高层建筑结构体系的确定

高层建筑结构体系的确定与布置

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筑长宽比当建筑物的高度一定时，随着长宽比的加大，考虑偶然偏心作用对内力的影响也在加剧；当长宽比一定时，随着建筑物高度的增加，考虑偶然偏心作用对结构效应的影响在减少。高层建筑长宽比的计算长宽比越大建筑越窄，楼板变形会增大、结构整体性连接降低、振动不协调增加。高层建筑规则性平面布置平面宜简单、规则、对称、减少偏心；

平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过长.平面布置不规则平面布置不规则判断平面布置不规则判断高层建筑规则性--结构竖向布置结构竖向布置的原则是刚度均匀连续，避免刚度突变。在结构竖向刚度有变化时要做到由上到下刚度逐渐变化，尽量避免在结构的某个部位出现薄弱层。避免结构顶部的局部突起引起“鞭梢效应”。竖向不规则高层建筑5个性能需求指标高层建筑5个指标高低的判断高层建筑结构体系应符合的要求结构性能影响因素高层建筑结构体系确定方法计算确定结构体系结构方案的技术关键大量的统计数据和实践都表明，项目策划、方案设计、初步设计、施工图设计等前期策划和设计阶段影响整个建设项目投资的可能性在80%以上。结构成本占到建安成本的40%至60%。结构成本还常常由于策划及设计管理的好坏出现非常大的波动。结构体系设计成功实例马那瓜美洲银行

实例-马那瓜美洲银行

1972年12月23日尼加拉瓜首都马那瓜发生罕遇的强烈地震，5000多人死亡，市区1万多栋楼房灵为平地。而马那瓜当时最高的建筑，林同炎教授于1963年设计的18层、61m高的美洲银行——一栋钢筋混凝土塔楼，虽位于震中，在楼前的街道上出现了13mm宽的地裂缝，承受着比当时设计规范(UBC，美国统一建筑规范)所要求的地面运动水平加速度0.06g大6倍的地震强度(0.35g，相当于里氏6.3～6.5级)而未倒塌，甚至未严重破坏。马那瓜中央银行大厦试问：那一幢破坏严重呢？马那瓜美洲银行大厦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----马那瓜美洲银行马那瓜美洲银行大楼分析

美国ATC规程编制者RonaldSharpe所言：“到目前为止，抗震设计尚不能称之为一门科学，而是一门艺术，很多问题的解决要靠工程判断”。伯克利加州大学的教授V．Bertero在震后对这幢建筑作了动力分析。当核心筒连梁破坏后，四个L型角筒独立作用时，结构的自振周期和顶部位移明显加大，而基底剪力和倾覆力矩却明显减小。马那瓜美洲银行大楼分析

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正确的判断力对结构起着重要作用现今的设计虽受规范条文的限制，但设计者必须通过思考和判断去了解其内容、吃透其中的实质含义，而不是仅仅去满足允许的最低限值。[英国]ChasE．Reynolds工程师所掌握的最佳计算方法，应该是运用最简单、最直接的计算方法。切忌使用概念含糊不清的计算方法。[英国]A．L．L．Baker应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但更需要运用正确的判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新材料和更大跨度的时候。[美国]林同炎变形缝的设置防震缝在地震作用下，特别不规则结构的薄弱部位容易造成震害，可咀用防震缝将其划分为若干独立的抗震单元，使各个结构单元成为规则结构。伸缩缝为了避免收缩裂缝和温度裂缝，房屋建筑可以设置伸缩缝。我国规范规定，现浇钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构伸缩缝的最大间距分别为55m和45m，框架一剪力墙结构伸缩缝的最大间距可根据具体情况介于45m和55m之间。沉降缝许多高层建筑由主体结构和层数不多的裙房组成，裙房和主体结构的高度及重量相差悬殊，可采用沉降缝将裙房和主体结构从顶层到基础全部断开，使各部分自由沉降，避免由沉降差引起裂缝或破坏。抗震设防的结构，沉降缝的宽度应符合防震缝最小宽度的要求。基础形式上海环球金融中心大厦

工程概况

上海环球金融中心大厦系一幢以办公为主，集商贸、宾馆、观光、展览及其它公共设施于一体的大型超高层建筑。主楼地下3层，地上101层，地面以上结构高度492m。大楼建筑面积为252935m2，裙房为33370m2，地下室为63751m2，合计约35万m2。此工程由日本森大厦株式会社一级建筑师事务所（MoriBuildingArchitects&Engineers）负责总设计和审查；由美国KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑师事务所负责建筑设计；美国赖思里.罗伯逊联合股份有限公司（LeslieE.RobertsonAssociates）负责结构设计。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002），其结构高度492m超过了型钢混凝土框架－钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值，同时高宽比8.49超过了设防烈度7度的上海地区高宽比限值为7的要求。上海环球金融中心结构体系由巨型柱、巨型斜撑构成的巨型框架-支撑结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架组成。有7道加强层的框架-支撑巨型框架-混凝土核心筒结构核心筒在57层-60层及78层-79层楼层处进行了二次转换,内部核芯筒由平面形状不同的低筒、中筒和上部筒组成；伸臂桁架在核心筒内不贯通；由于考虑到建筑立面效果和采光的要求，巨型斜撑采用的是单向斜撑。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上海环球金融中心

结构规则性判断建筑平面为59.95m

59.95m的正方形形状规则，无局部凸凹；建筑的立面形状逐渐变化，无过大外挑和内收。上海环球金融中心的平面布置和竖向体型无明显的不规则性。核芯筒竖向布置不连续，不符合竖向抗侧力构件宜上下连续贯通的要求。带状桁架、伸臂桁架和核芯筒内的转换桁架等结构加强层，使得结构的楼层侧向刚度沿竖向分布不均匀。结构高度、高宽比超限。上海环球金融中心的高度和高宽比远远超过了规范限值；且结构竖向变化较大；筒体多次转换；多重结构体系混用，是属于特别复杂的超高层结构体系。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超限上海虹口中信城

地上47层.高度230米.总建筑面积14万m2建筑结构方案建筑：平面、立面规则；刚度、质量分布均匀。高度230米：满足300（抗震），160（190）（高层混规），180（高层混规）；高宽比5小于6.5（抗震），5（高层钢规），7（高层混规）；长宽比1.04结构体系：有四道加强层的框架-核心筒结构；构件布置均匀对称。平面布置调整前后调整结果和效果调整结果楼板由156mm改为120mm；钢骨混凝土柱改为钢管混凝土柱，柱距离从5000m多调整为10000m多；剪力墙有1000-800-700mm厚度变化改为