建筑結(jié)構(gòu)：高層建筑結(jié)構(gòu)選型

1、高層建筑結(jié)構(gòu)選型什么是高層建筑 高層建筑是一種它的高度強烈地影響其規(guī)劃、設(shè)計、構(gòu)造和使用的建筑。 高層建筑可以定義為必須著重考慮側(cè)向荷載和重力荷載組合影響的建筑物。要求有足夠的承載能力，也要有足夠的抗側(cè)移剛度豎向體系的作用是承受豎向荷載水平荷載滿足承載力和正常使用極限狀態(tài)傳給基礎(chǔ)高層建筑結(jié)構(gòu)類型高層建筑的受力特點高層建筑結(jié)構(gòu)的基本要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系梁、柱尺寸的估算高層建筑結(jié)構(gòu)類型高層建筑結(jié)構(gòu)類型以材料劃分：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)混凝土-鋼結(jié)構(gòu)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)目前高層建筑的發(fā)展趨勢高強混凝土、鋼管混凝土和型鋼混凝土的應用 鋼筋混凝土與純鋼結(jié)構(gòu)相比，整體性好，剛度大、側(cè)移小，耐腐蝕、耐火，維護費用

2、低，造價低于鋼結(jié)構(gòu)。但材料強度低，因此自重大，地震作用大。新結(jié)構(gòu)體系廣泛應用：巨型結(jié)構(gòu)體系水平荷載成為設(shè)計的控制因素側(cè)移成為高層建筑的控制指標高層建筑的受力特點軸力 N = WH彎矩 M =qH2 /3側(cè)移=11qH4 /120EI以懸臂構(gòu)件為例，由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與建筑的高度成正比；由水平荷載產(chǎn)生的彎矩與高度的二次方成正比，柱的配筋一般由水平荷載產(chǎn)生的彎矩控制；而水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向位移則與高度的四次方成正比。過大的側(cè)移會使人感覺不適；會使填充墻或建筑裝修出現(xiàn)裂縫、損壞；甚至會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、損壞。必須把結(jié)構(gòu)的側(cè)移限制在允許的范圍內(nèi)。 高層建筑結(jié)構(gòu)的基本要求一. 房屋的體形1. 從抗風要

3、求考慮（1）平面形狀對稱平面：盡量采用方形、矩形、圓形、正六邊形、正八邊形、橢圓形等雙軸對稱的平面。以避免由于平面形狀不對稱在風荷載作用下所發(fā)生的扭轉(zhuǎn)振動。流線型平面：采用流線型平面可以降低風對高層建筑的作用。法國的法蘭西大廈采用橢圓形平面，經(jīng)過計算其風荷載比矩形平面時約減少27%。一般情況下，圓形、橢圓形等流線型平面，與矩形平面相比，風荷載約可減少20%40%。(2)立面采用上小下大的截錐狀體型，減少上部風載和風載引起的傾覆力矩及位移。經(jīng)計算，40層樓，當采用立面傾斜8%的角錐狀，其側(cè)移可比棱柱體減少約50%。建筑的高寬比應符合我國的規(guī)范要求利用高層建筑的設(shè)備層等形成透空層，減少風壓美國舊金

4、山：體形逐漸收縮 把房屋體形做成三角形或金字塔形還降低了水平力作用點，對提高抗側(cè)能力也是很有效的。美國：體形逐漸收縮 若將結(jié)構(gòu)寬度沿房屋高度做成上窄下寬，與懸臂柱的彎矩圖相似，則無論對結(jié)構(gòu)承載力或結(jié)構(gòu)剛度都有很好的效益。香港中國銀行大廈 大廈平面為正方形( 52 m52 m )，沿對角線方向分為四個三角形區(qū)，向上每隔若干層就切去一個三角形區(qū)，最終 44 層以上剩四分之一，為三角形，直至屋頂。 建筑方案由著名美藉華人建筑師貝聿銘先生構(gòu)思設(shè)計。大樓內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)為八榀巨型桁架，其中四榀沿房屋正方形平面的周邊布置，另四榀沿對角線方向布置。香港匯豐銀行大廈透空層2. 從抗震要求考慮(1)平面簡單平面：可

5、使水平地震作用沿平面分布均勻，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動平面的質(zhì)量和剛度對稱：平面的質(zhì)量和剛度不對稱的建筑在水平地震作用下易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中心應與水平力的合力作用線接近。(2)立面 a.建筑的立面應采用矩形、梯形、三角形沿高度均勻變化的簡單幾何圖形，避免有過大的內(nèi)收和外挑。對于立面收進應滿足下列要求：當H1/H0.2時，B1不宜小于0.75 B；當B1B時，B不宜小于0.9 B1，且a不宜大于4 m。b.結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應沿高度均勻變化，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的截面由下至上逐漸減小，不得中斷和突變。c.為了減小房屋在水平荷載作用下的側(cè)向位移和傾覆力矩，高層建筑的最大高寬比應符合規(guī)范要求。二.變形（側(cè)向

