1、第八章第八章 多层与高层钢筋混凝土结构多层与高层钢筋混凝土结构 第第 一讲一讲11.概述.高层建筑的定义高层建筑的定义定义指标：高度和层数各国不统一,经济条件、电梯设备、消防装置等因素有关我国高层建筑混凝土结构技术规程中规定，规定10层及10层以上或房屋高度超过27米的混凝土结构高层民用建筑物称为高层建筑。常规的高度称为A级高度的高层建筑，超过A级高度限值的高层建筑称为B级高度的高层建筑。2 A级高度高层建筑适用最大高度3建筑高度一般是指从室外地面至主要屋面的距离,不包括突出的水箱、电梯间、地下室等部分的高度。1972年国际高层建筑会议，第一类：916层(最高50米);第二类：1725米（最高
2、到75米）第三类：2640层（最高到100米)第四类:40层以上(或高度在100米以上)42 高层建筑的发展史高层建筑的发展史1883年美国芝加哥保险公司大楼年美国芝加哥保险公司大楼 11层层 框架结构框架结构1905年美国纽约年美国纽约50层层1931年美国纽约帝国大厦年美国纽约帝国大厦 102层层 高高381米米目前：目前：马来西亚吉隆坡石油大厦，马来西亚吉隆坡石油大厦，88层，层，450米，钢混凝土结构米，钢混凝土结构美国芝加哥西尔斯大厦，美国芝加哥西尔斯大厦，110层，层，442米，钢结构米，钢结构朝鲜平壤的柳京饭店，朝鲜平壤的柳京饭店，105层层319.8米米,钢筋混凝土结构钢筋混凝
3、土结构美国休斯敦的贝壳广场大厦美国休斯敦的贝壳广场大厦,60层层,226米米,轻骨料混凝土轻骨料混凝土我国我国:上海金茂大厦，上海金茂大厦，88层，层，365米，混凝土核心筒巨型钢骨架米，混凝土核心筒巨型钢骨架深圳地王大厦，深圳地王大厦，81层，层，325米，混凝土核心筒外框钢结构米，混凝土核心筒外框钢结构广州中天广场，广州中天广场，80层，层，322米，钢筋混凝土米，钢筋混凝土北京京广大厦，北京京广大厦，53层，层，208米，钢结构米，钢结构51.台北台北101大楼被大楼被“世界第一高世界第一高楼楼”，楼高，楼高508米米 2.3马来西亚吉隆坡的双子星大楼452米4.美国西尔斯大楼，442米
4、5.上海金茂大厦，420米(世界贸易中心大厦1、2号大厦，高度417米)6.香港国际金融中心，415米7.广州中信广场，391米8.深圳的信兴广场，384米9.美国纽约帝国大厦，381米10.香港中环广场，374米6台北101大楼 囊括了高度项目中囊括了高度项目中3个第一，包括个第一，包括“世界最高世界最高建筑物建筑物”、“世界最高使用楼层世界最高使用楼层”、“世界最高世界最高屋顶高度屋顶高度”，美国芝加哥的席尔斯大楼，美国芝加哥的席尔斯大楼（SearsTower）仅保有）仅保有“世界最高天线高度世界最高天线高度”的最高纪录。的最高纪录。7佩重纳斯大厦佩重纳斯大厦国家石油公司双峰塔摩国家石油公
5、司双峰塔摩天大楼天大楼（称为历史世界最高）（称为历史世界最高）国油双峰塔国油双峰塔 楼高楼高452米、米、95层层 位于马来西亚首位于马来西亚首都吉隆坡市中心都吉隆坡市中心 钢与混凝土混合钢与混凝土混合结构结构8帝国大厦381米国际金融大厦(二期)420米10金茂大厦420.5米双子星座大厦,451.9米11台北101大楼高508米西尔斯大厦，443米，芝加哥12信兴广场大厦，384米中信广场大厦，391米中央广场大厦，374米13高层建筑结构的受力特点高层建筑结构的受力特点多层建筑：竖向力起控制作用，水平力影响不大多层建筑：竖向力起控制作用，水平力影响不大高层建筑：侧向力称为影响结构内力、结
6、构变形及建筑物土高层建筑：侧向力称为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。建造价的主要因素。14高层建筑的优缺点高层建筑的优缺点优点：提高土地利用，节省土地买价，增加绿化面积，改善优点：提高土地利用，节省土地买价，增加绿化面积，改善城市环境。减少建筑物的管理费用；节省市政建设投资（水、城市环境。减少建筑物的管理费用；节省市政建设投资（水、点、煤气等），随单体造价高，但从城市总体规划的角度来点、煤气等），随单体造价高，但从城市总体规划的角度来看，却是经济的。看，却是经济的。缺点：造价昂贵，管理复杂，施工周期长，能量消耗大，难缺点：造价昂贵，管理复杂，施工周期长，能量消耗大，难以充分利
