高层建筑结构设计 第1章 绪论.ppt

第第1章章 绪论绪论教学提示：本章介绍了高层建筑的范畴与主要特点；简要介绍了高层建筑的发展历史与现状以及发展过程中表现出来的主要特点，介绍了本课程的主要内容与学习方法。教学要求：本章要求学生掌握高层建筑的结构特点，了解高层建筑的发展概况及其发展过程中的主要特点1.1高层建筑结构特点1.1.1高层建筑定义理论上应按房屋的受力特性来划分，即按水平作用对建筑的影响程度来划分。高层民用建筑设计防火规范（GB5044595）定义为：10层及10层以上的居住建筑以及建筑高度超过24米的公共建筑。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）定义为：10层及10层以上或房屋高度超过28米的建筑物（1.0.2条）。高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ9998）只规定其适用高度，对下限未作规定。（1.0.2条）建筑抗震设计规范（GB500112001）只规定了钢结构适用高度，但12层为一界限，体系与支撑要求不同。（8.1节）本课程以高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）的规定为依据。1.1.2高层建筑结构特点水平荷载成为决定性因素轴向变形不容忽视侧移成为控制指标结构延性是重要的设计指标体形要求重视概念设计扭转效应水平荷载成为决定性因素水平荷载成为决定性因素轴向变形不容忽视对连续梁弯矩的影响未考虑柱的压缩变形考虑各柱差异压缩后的变形对连续梁弯矩的影响对预制件下料长度的影响对构件剪力和侧移的影响侧移成为控制指标结构在阵风作用下的振动加速度超过0.15g时，会影响使用人员的正常生活和工作，而a=A(2f),当振动频率一定时，加速度a与振幅A成正比过大的侧移会使隔墙及饰面材料出现裂缝或损坏，使电梯因轨道变形不能正常使用过大的侧移使结构因P-效应产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致结构倒塌结构延性是重要的设计指标相对于低层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取适当的措施，来保证结构具有足够的延性。体型要求体型要求选择抗风能力好的体形重视概念设计重视概念设计概念设计：对一些难以作出精确的力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须运用“概念”进行分析，作出判断，并采取相应的措施。“概念”包括一些力学概念，结构破坏机理的概念，以及由震害调查和试验现象等总结出的各种宏观的和具体的经验教训；“概念”应贯穿在方案确定和结构布置的过程中，在计算简图与计算结果的处理中，在确定薄弱部位和连接构造的处理中，等等。1.1.3高层建筑设计内容结构方案的选择与布置结构分析与构件内力计算构件及节点的设计与构造措施1.2 高层建筑的历史和现状高层建筑的历史和现状1.2.1高层建筑发展的原因可缓解城市用地紧张的问题:国外资料介绍,9-10层的建筑比5层节约用地23-28%,16-17层比5层节约用地32-49%;前苏联资料介绍,5层的建筑增加到9层,其建筑密度可提高35%,小区市政设施费用可降低32%。科学技术的进步轻质高强材料的应用电气化、计算机在建筑中的广泛应用1.2.2高层建筑发展历史我国的许多寺，塔是古代多层和高层建筑的典型代表特点：木，砖结构，材料强度低空间很小，墙壁厚度大，空间受到限制但结构合理。嵩岳寺塔由北魏在公元523年建于河南登封县境的嵩山南麓，总高41M左右，为砖砌单层筒体。千寻塔公元836年唐朝中叶的南诏国（即今云南）建于大理城北苍山崇圣寺，顶高71M。为16层密檐式方塔，砖砌单层筒体。坐落在西藏拉萨的布达拉宫是海拔最高，集宫殿，寺院，城堡和藏汉建筑风格于一体的宏伟建筑。最高点是达赖灵塔的金顶，相对高度为115.7M，海拔3756.5M。1.2.3高层建筑发展现状近代高层建筑的起点：1884年美国芝加哥建造的11层家庭保险公司大楼(HomeInsuranceBuilding)，采用生铁柱和熟铁梁构成的框架，外围砖墙仅是填充墙。始用年代始用年代结构体系和特点结构体系和特点1885砖墙，铸铁柱，钢梁1889钢框架1903钢筋混凝土框架20世纪初钢框架支撑二次世界大战后钢筋混凝土框架剪力墙，钢筋混凝土剪力墙，预制钢筋混凝土结构20世纪50年代钢框架钢筋混凝土核芯，钢骨钢筋混凝土结构筒20世纪60年代末和70年代初框筒，筒中筒，束筒，悬挂结构，偏心支撑和带缝剪力墙板框架20世纪80年代巨型结构，应力蒙皮结构，隔震结构20世纪80年代中期 被动耗能结构，主动控制结构，混和控制结构近现代高层建筑结构体系的发展近现代高层建筑结构体系的发展高层名称时间地点结构（材料）层数高度（M）备注家庭保险大楼18841885芝加哥 铸铁，钢，框架1155近代高层建筑之父帝国大厦1931纽约钢结构102 381世界第一41年世贸中心双塔1972纽约钢结构110 402“9.11”世界第一西尔斯大厦19731974芝加哥 钢结构110 443世界第一Nauki大楼七十年代波兰华沙钢结构47241欧洲最高柳京饭店七十年代平壤钢-混凝土结构105 319.8世界第一RC现代高层建筑现代高层建筑香港合和中心七十年代香港钢混凝土结构65218马来西亚双塔1998吉隆坡钢结构88452金贸大厦1998上海钢结构88420据美国建筑协会据美国建筑协会2002年统计：年统计：“世界最高的世界最高的10栋栋建筑中中国（含香港）占建筑中中国（含香港）占5栋栋”。