6、位移）要求高度不大于150 m的高層建筑，層間相對位移u/h不宜大于下表限值；結(jié)構(gòu)類型 u/h限值框架 1/550框架-剪力墻、框架-核心筒、板柱-剪力墻1/800筒中筒、剪力墻1/1000框支層1/1000三.結(jié)構(gòu)體系與高度的關(guān)系結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力(由弱到強）： 框架結(jié)構(gòu)-框架-剪力墻結(jié)構(gòu)- 剪力墻結(jié)構(gòu)-筒體結(jié)構(gòu)A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度（m）結(jié)構(gòu)體系非抗震設(shè)計抗震設(shè)計6度7度8度9度框架7060554525框架-剪力墻14013012010050剪力墻全部落地剪力墻15014012010060部分框支剪力應采用筒體框架-核心筒1601501301007

7、0筒中筒20018015012080板柱-剪力墻70403530不應采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系框架結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)是由板、梁、柱組成的受力體系。1. 框架結(jié)構(gòu)的受力特點 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，當建筑高度增大，水平荷載控制，采用框架結(jié)構(gòu)會造成梁、柱的截面很大才能滿足結(jié)構(gòu)的強度和側(cè)向剛度的要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)向變形屬于剪切型變形，結(jié)構(gòu)層間位移自上而下逐層增大，層間位移最大在底層，最小在頂層。 芝加哥（Chicago）湖點大廈（Lake point tower） 結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度不足， 在風荷載作用下房屋底下幾層層間位移過大，造成玻璃幕墻破碎。2.框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及應用范圍優(yōu)點：平面布置靈活，

8、可提供較大的使用空間，自重輕，整體性好，抗震性能好，易于改變其使用功能。缺點：剛度差，側(cè)移大，模板多，施工復雜。應用范圍：民用建筑中的辦公樓、賓館、醫(yī)院、學校、商店、住宅等，工業(yè)建筑中的多層輕工業(yè)廠房。在非地震區(qū)可用到15層，通常情況下，10層左右時經(jīng)濟和使用效果較好?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)1.體系構(gòu)成框架剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架體系的基礎(chǔ)上，增設(shè)一定數(shù)量的鋼筋混凝土墻所構(gòu)成框架、墻雙重體系。由于鋼筋混凝土墻的側(cè)向剛度很大，水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平剪力主要由它承受，所以稱為剪力墻。在地震區(qū)，由于水平剪力因地震作用引起，所以剪力墻也稱為抗震墻。2. 框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及應用范圍優(yōu)點：（1）側(cè)向剛度較框架結(jié)

9、構(gòu)大，水平側(cè)移小。（2）在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻融為一體，協(xié)同工作，取長補短，使結(jié)構(gòu)受力更為合理。缺點是由于布置了剪力墻，與框架結(jié)構(gòu)相比其平面布置的靈活性受到限制。應用范圍：框架剪力墻結(jié)構(gòu)一般適用于10 25層的公寓、賓館、辦公樓、綜合樓等建筑中。3. 結(jié)構(gòu)布置設(shè)置剪力墻應注意：在地震區(qū)沿縱橫兩個方向都應布置剪力墻；每個方向的剪力墻應盡量按照“分散、均勻、周邊、對稱”的原則設(shè)置。江蘇淮陰市物質(zhì)貿(mào)易中心，地面以上13層，高50m，蝶形平面，7度抗震設(shè)防，墻160 250mm。剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點及優(yōu)缺點當房屋的層數(shù)很多(一般25層以上)時，為了抵抗水平荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力和位移，剪

10、力墻的數(shù)量和厚度都要大量增加，以至整個房屋的框架所剩很少。為了施工方便，常采用全鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)是將房屋的內(nèi)外墻做成鋼筋混凝土墻，用以承受豎向荷載和水平荷載。剪力墻結(jié)構(gòu)雖然比框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度有很大增加，但它存在明顯的缺點是建筑平面被劃分為小開間，使建筑布置和使用要求受到一定限制。在需要大空間的公共建筑，就只能將大空間部分從高層中移出，設(shè)在“裙樓”中，或采用轉(zhuǎn)換層。剪力墻結(jié)構(gòu)一般用于25層以上、要求空間較小且規(guī)則的高層建筑中，例如住宅、公寓、賓館較為適宜。北京 國際飯店1987 年建成，高104 m，3+31 層，R.C.剪力墻結(jié)構(gòu)北京 國際飯店北京西苑飯店地下三層