7、用自然采光、通风等自然环境，是人与自然的联系以充分利用自然采光、通风等自然环境，是人与自然的联系减少。刮风时建筑物摆动会使人感觉眩晕，电梯损坏时上下减少。刮风时建筑物摆动会使人感觉眩晕，电梯损坏时上下楼梯困难。高层建筑的阴影、对无线电波屏障。高层建筑的楼梯困难。高层建筑的阴影、对无线电波屏障。高层建筑的防火问题，抗震问题等防火问题，抗震问题等15高层建筑结构的特点1、水平力水平力是设计主要因素是设计主要因素2 2、侧移侧移成为控制指标成为控制指标过大的位移对结过大的位移对结构的影响构的影响3 3、抗震设计抗震设计要求更高要求更高4 4、概念设计概念设计与理论计算同等重要与理论计算同等重要5 5
8、、减轻高层建筑自重比多层建筑更重要、减轻高层建筑自重比多层建筑更重要6 6、轴向变形不容忽略、轴向变形不容忽略16概念设计 概念设计概念设计:以功能优越、造型美观、技术先进以功能优越、造型美观、技术先进的总体方案为目标的设计阶段。的总体方案为目标的设计阶段。是指一些难以作出精确力学分析或在规范中难是指一些难以作出精确力学分析或在规范中难以具体规定的问题，必须由工程师运用以具体规定的问题，必须由工程师运用“概念概念”进行分析，作出判断，以便采取相应措施。进行分析，作出判断，以便采取相应措施。例如结构破坏机理的概念、力学概念以及由震例如结构破坏机理的概念、力学概念以及由震害和试验现象等总结提供的各
9、种宏观的和具体害和试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验，也包括一些教训，以及建筑要求和造的经验，也包括一些教训，以及建筑要求和造价、施工要求等。价、施工要求等。17高层建筑结构的发展高层建筑结构的发展 目前我国高层建筑的发展特点：目前我国高层建筑的发展特点：层数不断增多，高度不断加大层数不断增多，高度不断加大 高层建筑向多用途、多功能方向发展高层建筑向多用途、多功能方向发展 平面布置和立面体型日益复杂化平面布置和立面体型日益复杂化 结构体系日趋多样化结构体系日趋多样化 高强材料和新技术的应用高强材料和新技术的应用 玻璃幕墙的广泛应用玻璃幕墙的广泛应用 计算机应用水平迅速提高计算机应用水平
10、迅速提高 设计规程的不断完善设计规程的不断完善1821世纪高层建筑的高新技术预测世纪高层建筑的高新技术预测1高层建筑复杂大系统高层建筑复杂大系统2高性能建筑材料高性能建筑材料3计算机仿真计算机仿真4专家系统专家系统5参数控制与决策准则参数控制与决策准则软设计软设计理论理论6结构控制与控制结构结构控制与控制结构7结构可靠性识辩和检测治理结构可靠性识辩和检测治理8超高层建筑的先进消防系统超高层建筑的先进消防系统9智能性服务系统智能性服务系统10节能环保技术与太阳能利用节能环保技术与太阳能利用19未来未来10年高层建筑的若干研究领域年高层建筑的若干研究领域1、高层建筑技术研究、高层建筑技术研究2、超
11、高层建筑结构新体系研究、超高层建筑结构新体系研究3巨型结构体系研究与应用巨型结构体系研究与应用4超高层建筑地震与反应控制超高层建筑地震与反应控制5深基础设计与施工技术深基础设计与施工技术6高性能混凝土应用技术高性能混凝土应用技术7超高层建筑成套设备开发超高层建筑成套设备开发8。钢管混凝土结构应用技术。钢管混凝土结构应用技术20 1.框架 2.剪力墙 3.框架剪力墙（支撑）4.筒体 5.巨型结构抗侧力结构与布置抗侧力结构与布置21 抗侧力结构：框架 剪力墙 筒22特点：传力途径更简捷，可有效增加净空高度。缺陷：节点处受到柱集中力作用，对板抗剪不利。板柱节点适用范围：仓库，停车场，层高受到限制的场