名称时间 层数 高度（M）设防基本烈度北京民族饭店1959 1247.480.20g广州宾馆1968 278870.10g北京饭店东楼1974 1987.1580.20g白云宾馆1976 33114.0570.10g深圳国贸大厦1985 50158.6570.10g广州国际大厦1987 6320070.10g深圳地王1996 8132570.10g金贸大厦1998 88+3 42070.10g上海国际金融中心在建 9749270.10g中国高层建筑中国高层建筑台北国际金融中心2003年建成，高508米、地下5层、地上101层马来西亚首都吉隆坡的双子塔(Petronas Towers)，高1483英尺(452米)，88层。这两座高楼于1998年完工110层，高443米，于1973年竣工。钢结构西尔斯大厦上海金茂大厦高420.5米、地下3层、地上88层钢结构世贸大厦 高417米广州中信大厦世界第六高楼高391米纽约帝国大厦1931年建成,高381米,102层钢结构香港中环广场大厦1993年建成世界第八高楼高374米香港中国银行大厦1990年建成高315米、地上70层香港上海汇丰银行总部大厦楼高179米，或587尺，於1985年建成建筑成本高达港币52亿元！成为当时全球最昂贵的大厦建筑师是NormanFoster，他亦设计了香港赤立角国际机杨西尔斯大厦（SearsTower）是位于美国芝加哥的一栋办公楼，1974年建成,高443米。总建筑面积418000平方米，地上110层，地下3层。底部平面68.768.7米,由9个22.9米见方的正方形组成。在这些正方形的范围内都不另设支柱，租用者可按需要分隔。整个大厦平面随层数增加而分段收缩。在51层以上切去两个对角正方形，67层以上切去另外两个对角正方形，91层以上又切去三个正方形，只剩下两个正方形到顶。经典高层介绍西尔斯大厦经典高层介绍西尔斯大厦大厦结构工程师是1929年出生于达卡的美籍建筑师F.卡恩。他为解决像西尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸实践。整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。设计允许位移（振动时允许产生的振幅）为即900毫米，建成后最大风速时实测位移为460毫米。大厦的造型有如9个高低不一的方形空心筒子集束在一起，挺拔利索,简洁稳定。不同方向的立面,形态各不相同，突破了一般高层建筑呆板对称的造型手法。这种束筒结构体系是建筑设计与结构创新相结合的成果。西尔斯大厦用钢材76000吨,每平方米用钢量比采用框架剪力墙结构体系的帝国州大厦降低20，仅相当于采用5跨框架结构的50。这种束筒结构体系概念的提出和应用是高层建筑抗风结构设计的明显进展。大厦采用了当时最先进的在房间内和各种管井、管道内普遍装设烟感器、报警器和电子控制的消防中心的消防系统。楼内的自动喷水装置在火警发生时可将水自动喷洒于任何地点。位于大厦不同高度上的屋顶平台在火警时可用于安全疏散。大厦中安装了102部电梯。一组电梯分区段停靠,从底层有高速电梯分别直达第33层和66层，再换乘区段电梯至各层；另一组从底层至顶层每层都可停靠。1.2.4高层建筑的发展特点新材料的开发和应用建筑高度的不断突破混合结构、组合结构的应用结构体系形式的不断发展平面布置和立面体形日益复杂新的施工技术和工艺不断出现计算机不断发展，分析计算能力不断提高新材料的开发和应用混凝土的强度等级和韧性性能不断改善，混凝土的强度等级已经可以达到C100甚至更高。在高层建筑中应用高强度混凝土，可以减小结构构件尺寸，减少结构自重，必将对高层建筑的发展产生重大影响。高强度且具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑钢结构的主要用钢，而耐火钢材FR钢的出现为钢结构的防火设计提供了方便，其防火保护层的厚度可大大减小，从而降低钢结构的造价，使钢结构更有竞争力。建筑高度的不断突破由于使用功能，城市规划和用地紧张等原因，我国高层建筑目前已突破88层和421M大关。也有一些正在设计和施工的88层以上的建筑，如上海寰球金融中心。地震区的钢筋混凝土高层建筑结构设计，我国处于世界领先地位。混合结构、组合结构的应用采用组合结构可以建造比混凝土结构更高的高层建筑。