11、，地上29層，高93m，8度抗震設(shè)防，采用小墻距橫墻方案。墻厚180 400mm。廣州白云賓館 1976 年建成，高115 m，33 層，剪力墻結(jié)構(gòu)。白云賓館廣州白天鵝賓館，大間距縱橫墻承重方案。地下一層，地上33層，另有頂層三層塔樓，最高點為100m,標準層層高2.8m，7度抗震設(shè)防。墻厚200 350mm,翼緣部分厚度為450mm。筒式結(jié)構(gòu)體系1.筒式結(jié)構(gòu)體系的特征筒式結(jié)構(gòu)體系是指由一個或幾個筒體作豎向受力結(jié)構(gòu)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。它主要靠筒體承受水平荷載，具有很好的空間剛度和抗震能力。它是目前最先進的建筑結(jié)構(gòu)體系之一。筒式結(jié)構(gòu)由于剪力墻集中而獲得較大的空間，使平面布置具有良好的靈活性，所以

12、適用于辦公樓、各種公共建筑及商業(yè)建筑。2. 筒式結(jié)構(gòu)體系的型式(1). 芯筒框架體系這種體系是將所有服務性用房和公用設(shè)施（例如電梯間、設(shè)備管井等）集中布置在樓層平面的核心部位，形成一個較大的服務區(qū)，在服務區(qū)周圍設(shè)置鋼筋混凝土墻體，形成豎向的墻筒，即芯筒。它和外部的框架共同組成的結(jié)構(gòu)體系稱為芯筒框架體系。高29層的上海聯(lián)誼大廈標準層結(jié)構(gòu)平面，芯筒是一個立體構(gòu)件，具有很大的抗側(cè)移剛度和強度，它承擔房屋的大部分水平荷載。南京 金陵飯店上世紀八十年代南京最高樓內(nèi)筒外框體系1981興建的南京金陵飯店，方形平面，地面以上39層，高 108m，芯筒的高寬比為8.5, 芯筒周邊墻體厚度為250 500mm。1

13、988年興建的青島保險公司辦公樓，平面為等邊三角形切角。芯筒墻厚200 350mm，柱截面700mm700mm。地下兩層，地上19層， 7度抗震設(shè)防。 上海靜安區(qū)：希爾頓飯店 高 114 m，R.C.筒體鋼框架組合體系 由于筒體承受幾乎全部水平荷載，框架只需承受豎向荷載，框架柱截面一般較小。 鋼筋混凝土核心筒-鋼框架體系(框架柱截面很小)希爾頓飯店上海希爾頓飯店 采用壓型鋼板組合梁樓蓋，壓型鋼板既是模板，又是配筋；混凝土板還是T形組合梁的翼緣。上海希爾頓飯店：壓型鋼板組合梁樓蓋 (2).剛臂芯筒框架體系芯筒框架體系的一種。對于很高層的建筑，例如40層以上的辦公建筑中，集中布置在核心筒內(nèi)的服務性

14、面積不會太多，一般只有15% 20%，筒的平面尺寸受到限制，芯筒的高寬比就可能很大，筒的抗側(cè)移剛度相應減小，使框架的負擔增加。為了增加芯筒的抗側(cè)移能力，沿高度每隔20層左右，在設(shè)備層、避難層或轉(zhuǎn)換層，由芯筒伸出縱、橫向剛臂與結(jié)構(gòu)的外圈框架柱相連，并且沿外圈框架設(shè)置一層樓高的圈梁或桁架，形成剛臂芯筒框架體系。廣州市天河娛樂廣場大樓，正方形平面，地下三層，地上33層，高度132.8m,主體結(jié)構(gòu)采用剛臂芯筒框架體系。第21層（避難層）按井字設(shè)8片剛臂和一圈剛性環(huán)梁，頂層也設(shè)有剛臂。框架柱截面為1000mm1000mm 1800mm1800mm,剛臂截面為：頂層800mm2500mm;第21層800m

15、m1400mm。(3).主次框架體系（巨型框架體系）主次框架體系是把結(jié)構(gòu)體系中的框架部分設(shè)計成主框架和次框架。主框架是一種大型的跨層框架，每隔若干層設(shè)置一根大截面框架梁，每隔3 4個開間設(shè)置一根大截面框架柱。主框架大梁之間的幾個樓層，另設(shè)置柱網(wǎng)尺寸較小的次框架。次框架僅承受這幾層的豎向荷載，并把它傳給主框架。水平荷載通過樓蓋傳給主框架，全部由主框架承受。 次框架梁、柱的截面可以做得很小,由于主框架各層大梁之間的次框架相互獨立，可以布置不同的柱網(wǎng)，以滿足不同建筑功能對使用空間的要求。主次框架體系也稱為巨型結(jié)構(gòu)體系或多重結(jié)構(gòu)體系。主次框架體系中，考慮到經(jīng)濟與合理，主框架梁、柱的截面不可能很大，因此