12、合。框架结构框架结构23剪力墙结构剪力墙结构24优点：抗侧刚度大，强度高，整体性好，抗震性能优越。缺点：墙体间距小，平面布置不灵活，自重大。适用范围：1030层高层公寓式住宅、旅馆。剪力墙结构体系25框架剪力墙框架剪力墙26优点：受力合理，各层层间变形均匀，可形成较大使用空间。框架-剪力墙结构体系 适用范围：1025层各类公共建筑。框架-筒体可到 3040层27筒体结构体系 优点 缺点 应用范围 实例 将剪力墙集中到房屋将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封的内部或外部形成封闭的筒体闭的筒体竖向的竖向的悬臂封闭箱悬臂封闭箱 空间抗刚度空间抗刚度,抗扭性抗扭性很好很好 适用适用30层以上层以上 长
13、长/宽宽2，截面尺寸，截面尺寸接近正方形、圆形、接近正方形、圆形、正多边形较好正多边形较好28高层建筑结构体系高层建筑结构体系框架体系（含板柱体系）框架剪力墙体系（含框架筒体体系）框架支撑剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系29第二节 框架结构2.1 框架结构的组成与布置2.2 框架结构分析2.3 框架结构构件设计（略）30框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。312.1.1 框架结构种类按所用材料：混凝土框架结构钢框架结构组合框架结构（钢骨混凝土、钢管混凝土）按施工方法：整体式框架（混凝土框架而言）装配式框架装配整体式框架（混
14、凝土框架而言）32装配式混凝土框架预制长柱预制主梁预制槽形板预制卡板装配整体式混凝土框架预制短柱迭合梁装配整体式混凝土框架装配整体式混凝土框架预制长柱33框架结构由梁、柱连结而成。梁柱一般为刚接，有时为了方便施工也有做成铰接或半铰接（半刚接的）。2.1.2 框架结构组成34柱截面实腹式（矩形、箱形、圆形、I形、H形、L形、T形、十字形等）格构式（对钢结构而言）梁截面实腹式（矩形、箱形、T形、倒 L形、I形、H形、花篮梁等）格构式（对钢结构而言）35矩形梁矩形梁箱形梁箱形梁倒倒L形梁形梁T形梁形梁花篮梁花篮梁混凝土梁形式362.1.3 框架结构布置一、柱网布置一、柱网布置典型的柱网有内廊式、等跨
15、式和不等跨式。内廊式等跨式满足建筑功能的要求原则37结构受力合理（均匀、对称、对直、贯通，尽量避免缺梁抽柱）38方便施工39二、承重（竖向荷载）框架的布置横向框架承重方案纵向布置连系梁。横向抗侧刚度大。有利采光和通风。纵向框架承重方案横向布置连系梁。横向抗侧刚度小。有利获得较高净空。40纵横向框架承重方案两个方向均有较好的抗侧刚度。框架承重方案与楼盖布置有关单向板楼盖双向板楼盖41等效梁等效梁无梁楼盖密肋楼盖板柱结构42 有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转的影向。尽量采用对有抗震和抗风有利的平面形式，三、建筑平面和结构布置三、建筑平面和结构布置43结构的结构的
16、平面形状平面形状LBl/B6(非抗震67度)l/B5(8度)好一些截面形式长度过大，水平方向变形增大，长度方向变形不一致44在地震区，近可能采用对抗震有利的在地震区，近可能采用对抗震有利的结构结构布置形式布置形式1、选择有利于抗震的结构平面、选择有利于抗震的结构平面45l不对称突出部分过长L/B过长l突出部分过长46建筑立面和结构沿高度布置建筑立面和结构沿高度布置1、选择有利于抗震的竖向布置、选择有利于抗震的竖向布置l刚度均匀而连续，避免刚度突变47竖向布置竖向布置 当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1H1与房屋与房屋高度高度H H之比之比大于大于0
17、.20.2时时，上部楼层收进后的水平尺寸，上部楼层收进后的水平尺寸B1B1不宜小于下部楼层水平尺寸不宜小于下部楼层水平尺寸B B的的 0.75 0.75倍。倍。下部楼层的水平尺寸下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸不宜小于上部楼层水平尺寸B1的的 0.9倍倍,且水平外挑尺寸且水平外挑尺寸a不宜大于不宜大于4m。结构竖向收进和外挑示意图结构竖向收进和外挑示意图48四、变形缝的设置四、变形缝的设置 沉降缝、抗震缝、温度变形缝l温度变形缝l抗震缝l沉降缝l高度重量相差较大l平面不规则4950五、高层建筑的高宽比五、高层建筑的高宽比51控制结构控制结构高宽比高宽比H/BH/B52控制结构高宽比
