高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)第1章高層建筑結(jié)構(gòu)概述精選課件

1、第1章 高層建筑結(jié)構(gòu)概述 本章提要：了解高層建筑概念；熟悉高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況；掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要影響因素。第1章 高層建筑的發(fā)展和結(jié)構(gòu)體系 1.1高層建筑概念 1.2高層建筑的發(fā)展概況 1.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素 1.1高層建筑概念什么是高層建筑？ 1884年美國在芝加哥修建第一座11層的建筑被認(rèn)為是現(xiàn)代高層建筑開端。高層建筑結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與世界上各個國家和地區(qū)的地理環(huán)境、地震烈度、建筑材料、建筑技術(shù)、電梯的設(shè)置標(biāo)化準(zhǔn)以及防火的特殊要求等很多因素有關(guān)。1.1高層建筑概念根據(jù)1972年聯(lián)合國教科文組織所屬的世界高層建筑委員會的建議，一般將9層及其以上的建筑定義為高層建筑，并根據(jù)

2、建筑層數(shù)和高度劃分為四類： 第一類，916層，高度不超過50m； 第二類，1725層，高度不超過75m； 第三類，2640層，高度不超過100m； 第四類，40層以上，高度超過100m以上。1.1高層建筑概念世界各國關(guān)于高層建筑的規(guī)定 美國規(guī)定2225m以上，或7層以上建筑物為高層建筑； 英國規(guī)定24m以上建筑物為高層建筑； 法國規(guī)定28m以上，居住建筑高度在50m以上建筑物為高層建筑； 日本規(guī)定高層31m以上，或8層以上建筑物為高層建筑；世界上許多國家將超過100m的高層建筑物定義為超高層建筑。1.1高層建筑概念在迪拜哈利法塔竣工前，世界上還從沒有過600米以上的高樓。然而現(xiàn)在看，在2020

3、年之前至少會有8座這樣的高樓矗立在全球各地?！俺邔印保ㄖ父叨仍?00米以上的建筑）這個名詞將不足以描述這類建筑：因?yàn)槲覀冞M(jìn)入了一個“極高層”時(shí)代。“極高層”這個詞被芝加哥高層建筑與都市環(huán)境學(xué)會（CTBUH）正式用來描述高度超過600米或者達(dá)到超高層建筑兩倍的高層建筑（見圖）。1.1高層建筑概念我1.1高層建筑概念我國關(guān)于高層建筑的規(guī)定 住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)定（ GB 50096-2019（2019年版）中規(guī)定：1116層的住宅為中高層住宅，1630層的住宅為高層住宅。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般情況是按高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2019）的規(guī)定來劃分高層建筑的。 1.2 高層建筑的發(fā)展簡況

4、高層建筑產(chǎn)生緣由 產(chǎn)業(yè)革命，大工業(yè)興起，城市人口劇增，地價(jià)昂貴； 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展，高強(qiáng)輕質(zhì)新材料的出現(xiàn)，機(jī)械化電氣化的應(yīng)用； 上述因素等為高層建筑發(fā)展提供必要的物質(zhì)條件和理論基礎(chǔ)高層建筑的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省城建投資；缺點(diǎn)：防火要求較高。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況城市中的高層建筑是城市經(jīng)濟(jì)繁榮和社會進(jìn)步的重要標(biāo)志，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，要求建筑物所能達(dá)到的高度和規(guī)模不斷增加。國外高層建筑的發(fā)展一般劃分為三個階段。第一階段，在19世紀(jì)中期之前 歐洲和美國一般只能建造層數(shù)6層左右的建筑，其主要原因是缺少材料和可靠的垂直運(yùn)輸系統(tǒng)。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況第二階段，從19世紀(jì)中葉開始到20世

5、紀(jì)50年代 世界上第一幢高層建筑是美國于1885年興建的芝加哥家庭保險(xiǎn)公司大樓（Home Insurance Building，11層，55M）。 高層建筑發(fā)展很快，19世紀(jì)末，高層建筑高度已突破100M大關(guān)。 20世紀(jì)初，大量的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑在美國建成，超過200M的高層建筑已有10幢，其中最為突出的是1931年建成的紐約市帝國大廈（Empire State Building,102層，381M），它保持世界最高建筑的記錄長達(dá)41年之久。 1.2 高層建筑的發(fā)展簡況帝國大廈102層，381m（Empire State Bui1ding）家庭保險(xiǎn)大樓 11層（Home Insurance Bu

