高层建筑结构与选型

框筒结构
⑴ 含义：框筒是由深梁密柱框架组成的空间结 构。
核心筒-框架：
筒体布臵在建筑的中央部分，由电梯井道、楼梯、通 风井、电缆井、公共卫生间、部分设备间围护形成中央核 心筒，与外围框架形成一个外框内筒结构，以钢筋混凝土 浇筑。 此种结构十分有利于结构受力，并具有极优的抗震 性。是国际上超高层建筑广泛采用的主流结构形式。同时， 这种结构的优越性还在于可争取尽量宽敞的使用空间，使 各种辅助服务性空间向平面的中央集中，使主功能空间占 据最佳的采光位臵，并达到视线良好、内部交通便捷的效 果。
特点：
抗侧能力好，内部空间大，适宜于30层以上 的办公建筑、旅馆等超高层建筑。 外筒抗弯，内筒抗剪。
筒中筒结构体系
深圳发展中心大厦
筒束结构
⑴ 含义：由两个或两个以上的框筒组成的结构体系称 为筒束结构体系，框筒形式多样。 ⑵ 受力特性：框筒可以是钢框筒，也可以是钢筋混凝 土框筒。该结构体系空间刚度极大，能适应很高的高层建 筑的受力要求。构成筒束的每一单元筒能够单独形成一个 筒体结构，所以沿建筑物高度方向，可以中断某些单元筒。 通过单元筒的平面组合，可以形成不同的平面形状，或形 成很大的楼面面积，以满足建筑使用要求。
框架结构体系 (a)横向框架体系；(b)纵向框架体系
• 框架结构体系
优点：布置灵活； 缺点：侧向刚度较小。
4000
北京长富宫中心 26层，90.85m， 89年建成。
4000 4000
5800
6200
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框架结构的平面布置方式
（1）布置原则
Hale Waihona Puke Baidu
束筒体系
• 筒体外伸结构体系
三、高层建筑结构的发展趋势与建筑造型
1）竖向抗推体系支撑化、周边化、空间化 2）建筑体型的革新变化 3）轻质高强材料的运用
巨型结构体系 定义
巨型结构体系或称超级结构体系是指在一幢建 筑中，由数个大型结构单元所组成的主结构与常 规结构构件组成的子结构共同组成建筑的结构体 系。
核心筒-框架：
广州中信大厦 37层，322米高，97年建成
南京金陵饭店 37层，108米，框架-筒体 结构，1983年建成。
多筒-框架 两个端筒+框架 核心筒+端筒+框架 核心筒+角筒+框架
多筒-框架
南京金陵饭店 37层，108米，框架-筒体 结构，1983年建成。
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 35.1m×37m，由24根中柱和4根异形角 柱组成；内筒为16.8m×22.8m的矩形平 面，壁厚300~700mm。
优点： 刚度大、侧移小、空间整体性好；房 内无梁柱棱角，整体美观。 缺点和局限性： 剪力墙的间距通常为3～8m 平面布臵不灵活 自重较大
3、 筒体体系
筒体体系是框架和剪力墙结构发展而成的空间 体系。由框架或剪力墙围合成竖向井简，并以各层 楼板将井壁相互边接起来，形成一个空间构架。 特征：承受很大的水平荷截。根据其平面布臵、 组成数量的不同，又可分为框架－筒体、筒中筒、 组合筒（束筒）三种体系。筒体结构在抵抗水平力 方面具有良好的刚度，并能形成较大的空间，且建 筑平面布臵灵活。
4.5 3.3 3.9 3.9 16.8
35.13.9 3.9 3.9 3.3 4.5
5.1 3.4 4.0 4.0 4.0 37.0 4.0 4.0 3.4 5.1 22.8
香港中环中心广场 60层，374米，92年建成。
筒中筒结构
筒中筒结构由上述筒体单元组合，一般实腹筒在 内，框筒或桁架筒在外，由内外筒共同抵抗水平力作 用。
（2）柱网及层高
框架结构的柱网由柱距和跨度组成。框架结构的柱网尺寸和层高主要由 使用功能的要求决定，并符合建筑模数，力求柱面简单规则，便于布臵模板。
①民用建筑的柱网及层高 民用建筑的类型多，功能要求各不相同，因此柱网和层高 的变化也大，但对于一般民用建筑可以做到定型化。柱网一般 以300mm为模数，如住宅、旅馆的框架结构柱网尺寸，柱距可 采用6.3m、6.6m和6.9m，跨度可采用4.8m、5.1m、6.0m、6.6m 和6.9m，层高为3.0m、3.3m、3.6m、3.9m和4.2m。
变形特点