18、控制结构高宽比H/BH/B A A级高度钢筋混凝土高层建筑结构最大的高宽比级高度钢筋混凝土高层建筑结构最大的高宽比53控制结构高宽比控制结构高宽比H/BH/B B B级高度钢筋混凝土高层建筑结构最大的高宽级高度钢筋混凝土高层建筑结构最大的高宽比比54梁柱截面尺寸的估算混凝土柱混凝土柱根据柱的负荷面积，估算柱在竖向荷载下的轴力cN混凝土梁混凝土梁梁高h取l)12/18/1(；梁宽取h)3/12/1(取cNN)4.12.1(按轴压构件估算截面积cA抗震设计时，取cNN)2.11.1(要求满足：要求满足：7.08.09.0ccfAN（抗震等级三级）（抗震等级二级）（抗震等级一级）55截面尺寸估算（根
19、据变形限制要求）（根据变形限制要求）会使非结构构件破损会使人感觉不适竖向荷载会产生较大的附加弯矩56框架结构设计（内力和位移计算和配框架结构设计（内力和位移计算和配筋计算）筋计算）体系确定体系确定荷载确定荷载确定内力、位移确定内力、位移确定配筋计算配筋计算施工图施工图分层法、反弯点法、分层法、反弯点法、D值法值法 1、平面抗侧力结构假定、平面抗侧力结构假定2 2、刚性楼板假定、刚性楼板假定575859竖向荷载作用下框架内力分析竖向荷载作用下框架内力分析 竖向荷载按面积分配竖向荷载按面积分配 1 1竖向荷载作用下的近似计算竖向荷载作用下的近似计算分层计算法分层计算法6061 在竖向荷载作用下，不
20、考虑框架的侧移在竖向荷载作用下，不考虑框架的侧移 每层梁上的荷载对其它层梁的影响可忽略不计每层梁上的荷载对其它层梁的影响可忽略不计 上、下柱的远端是固定上、下柱的远端是固定 在计算中，除实际的固定端在计算中，除实际的固定端(如底层柱端如底层柱端)外，外，其他各层柱的线刚度均乘以折减系数其他各层柱的线刚度均乘以折减系数0.90.9 同时柱端的弯矩传递系数也相应地从原来的同时柱端的弯矩传递系数也相应地从原来的1 12 2改为改为1 13 3。分层计算法的基本假定：分层计算法的基本假定：62多层框架在水平荷载作用下内力近似计算多层框架在水平荷载作用下内力近似计算反弯点方法反弯点方法y=2h/3y=h
21、/2yhhh反弯点 yy=h/2PPP假定假定（1 1）不考虑柱子的不考虑柱子的轴向变形，同层节点水轴向变形，同层节点水平位移相等，节点转角平位移相等，节点转角为为0 0（2 2）假定上层柱子的反假定上层柱子的反弯点在中点弯点在中点（3 3）底层柱子的反弯点底层柱子的反弯点在距底端在距底端2h/32h/3解决的问题：解决的问题：1。反弯点的位置。反弯点的位置2。该点的剪力。该点的剪力63反弯点法步骤 1 1层剪力层剪力 2 2柱子刚度柱子刚度 3 3 各柱子的剪力各柱子的剪力 4 4。反弯点确定。反弯点确定 5 5。柱子的弯矩。柱子的弯矩 6 6。梁的弯矩根据节点。梁的弯矩根据节点平衡和刚度分
22、配平衡和刚度分配212hidc64梁的弯矩根据接点平衡 梁的弯矩刚度分配65水平荷载作用下的改进反弯点法水平荷载作用下的改进反弯点法DD值法值法(梁柱线梁柱线刚度比较小刚度比较小)666768D值法的假定 1。各层梁柱节点转角相同69二、确定柱子反弯点的高度比 影响柱子反弯点的主要影响柱子反弯点的主要因素因素：柱子上下端的约柱子上下端的约束条件束条件影响柱子约束刚度主要因影响柱子约束刚度主要因素：素：（1）结构总的层数和该层在的位置（2 2）梁柱的线刚度比）梁柱的线刚度比（3 3）荷载形式）荷载形式（4 4）上层与下层梁的刚度）上层与下层梁的刚度变化变化（5 5）上、下层层高变化）上、下层层高
23、变化7071标准反弯点位置的确定：PPhPPhhhhh均布荷载到三角形荷载y反弯点 层高相等、各跨度相等、梁柱的线刚度比不变72高层建筑水平位移的限制高层建筑水平位移的限制1.正常使用条件下水平位移的限制正常使用条件下水平位移的限制(1)高度不大于高度不大于150米的高层建筑米的高层建筑楼层层间最大位移与层高之比的限值楼层层间最大位移与层高之比的限值结构类型u/h结构类型u/h框架1/550筒中筒、剪力墙1/1000框架-剪力墙框架-核心筒1/800框支层1/1000(2)高度为高度为250米及米及250米以上的高层建筑，楼层层间最大位移米以上的高层建筑，楼层层间最大位移与层高之比与层高之比u
