吕西林课件1-高层建筑结构分析与设计理论

复杂高层建筑结构分析
与设计理论
（结构工程博士生课程教学要点）
同济大学土木工程学院
吕西林
主要教学内容
1. 绪论
2. 高层建筑结构体系的分类
3. 高层建筑楼盖系统
主要包括压型钢板组合楼盖系统、预应力混凝土楼盖系统、钢筋混凝土梁板系统。

4. 高层建筑结构抗侧力系统
主要包括抗侧力和抗弯框架系统、剪力系统、框架－剪力墙系统、核心筒和外伸桁架系
统、筒体系统、混合系统。

5. 高层建筑结构抗灾保护与设计
主要包括高层建筑的风振控制、结构构件的抗火设计、结构的抗震保护系统。

6. 高层建筑结构分析与设计程序
主要包括国内重要商用程序、国外重要商用程序、结构分析与设计程序的发展需求。

7. 超限高层建筑结构分析与设计实例
主要介绍近年来国内外已建成和正在设计建造的大型复杂高层建筑工程的结构体系、结构设计、抗震研究实例
8. 未来的高层建筑结构体系
主要包括建筑设计趋势、结构设计趋势。

主要教材及参考书•Structural systems for tall buildings, Council on tall buildings and urban habitat, McGRAW-HILL, 1995.
•高层建筑结构方案优选，刘大海，中国建筑工业出版社，1996年。

•复杂高层建筑结构抗震理论与应用，吕西林，科学出版社，2007年。

•1998年以来《全国高层建筑结构学术交流会论文集》、《全国高层建筑抗震学术交流会论文集》、《国际高层建筑学术会议论文集》等。

基金资助。

教学方式
•讲课与自学阅读相结合：讲课1次到5次，主要是介绍教学要求，布置自学内容及考核要点。

•学生根据教学内容要求及阅读的材料写出读书报告，必要时可进行课堂讨论，请同学们自己讲述看过的资料。

•课程的最后报告要经过三位教授的审评，根据报告的深度和广度给出成绩。

主要部分的学习要求
1、高层建筑结构体系•Classification of tall building structural
systems
•Material: steel, concrete, composite.•Gravity load resisting system: floor framing (beams, slabs), columns, trusses, foundations.
•Lateral load resisting systems: walls, frames, trusses, diaphragms.
•Type and magnitude of lateral loads: wind, seismic, airplane attack?
•Strength and serviceability requirements: drift, acceleration, ductility.•Comparison of structural systems for different height of tall buildings, see the Fig. In next page.
•Tall building floor systems:composite steel floor system, prestressed and posttensioned concrete floor system.
•Lateral load resisting system:B raced frame and moment resisting frame system. Braced frames are cantilevered vertical trusses resisting lateral loads primarily through the axial stiffness of the frame members. Moment resisting frame consists of horizontal and vertical members rigidly connected together in a planar grid form which resists lateral loads primarily through the flexural stiffness of the members.
•Lateral load resisting system (cont.): S hear wall systems;
Core and outrigger systems;
Tubular systems;
Hybrid systems (mega-frame system, concrete and steel composite system, etc.).
Tower (Armani hotel) floor plan Construction site (2007.7)
Tower
steel tube
Middle SRC
Lower RC
The services core tube The outriggers
Outrigger truss
Belt
truss Mega-
brace
Mega-
column
Mega-
column
Core wall
Belt truss
Mega-column
Core wall
Outrigger
truss
Mega-column
上海环球金融中心结构体系概念图Structural concept
Tokyo Green
Palace Hotel
结构特点:
底部六层右侧
为框架-剪力墙结构; 左侧为几
根六层高的钢
柱; 上部为框架
-剪力墙结构.
由于刚度突变
可能引起较大
的扭转效应.
英国将建300层摩天塔楼(伦敦通天塔), 高1524米, 从云层取水
“伦敦通天塔”据称可容纳100万人同时居住
Russia Tower, 612m
中国117大厦集高档商务写字楼、商务公寓和六星级酒店于一身，建成后将是天津高新区一张亮丽的“城市名片”，成为高新区乃至天津市极具代表性的标志性建筑。