6、ilding）1.2 高層建筑的發(fā)展簡況第三階段，從20世紀(jì)50年代開始 高層建筑進(jìn)入一個新的發(fā)展時(shí)期，高層建筑出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)體系。1974年美國建成芝加哥西爾斯大廈（Sears Tower,110層，443M），其高度居世界最高水平達(dá)20年。 20世紀(jì)80年，高層建筑雖然在高度未有新的突破，但其風(fēng)格有了新的變化，并醞釀著更高建筑。 美國是世界上高層建筑最多的國家，據(jù)有關(guān)專家分析，目前，其超高層建筑總數(shù)占據(jù)世界第一。 1.2 高層建筑的發(fā)展簡況帝國大廈102層，381m（Empire State Bui1ding）西爾斯大廈110層，443M（Sears Tower）1.2 高層建筑的發(fā)展簡況美

7、國在高層方面的優(yōu)勢正在逐漸被改變，如表1.1和圖1.3所示。在世界20座最高建筑中，東南亞地區(qū)與美國平分秋色，在已建成的高層建筑中，臺北101大廈（Taipei 101，地上101層，地下5層，508m），是目前全球最高的摩天大樓。由表1.1還可以看到，在當(dāng)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年代達(dá)11座、2000年以后建成為4座。在世界高樓向高度發(fā)展的歷史進(jìn)程中，最近的十年多建成的高層建筑超過了以往的數(shù)十年。表1.1 全球最高建筑前10位 序號建筑名稱層數(shù)高度/m竣工年份1臺北臺北10110150820192吉隆坡石油大廈8845220193芝加哥

8、西爾斯大廈10844319744上海金茂大廈8842120195香港國際金融中心8841520196廣州中信廣場8039120197深圳地王大廈6938420198紐約帝國大廈10238119319香港中環(huán)廣場78374199210香港中國銀行大廈7236919901.2 高層建筑的發(fā)展簡況1.2 高層建筑的發(fā)展簡況目前我國高層建筑的發(fā)展特點(diǎn)：層數(shù)不斷增多，高度不斷加大高層建筑向多用途、多功能方向發(fā)展平面布置和立面體型日益復(fù)雜化結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化高強(qiáng)材料和新技術(shù)的應(yīng)用玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平迅速提高設(shè)計(jì)規(guī)程的不斷完善1.2 高層建筑的發(fā)展簡況中國七大500米以上在建超高層建筑進(jìn)展?fàn)顩r深

9、圳平安金融中心（660m），2009年開工，2019年竣工（計(jì)劃）。上海中心大廈（632m）， 2019年開工，2019年12月封頂， 2019年竣工。武漢綠地中心（606米），2019年開工，2019年竣工。天津117大廈（597米），2019年開工，2019年竣工。廣州東塔（530米）， 2009年開工，2019年竣工中國尊（Z15）（528米），2019年動工，2018年竣工，北京第一高樓。蘇州中南中心（729米）， 2019年9月動工。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況目前我國高層建筑的發(fā)展特點(diǎn)：層數(shù)不斷增多，高度不斷加大高層建筑向多用途、多功能方向發(fā)展平面布置和立面體型日益復(fù)雜化結(jié)構(gòu)體系日趨

10、多樣化高強(qiáng)材料和新技術(shù)的應(yīng)用玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平迅速提高設(shè)計(jì)規(guī)程的不斷完善1.2 高層建筑的發(fā)展簡況目前我國高層建筑的發(fā)展特點(diǎn)：層數(shù)不斷增多，高度不斷加大高層建筑向多用途、多功能方向發(fā)展平面布置和立面體型日益復(fù)雜化結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化高強(qiáng)材料和新技術(shù)的應(yīng)用玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平迅速提高設(shè)計(jì)規(guī)程的不斷完善1.2 高層建筑的發(fā)展簡況1.2 高層建筑的發(fā)展簡況阿聯(lián)酋“迪拜塔”成世界最高(2019年7月23日) 阿聯(lián)酋迪拜在建的摩天大廈“迪拜塔”20日高度達(dá)到512.1米，成為世界第一高樓。之前的世界第一高樓是中國臺北的101大樓。據(jù)報(bào)道，“迪拜塔”開發(fā)商艾馬爾地產(chǎn)公司發(fā)表聲明說，