24、/h的限值为的限值为1/550(3)高度为高度为150米支米支250米之间的高层建筑，楼层层间最大位移米之间的高层建筑，楼层层间最大位移与层高之比与层高之比u/h的限值按线性插入取用。的限值按线性插入取用。2.罕遇地震作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算罕遇地震作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算 建筑结构抗震设计建筑结构抗震设计733.1高层建筑结构体系及布置原则3.1.1 高层结构的基本受力单元框架框架剪力墙剪力墙筒体筒体落地剪力墙落地剪力墙框支剪力墙框支剪力墙核心筒核心筒框筒框筒743.1.2 高层结构体系1、框架结构体系优点：布置灵活；缺点：侧向刚度较小北京长城饭店，22层，83.85m，
25、83年建成 北京长富宫中心，26层，90.85m，89年建成75框架支撑结构体系762、剪力墙结构体系优点：侧向刚度大缺点：布置受限制广州白云宾馆广州白云宾馆：33层，112.45米，剪力墙结构，1976年建成，国内首栋百米高层。36004000800080006600030003600030006600080008000400036007000078507850230077北京国际饭店：1987年建成，27层，底层层高5m，标准值层层高2.9m，总高度104m，剪力墙厚度为200600mm。上海花园饭店：34层，123m，89年建成783、框架剪力墙结构体系94000=36000750075
26、002000北京民族饭店：59年建成，12层框架剪力墙结构。79上海明天广场：60层，238m，最高的框架剪力墙结构，98年建成。804、筒体结构体系框筒结构体系筒中筒结构体系束筒结构体系筒体外伸结构体系5.13.437.04.04.04.04.04.03.45.122.835.14.53.33.34.53.93.93.93.93.916.8广东国际大厦：1990年建成，63层，底层层高4m，标准层3m，总高200.18米。外筒平面尺寸35.1m37m，由24根中柱和4根异形角柱组成；内筒为16.8m22.8m的矩形平面，壁厚300700mm。筒中筒结构（广东国际大厦）81美国西尔斯大厦美国西
27、尔斯大厦：110层，443米，束筒钢结构，1974年建成。允许位移900mm，实测460mm。用钢76000吨，砼55700立方米，安装了102部高速电梯。150层5166层6790层91层以上82筒体外伸结构体系835、框架筒体结构体系南京金陵饭店南京金陵饭店：37层，108米，框架-筒体结构，1983年建成。84上海金茂大厦：1998年建成，框架部分采用了钢骨混凝土，88层，总高度达到421米，是目前中国最高的建筑。框架筒体结构体系深圳地王大厦：68层，325米，框架部分为钢结构，96年建成。85马来西亚双塔楼马来西亚双塔楼：88层，450米，框筒结构，1996年建成。86巨型框架结构体系
28、香港汇丰银行香港汇丰银行873.1.3 高层结构布置原则一、平面布置简单、规则、对称、减小偏心高宽比超过限值需进行整体稳定性和抗倾覆验算P239底层大空间的落地剪力墙数量、间距要求框架剪力墙结构中的剪力墙间距88二、竖向布置规则、均匀，避免过大的外挑和内收竖向规则建筑：立面局部收紧尺寸不大于该方向总尺寸的25%；楼层刚度不小于相邻上层刚度的70%，且连续三层的总刚度下降不超过50%。对于底层大开间建筑，通过增加落地墙体的厚度或提高混凝土等级等措施，使上下层刚度比应控制在一定范围三、变形缝设置893.1.4 截面尺寸估算（根据变形限制要求）（根据变形限制要求）会使非结构构件破损会使人感觉不适竖向荷载会产生较大的附加弯矩90
