广泛的应用。§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料2/4/2023钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可以浇注成各种复杂的断面形式，节省钢材，承载能力也不低。经过合理的设计，现浇钢筋混凝土结构具有较好的整体性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能方面，更是有着钢结构无法比的优势。其缺点是自重较大，抗震性能不如钢结构，建造高度也不如钢结构。近年来开始采用高强混凝土，并且改进了结构体系，钢筋混凝土的建造高度也逐渐增加，钢筋混凝土结构仍将是今后高层建筑的主要结构体系。1、钢筋混凝土结构§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料2/4/20232、钢结构§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料钢材强度高、韧性大、易于加工。钢结构构件可以在工厂加工，缩短了现场施工工期，施工方便。高层钢结构具有结构断面小、自重轻、抗震性能好等优点。但是，高层钢结构用钢量大，造价高，而且钢材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐处理，增加了工程工期和造价。2/4/2023将型钢布置在构件内部，外部由钢筋混凝土做成，或者是在钢管内部填充混凝土，做成钢—混凝土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互补，结构具有很好的抗震性能，建造高度可与钢结构相当。经济合理、技术性能优良的钢—混凝土组合结构，是目前的发展趋势。吉隆坡的石油大厦，就是这种结构形式。3、钢—混凝土组合结构§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料2/4/2023在国内，绝大多数高层建筑都是采用钢骨混凝土结构，极少数采用钢结构，但由于我国钢产量已有相当数量，要求逐步推广钢结构。我国钢结构设计、钢构件加工及安装技术都已成熟，钢骨混凝土、钢管混凝土构件的研究和应用也正在蓬勃发展，混合结构应用已有相当多数量。§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料2/4/2023

进入上世纪90年代。值得注意的发展趋势是原来从高层钢结构起步的美国和日本，钢筋混凝土高层建筑也迅速发展起来。主要原因是：钢筋混凝土结构整体性好，刚度大，变形小；阻尼比高，舒适性佳；且钢筋混凝土结构耐腐蚀、耐火、维护方便、造价低。§1.3现代高层建筑结构的发展一、高层建筑的材料2/4/2023§1.3现代高层建筑结构的发展二、世界高层建筑比较2/4/2023预测今后高层建筑结构的发展趋势如下：（1）新材料的开发和应用（2）高层建筑的高度将出现突破（3）组合结构高层建筑将增多（4）新型结构形式的应用将增多（5）耗能减震技术的应用将得到发展

§1.3现代高层建筑结构的发展三、高层建筑结构的发展趋势2/4/2023§1.3现代高层建筑结构的发展三、高层建筑结构的发展趋势阿联酋迪拜布吉大楼，高700-800米，有160-200层，它将成为世界上最高的人工建筑，大楼建设所用的混凝土数量同10万头大象一样重，并拥有世界上升速度最快的电梯———时速达到40英里（约64公里）每小时。2/4/2023

日本从20世纪80年代开始，在高层建筑结构的抗风和抗震控制中，大胆地使用了结构主动控制技术和混合控制技术，代表了现代机械和电子技术在高层建筑工程中的应用方向。拟建中的日本“动力智能大厦-200”，地上200层，高800米。日本拟建的“空中城市”，高度将超过1000m。§1.3现代高层建筑结构的发展三、高层建筑结构的发展趋势2/4/2023§1.3现代高层建筑结构的发展三、高层建筑结构的发展趋势日本大成建筑公司正构想在东京建造“X-Seed4000”摩天巨塔—一座4000米高、拥有800层楼、可住100万人的超级建筑。这座摩天巨塔仿照富士山形状建造，但要比富士山还高213米。2/4/2023相关课程：高等数学

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建筑结构抗震§1.4高层建筑结构的学习2/4/2023相关的设计标准《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》《混凝土结构设计规范》《钢结构设计规范》《建筑抗震设计规范》《建筑结构荷载规范》§1.4高层建筑结构的学习2/4/2023注意：1.数学与力学知识的运用；2.简化计算模型的建立；3.结构总体特点的把握；4.对基本假定的深入理解。§1.4高层建筑结构的学习2/4/2023由于目前计算机应用程序的发展以及各种结构设计软件的出现，绝大部分的高层建筑结构设计都是通过设计软件来完成的，然而大量的工程实践告诉我们，结构的概念设计更加重要，结构体系的选用和结构布置往往对设计起着决定的作用。§1.4高层建筑结构的学习

因此，对土木工程专业学生来说，只有掌握了扎实的高层建筑结构设计的基本知识，才能在今后的工作中正确地运用各种设计软件完成一个个有自己创新特点的建筑工程的设计。2/4/2023教学参