16、它的抗側(cè)力剛度是有限的，它能抵抗的水平荷載也是有限的。在高層建筑中，主次框架體系一般和剪力墻或筒體組成類似于框架剪力墻或筒框架體系。深圳新華大廈為正方形平面，地面以上35層。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土主次框架體系，由芯筒和外圈的大型框架組成。從下到上分別隔3層、9層、10層設(shè)鋼筋混凝土大截面梁，與四根角柱構(gòu)成主框架。 巨型框架的橫梁可以為各種大型水平結(jié)構(gòu)。它利用整個樓層高度作為“梁”高，可以是箱形截面梁或桁架；巨型框架的立柱一般為筒體結(jié)構(gòu)。巨型框架利用了把荷載集中在主要承重結(jié)構(gòu)上的概念，其它柱子不必從頂通到地。每個小柱只需承受大橫梁之間少數(shù)幾層荷載，截面可以做得很??；采用巨型框架結(jié)構(gòu)，巨型橫梁下的

17、樓層沒有中間小柱，可以布置餐廳、會議廳、舞廳、游泳池等需要大空間的樓層。 深圳亞洲大酒店，建于 1990 年，平面為 Y 形，地上 37 層，地下一層，高 114 m，由中央筒（電梯井）和三個端筒組成巨型框架柱。每六層設(shè)巨型框架梁，梁高 2 m。 (4).框筒結(jié)構(gòu)體系由密柱深梁型框架圍成的筒體稱為框筒。由外圈框筒和內(nèi)部框架所組成的結(jié)構(gòu)體系，稱為框筒結(jié)構(gòu)體系。框筒雖然是由四片框架圍成，但其功能與框架大不相同。一般框架在水平荷載作用下，僅平行于荷載方向的兩片框架承受水平力，垂直于荷載方向的兩片框架不參與工作。而由四片密柱深梁型框架圍成的框筒，不論水平荷載來自任何方向，四片框架均參與工作。因此，框筒

18、比一般框架適用于更多層數(shù)的建筑。由密柱深梁型框架圍成的筒體其側(cè)向剛度畢竟比墻圍成的筒體要小，所以框筒結(jié)構(gòu)體系一般適用于30層以下的建筑，其優(yōu)點是平面布置較靈活，可以提供較大的空間?？蛲驳钠矫嫘螤睿阂詧A形、正方形、正多邊形為最好，橢圓形、矩形、切角正三角形次之，其他形狀都較差。外框筒的平面尺寸：垂直于水平荷載方向的框筒邊長不應超過45m，若為矩形平面，長邊與短邊的比值一般不宜大于1.5，在任何情況下均不應大于2?？蛲驳闹嗖灰舜笥?m,也不宜大于層高；梁高一般為1 1.5m,在任何情況下都不應小于0.6m；立面開洞率不宜大于40%，在任何情況下都不應超過50%。(5).筒中筒結(jié)構(gòu)體系筒中筒結(jié)構(gòu)體

19、系是指由兩圈或兩圈以上的筒體組成的結(jié)構(gòu)體系。筒中筒結(jié)構(gòu)體系的外筒，由于要考慮門、窗的設(shè)置，一般采用框筒，內(nèi)筒可以是墻筒，也可以是框筒。筒中筒結(jié)構(gòu)體系，由于其內(nèi)部為內(nèi)筒而非框架，所以比框筒結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度大；由于其芯筒外是框筒，因此其側(cè)向剛度也較芯筒框架體系大。筒中筒結(jié)構(gòu)體系常用于40層以上的超高層建筑。 建于廣州市的廣東國際大廈，地面以上高63層，196m,底層層高4m，標準層層高3m，7度抗震設(shè)防。外框筒平面尺寸為35.1m37m，內(nèi)墻筒平面尺寸為17m23m。底層內(nèi)筒墻厚800mm，外框筒柱截面1200mm1700mm,梁截面尺寸為 1700mm1200mm，樓板厚220mm,采用無粘結(jié)預應力混凝土平板。筒中筒結(jié)構(gòu)的外框筒為密柱，而在高層建筑的底層由于有大量人流進出，需要大的門口和通道，這樣往往要擴大底層柱距，以解決這一矛盾。目前的處理辦法有：轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換桁架、連續(xù)拱、過渡層、合并柱等。古代拱式轉(zhuǎn)