图为工程效果图
迪拜将建旋转摩天楼每层可360度旋转(图)
“旋转大厦”可以变幻出各种形状按照当前的设计方案，这座旋转摩天楼将达80层，高度
约为420米，每一层都可以360度旋转。

这座大楼的中心轴当然是设计建造最关键的地方，它必须保证将各层楼牢牢地穿在一起，承受相应的重量，稳固而坚实。

同时，它又需要满足各层楼转动的要求，让它们可以单独、自如的转动。

这幢摩天大厦大部分采用特殊钢质构造，具有很轻的硬度，又有很好的韧性。

(2008.6)
阿联酋迪拜市宣布
了一个更具雄心的计划——建造一座高度1000米以上的摩天大楼。

这座摩天大楼高约1073米，相当于三座克莱斯勒大楼的高度。

该项目称为纳赫勒港湾大楼(Nakheel Harbour& Tower)，位于迪拜市两座棕榈树形状的人工岛之间。

纳赫勒港湾大楼包括一个人工内河港口和40座高90层的大楼组成。

(2008.10)
2、高层建筑结构的方案优选
•钢筋混凝土结构的适用范围及合理高度框架体系；板柱体系；剪力墙体系（现浇及装配式体系，框支剪力墙体系）；框架-剪力墙体系；框架-核心筒体系；筒中筒体系；主次框架体系，等等。

•钢结构体系的适用范围及合理高度框架体系；框架-支撑体系；框架-束筒体系；筒中筒体系；巨型框架体系，等。

•型钢混凝土结构体系
•型钢混凝土结构体系:包括劲性钢筋混凝土结构（有时也称钢骨混凝土结构）及钢管（圆钢管和矩形钢管）混凝土结构。

主要受力构件柱和墙采用型钢混凝土较多，有时也采用组合梁。

•混凝土-钢混合结构体系
一般指平面中部采用钢筋混凝土核心筒、外部采用钢框架或型钢混凝土框架的结构体系，例如，上海金茂大厦中心为钢筋混凝土核心筒、外部为型钢混凝土柱和钢梁组成的框架。

3、高层建筑结构的抗震概念设计
•1）避免地面变形的直接危害•2）减少地震能量输入
•3）通过结构措施降低地震反应•4）有利的建筑体型
•5）合理的结构布置
•6）恰当的结构材料
•7）多道抗震防线
•8）抗侧力体系的优化
•9）控制结构变形
•10）刚度、承载力和延性的合理匹配•11）确保结构的整体性
•12）减轻建筑物自重
•13）重视构件和连接的细部设计•14）妥善设计非结构构件
•抗震概念设计是结构抗震设计中非常重要的环节，有时比计算设计更加重要，在设计规范中概念设计是通过许多规定、限值和构造措施来实现的。

4、高层建筑结构分析的最新方法•包括有限元法、有限条法、各种简化分析方法；楼板变形的考虑方法；竖向荷载作用下轴向变形影响的分析方法；•几种通用有限元程序的原理和基本功
能，例如Ansys, Etabs, SAP series, 国内的PK, PM series, Satwe, Pmsap, Sap84, MIDAS/Gen等。

•Push-over 分析方法及其适用范围，弹塑性时程分析方法及存在问题等。

5、型钢混凝土结构受力特点与设计原则•型钢混凝土结构（SRC结构）的特点：
1）钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受
力；2）与全钢结构相比，节约钢材1/3
左右；3）抗火性能好；4）型钢骨架可
以为施工提供方便并可加快进度。

•型钢混凝土柱的受力与设计要点
•型钢混凝土梁的受力与设计要点
•型钢混凝土梁柱节点的受力与设计要点•型钢混凝土剪力墙的受力与设计要点
6、混凝土—钢混合结构的受力特点
与设计原则
•两种结构材料引起的变形差异对结构内力的影响。

•两种结构材料刚度差异对结构受力的影响。

•两种结构材料的阻尼比研究及对结构地震反应的影响。

•最大适用高度和变形控制要求。

•结构布置和结构设计原则
•连接与节点设计。