除外包混凝土组合柱外，钢管混凝土组合柱和外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱的应用也很多。由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高构件的竖向承载力，节省钢材。巨型组合柱首次在香港的中国银行应用，取得了巨大的经济效益。随着混凝土强度的提高以及结构构造和施工上的改进，组合结构的应用将进一步扩大。结构体系形式的不断发展已建成的香港中国银行大厦和正在筹划中的芝加哥532M高的摩天大楼方案，都采用了桁架结构，特别节约钢材。预计这种结构体系今后将在300M以上的高层建筑中得到更多的应用。巨型框架体系由于由于其刚度大，便于在内部设置大空间，今后也将得到更多应用。多束筒体系以表明在适应建筑场地，丰富建筑造型，满足多种功能和减小剪力滞后等方面具有很多优点，预计今后也将扩大应用。平面布置和立面体形日益复杂近年来，出现了不规则，不对称和曲线型的平面。这固然是建筑功能和城市规划的需要，但分析技术和计算手段的提高也为它提供了前提条件。另外由于现代高层建筑向多功能综合型发展，要求不同楼层有不同的结构平面布置，使得沿竖向发生了结构形式和刚度的突变，这样就对结构设计提出了更高的要求。施工方面新工艺：大模，升板，爬架管理水平分析计算能力的发展计算机：商业程序（TAT,TBSA,STAWE,ETABS）结构体系的研究材料的非线形 日本“空中城市大厦-1000”1.3 本课程的主要内容本课程的主要内容高层建筑结构作为承受竖向与水平荷载的体系和建筑物的骨架，在高层建筑的发展中起着非常重要的作用。高层建筑结构作为一门学科，包括钢结构、混凝土结构、钢混凝土组合结构等各类高层建筑的性能及设计和施工方面的有关技术问题。而本门课程讨论了以混凝土结构为主的结构设计方面的问题。其主要内容有：其主要内容有：结构的体系和布置结构的荷载作用及其效应组合 结构的设计原则和设计方法 结构的静力和动力分析方法以及实用简化分析方法 结构的抗震分析和抗震设计 柱和剪力墙等抗侧力构件的性能和设计结构的节点构造和设计 地基和基础的设计 主要要求是：主要要求是：了解高层建筑结构的常用结构体系、特点以及应用范围熟练掌握风荷载及地震作用计算方法掌握框架结构、剪力墙结构、框-剪结构等三种基本结构内力和位移计算方法及配筋计算方法和构造要求掌握高层钢筋混凝土结构的抗震设计原则及方法，能区别抗震设计与非抗震设计的不同要求常用的国家现行的设计标准常用的国家现行的设计标准高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)高层民用钢结构技术规程(JGJ99-98)混凝土结构设计规范(GB50010-2002)钢结构设计规范(GB50017-2003)建筑抗震设计规范(GB50011-2001)建筑结构荷载规范(GB50009-2001)建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)本课程部分内容的具体要求如下本课程部分内容的具体要求如下1)结构体系及布置 了解水平力对结构内力及变形影响，熟悉不同结构体系的特点及适用范围，熟悉结构总体布置的原则及需要考虑的问题，了解各种结构缝的处理，地基基础选型等。2)荷载作用与结构计算简化原则 熟练掌握总体风荷载和局部风荷载的计算，以及用反应谱方法计算等效地震作用的方法，理解地震作用两阶段设计的内容、方法及目的以及多遇地震、罕遇地震和设防烈度的关系。掌握结构自振周期计算的实用方法，理解结构计算的平面结构假定。3)荷载效应组合及设计要求掌握荷载效应组合各种工况的区别应用，理解无地震组合及有地震组合时承载力验算与位移限值的区别。掌握确定结构抗震等级的方法；进一步理解两阶段抗震设计方法。4)结构内力与位移计算熟练掌握反弯点法、D值法计算内力及位移方法，深入理解这两种方法的区别及应用范围及位移的影响因素、杆件弯曲变形及轴向变形对侧移的影响等。掌握竖向荷载作用下分层法内力计算。5)剪力墙结构内力与位移计算理解开洞对剪力墙内力及位移影响，理解不同近似方法的适用范围。深入理解连续化方法的基本假定、公式推导、公式图表应用等，熟练掌握连续化方法计算简图的确定方法及带刚域杆件刚度计算方法。了解扭转对结构的影响，熟练掌握质量中心及刚度中心的近似计算方法，能正确应用剪力修正系数。理解框架与剪力墙协同工作的意义。能正确建立计算简图，掌握总框架、总剪力墙、总连梁刚度计算方法，会用公式及曲线计算内力及位移。掌握刚度特征值的物理意义及其对内力分配的影响，框剪结构内力分布及侧移特点。6)框架设计和构造了解延性框架意义和实现延性框架的基本措施。掌握梁、柱、节点区的破坏形态，会区别抗震及非抗震情况下配筋要求。掌握梁、柱、节点区的配筋设计方法。掌握几个重要概念：延性框架、强柱弱梁、强剪弱弯、轴压比及箍筋作用。7)剪力墙设计和构造 了解剪力墙结构配筋特点及构造要求，掌握悬臂剪力墙及联肢剪力墙的截面配筋计算方法，了解影响剪力墙延性的因素，理解框支剪力墙、落地剪力墙的设计要点。