11、“迪拜塔”已建部分的高度20日超過了臺北101大樓。報(bào)道說：“（迪拜塔）僅用1276天就成為了世界第一高樓?！弊?019年1月工程開始以來，開發(fā)商一直沒有透露“迪拜塔”的最終高度和確切樓層數(shù)。預(yù)計(jì)明年完工。到2019年底竣工時(shí)，“迪拜塔”的耗資將達(dá)到10億美元，高度將超過700米，樓層數(shù)超過160層。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況阿聯(lián)酋迪拜塔取代101大廈成為世界第一高樓 1.2 高層建筑的發(fā)展簡況世界最高建筑為臺北101大樓，高度508米，囊括了高度項(xiàng)目中3個第一，包括“世界最高建筑物”、“世界最高使用樓層”、“世界最高屋頂高度”。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況石油大廈國家石油公司雙峰塔摩天大廈國油

12、雙峰塔樓高452米、95層位于馬來西亞首都吉隆坡市中心鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)1.2 高層建筑的發(fā)展簡況2019年8月28日，高達(dá)492米的上海環(huán)球金融中心（SHANGHAI WORLD FINACIAL CENTER ）正式宣布落成啟用，從而超越421米的金茂大廈成為我國大陸目前最高的在用建筑。位于上海浦東新區(qū)陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)的上海環(huán)球金融中心地上101層、地下3層，總建筑面積38.16萬平方米。其中地下2層至地上2層為車庫和配套商業(yè)設(shè)施，3至5層為會議中心，7至77層為商業(yè)辦公樓層，79至93層為上海柏悅酒店，94至100層為觀光廳。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況1.2 高層建筑的發(fā)展簡況上海陸家嘴

13、高層建筑群最高建筑為上海（塔）中心1.2 高層建筑的發(fā)展簡況1974年在美國建成的芝加哥西爾斯大廈（Sears Tower），其層數(shù)為110層，高度為443m，高度居世界最高水平長達(dá)20年 美國芝加哥的西爾斯大樓（SearsTower）現(xiàn)保有“世界最高天線高度”的最高紀(jì)錄。1.2 高層建筑的發(fā)展簡況我國最高的高層建筑上海的金茂大廈，金茂大廈是中國最高的大廈，也是世界第四高樓。金茂大廈于1992年12月17日被批準(zhǔn)立項(xiàng)，1994年5月10日動工，2019年8月28日結(jié)構(gòu)封頂，至2019年3月18日開張營業(yè)，當(dāng)年8月28日全面營業(yè)。金茂大廈占地2.3公頃，塔樓高420.5米，總建筑面積29辦公和賓

14、館，鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)1.2 高層建筑的發(fā)展簡況重慶世貿(mào)中心挺身而立解放碑、西部第一高、360度全景觀景臺。作為一個總高262米，共計(jì)62層的超高建筑物，總建筑面積近13萬平方米，是一個集國際會議中心、國際商務(wù)中心、國際信息中心和國際俱樂部為一體多種功能的國際商貿(mào)中心。（重慶）最高的高層建筑化龍橋在建的嘉陵帆影建筑高度是468米，世界花高出了2米。重慶建成10大高樓（根據(jù)資料整理，以主體完工為準(zhǔn)）1、重慶環(huán)球金融中心 339米 2、英利國際金融中心 288米 3、重慶賓館保利國際廣場 287米4、重慶聯(lián)合國際大廈 285米5、世界貿(mào)易中心 283.1米6、浪高凱悅大廈 258米7、浪高會展國際廣

