西安建筑科技大学高层建筑结构设计第一章重点梳理

高层建筑结构设计

1、学习本门课程的重要性

1) 一门主要专业课之一；

2）与先修课程密切联系；

3）与毕业设计和毕业后从事专业工作密切相关；

4）培养实践能力和创新精神。

2、本门课程的主要内容

1）绪论2）结构体系和结构布置

3）荷载和设计方法4）剪力墙结构分析与设计

5）框-剪结构分析与设计6）筒体结构分析与设计

3、学习本门课程中可能出现的几个矛盾？

1）课时少与课程内容较多（抓住内容主线、重点突出）

2）推导多、公式多（掌握思路、理解推导原理）

第1章 绪论

1.1 概 述

问题：高层建筑的定义？

通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但目前还没有一个统一的划分标准。

1）国外：

美国规定：高度22~25m以上或7层以上建筑为高层建筑；

英国规定：24.3m以上的建筑；

日本规定：8层以上或高度超过31m的建筑。

2）我国：

《高层民用建筑设计规范》GB50045-95 规定：≥10层的居住建筑或≥24m的公共建筑。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）：≥10层或≥28m；（本课程内容的依据）

3）国际上

1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类：

第一类：9～16层（最高50米）

第二类：17～25层（最高75米)

第三类：26～40层（最高100米）

第四类：40层以上(高于100米）

注：高层建筑的高度般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离，不包括局部突出屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度。

4）超高层建筑

最初来源于日本，1995年出现英文词条Super-tall building ；

没有明确的分界线和规定，一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑；

通常将高度超过 100m 或层数在 30 层以上的高层建筑称为超高层建筑。

1.2 高层建筑结构的设计特点

问题：与多层建筑相比有哪些的设计特点 ？ 1、水平荷载成为设计的决定性因素

1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比； 2）水平荷载产生的倾覆力矩以及轴力与高度的二次方成正比。

结构底部内力N 、M 与建筑高度H 的关系

竖向结构的轴力 wH N = （1.2.1）

结构底部的倾覆力矩 ()

()⎪⎩⎪⎨⎧=水平倒三角形荷载水平均布荷载2

2

qH 3

1qH 21M （1.2.2）

2 侧移成为设计的控制指标

结构顶点的侧移t u 与结构高度H 的四次方成正比，即

()()⎪⎩⎪⎨⎧=水平倒三角形荷载水平均布荷载44

t qH EI

12011qH EI 81u （1.2.3）

结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系：

（1）过大的水平位移会使人产生不安全感，会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，造成电梯轨道变形，影响正常使用；

（2）过大的侧移会使结构因Δ−P 效应而产生较大的附加内力等。 3 轴向变形的影响在设计中不容忽视

1）竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;

2）对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响。

休斯敦75层的某大厦，采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，底层的轴向压缩变形要比墙多260mm ，下料时需加长260mm ，并需逐层调整。

3）水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响

水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。

不同层数的双肢剪力墙结构，不考虑轴向变形时内力和侧移的计算误差，如下表所示。可见，结构层数越多，轴向变形的影响越大。

图1.2.5给出了水平荷载作用下双肢墙的内力、侧移分布曲线。

4 延性成为结构设计的重要指标

1）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。

2）延性系数μ：y u ΔΔ=/μ，用来衡量延性的大小。 3）延性的大小还表示结构“能量吸收与耗散”能力的大小；

4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。

5 结构材料用量显著增加

如图1.2.6所示，为高层建筑钢结构材料用量与高度的关系

1）对于高层建筑结构，随高度增大，材料用量增大较多。

2）特别是水平荷载对材料用量影响较大。

3）结构方案对材料用量影响很大，水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。

例如：

筒体结构可使结构用钢量大幅度减小，高381m的帝国大厦，采用平面框架结构体系，用钢量为206kg/m2；采用筒体结构，高344m的约翰.汉考克大厦用钢量仅为146kg/m2，高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/m2。

1.3 高层建筑结构的类型

问题：按使用的材料，高层建筑结构的类型？

按使用的材料，高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构等类型。

1、砌体结构

公元524年的河南嵩岳寺塔(15层简筒结构，高50m)

公元704年的西安大雁塔(7层砖木结构，总高64m)

公元1055年的河北定县料敌塔(11层筒体结构，高82m)

优点：取材容易、施工简便、造价低廉；

缺点：脆性材料，强度较低，抗震性能较差；

配筋砌体可改善砌体的受力性能，但较少用于高层。

2、混凝土结构

优点：承力大，刚度好、节约钢、可模性好、耐久、耐火性好

缺点：自重大、施工复杂、建造周期长；

应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构。

最早混凝土框架结构高层建筑，是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼，16层，高64m。

目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m，其次是平壤柳京饭店达105层300m。

平壤市的柳京饭店芝加哥西尔斯大厦(Sears Tower)

3、钢结构

优点：强度高、自重轻、施工周期短、抗震性能好；

缺点：用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差；

应用情况：采用钢结构的高层建筑不断的增多；美国、日本等从钢结构起步建造高层