15、場 258米8、重慶企業(yè)天地2號 246米9、上城國際 242.4米10、新華國際大廈 238.6米1.2 高層建筑的發(fā)展簡況1.2 高層建筑的發(fā)展簡況21世紀(jì)高層建筑的高新技術(shù)預(yù)測1高層建筑復(fù)雜大系統(tǒng)2高性能建筑材料3計(jì)算機(jī)仿真4專家系統(tǒng)5參數(shù)控制與決策準(zhǔn)則軟設(shè)計(jì)理論6結(jié)構(gòu)控制與控制結(jié)構(gòu)7結(jié)構(gòu)可靠性識辯和檢測治理8超高層建筑的先進(jìn)消防系統(tǒng)9智能性服務(wù)系統(tǒng)10節(jié)能環(huán)保技術(shù)與太陽能利用1.2 高層建筑的發(fā)展簡況未來10年高層建筑的若干研究領(lǐng)域1、高層建筑技術(shù)研究2、超高層建筑結(jié)構(gòu)新體系研究3巨型結(jié)構(gòu)體系研究與應(yīng)用4超高層建筑地震與反應(yīng)控制5深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)6高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)7超高層建筑成

16、套設(shè)備開發(fā)8. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)世界貿(mào)易中心簡介1.世界貿(mào)易中心的建筑形式2. 撞機(jī)1（首先撞擊北樓）3. 撞機(jī)2（約18分鐘撞擊南樓）1. 倒塌瞬間2. 倒塌后3.美國,新世貿(mào)1.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素1.水平力是設(shè)計(jì)主要因素2.側(cè)移成為控制指標(biāo)3. 抗震設(shè)計(jì)要求更高4.軸向變形不容忽略5.概念設(shè)計(jì)與理論計(jì)算同等重要6.減輕高層建筑自重比多層建筑更重要7.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和二階效應(yīng)1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素高層建筑中，水平荷載和地震作用對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著決定性的作用。荷載效應(yīng)的最大值(軸力N、彎矩M和位移)可用下列式子表達(dá)：N=wH f(H)M=qH2/2 f(H2)=qH4/8EI f(

17、H4)1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素內(nèi)力或位移結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移與高度H的關(guān)系H N=f(H) M=f(H2)=f(H4)結(jié)構(gòu)內(nèi)力/位移2、側(cè)移成為控制指標(biāo)高層建筑要控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，其主要原因有： 側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的人在心理上產(chǎn)生不適應(yīng)感覺，控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是保證建筑物正常使用的需要； 側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的填充墻、建筑裝飾和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生裂縫、變形、甚至損壞；2、側(cè)移成為控制指標(biāo)高層建筑要控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，其主要原因有： 側(cè)移過大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或損壞，進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)正常使用和耐久性。 地震對建筑物的破壞程度，主要取決于結(jié)構(gòu)側(cè)移大小，如果結(jié)構(gòu)變形能力不足以抵御地震輸入能量對結(jié)構(gòu)

18、變形的要求，結(jié)構(gòu)則會發(fā)生倒塌。3、軸向變形不容忽略高層建筑由于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會對高層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。采用框架體系和框架剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的軸向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。對于簡化的手算方法，一般只計(jì)及最基本的變形。3、軸向變形不容忽略4、抗震設(shè)計(jì)要求更高 在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載，還必須使建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到“小震不壞、中震可修，大震不倒”。計(jì)算結(jié)構(gòu)的延性是困難的，因而，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性是通過一系列的構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)的。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，

19、為使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，構(gòu)件要有足夠大的截面尺寸，柱的軸壓比、梁和剪力墻的剪壓比、構(gòu)件的配筋率都要適宜，應(yīng)遵照規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定要求。4、抗震設(shè)計(jì)要求更高4、抗震設(shè)計(jì)要求更高5、概念設(shè)計(jì)與理論計(jì)算同等重要概念設(shè)計(jì):以功能優(yōu)越、造型美觀、技術(shù)先進(jìn)的總體方案為目標(biāo)的設(shè)計(jì)階段。是指一些難以作出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問題，必須由工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，作出判斷，以便采取相應(yīng)措施。例如結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的概念、力學(xué)概念以及由震害和試驗(yàn)現(xiàn)象等總結(jié)提供的各種宏觀的和具體的經(jīng)驗(yàn)，也包括一些教訓(xùn)，以及建筑要求和造價(jià)、施工要求等。6、減輕高層建筑自重比多層更重要減輕高層建筑的自重比多層建筑更有意義。如果在同樣的地基或樁基情況下，減輕房屋自重意味著在不增加基礎(chǔ)的造價(jià)和處理措施的前提下，可以多建層