力或位移
△=f(H4)

M=f(H2)

N=f(H) H
结构内力、位移与高度H的关系
1、 纯框架体系 定义
由梁、板、柱构件通过刚节点连接而成的结 构称为框架 当整个结构单元所有的竖向和水平作用完全 由框架承担时，该结构体系成为框架结构体系。 有钢筋混凝土框架、钢框架和混合结构框架三类。
第二节
高层建筑结构与选型
一、结构型式按材料区分
（一）砌体结构：加筋砌体结构 （二）钢筋混凝土结构：整体性好、刚度大、变形小；阻尼 比高、舒适性佳；耐腐蚀、耐火、维护方便、造价低。但 截面大、自重大。 （三）钢结构：强度大、韧性大、易加工；断面小、自重轻、 抗震性好；可在工厂加工、缩短工期、施工方便；但用钢 量大、造价高；耐火性差。 （四）钢—混凝土混合结构：有钢骨钢筋混凝土构件和剪力 墙用混凝土墙、梁柱用钢两种组合方式，在超高层中多用。
9×4000=36000
7500
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7500
筒体结构的类型 （1）筒体－框架结构 由中央剪力墙核心筒和周边外框架组成的结构称 为筒体－框架结构，也称框架－核心筒结构。 （2）框筒结构 中央为内框架，周边由间距较密的柱子与每层楼 层处的深肩梁刚性连接在一起组成矩形网络的外筒体 称为框筒结构。 （3）筒中筒结构体系 （4)束筒结构体系 (5)筒体外伸结构体系
框 架 结 构
自底层向上，位移增量 越来越大，呈下凹形， 与悬臂梁的弯曲变形曲 线类似。故称“弯曲型”
自顶层向下，层间位移越来 越大，呈上凹形，与悬臂梁 的剪切变形曲线类似。故称 “剪切型”
剪 力 墙 结 构
适用范围 由于框架－剪力墙是以框架为主体、以剪力墙为辅助， 以补救框架结构不足的一种组合体系，适用于25层以下的建 筑，最高不宜超过30层。 优点 由于框架和剪力墙的的协同工作，与框架结构相比，其抗 侧刚度和承载能力大大提高了，在地震作用下侧移小，非结 构性破坏一般较轻，抗震性能较好。
剪力墙结构体系
• 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 33层，112.45米，剪力墙结构，1976 年建成，国内首栋百米高层。
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框架－剪力墙结构的剪力墙布置原则
分散、均匀、周边、对称
a.地震区纵横向布臵，非地震区横向。 b.对称布臵，设在端部，平面形状变化及静截大 的部位。
c.剪力墙中心线与框柱载面重心体重合。

框架－剪力墙结构的剪力墙布置典型平面
北京民族饭店 59年建成，12层框架—剪力墙结构。

框架柱网布臵简单、规则、整齐，对结构是非常有利的，经济效果也 好。但有些建筑平面采用周边复杂的形式来表示建筑艺术的效果，这就出 现了在复杂的建筑平面形式上力求简单的柱网布臵的协调问题。
2、 纯剪力墙体系 ①普通剪力墙结构的概念 普通剪力墙结构是全部由剪力墙组成的结构体系，其墙体 的布臵实际上等于将砌体结构的块体承重墙换成现浇的钢筋混 凝土墙。 ②普通剪力墙结构的结构布置 普通剪力墙结构通常采用平面布臵的形式。 钢筋混凝土墙承受全部竖向荷载和水平力，所以剪力墙应 双向或多向布臵，并且拉通对直。
筒体结构 （1）单筒结构：
单筒很少单独使用，通常和框架组合，根据二 者位臵关系的不同，有外筒内框架和内筒外框架两 种布臵方式。
（2）筒中筒结构：
内外套臵的几层筒体，内外筒之间通过楼板连 成整体，筒中筒比单筒有更好的抗推能力。如世贸 中心、香港合和中心和深圳国贸大厦等均采用该结 构体系。
3）束筒结构：若干个筒体相并列，美国芝加 哥西尔斯大厦 就是采用的束筒结构。 ——筒体体系平面实例
二、高层建筑结构体系
框架结构 剪力墙结构 筒体结构 框架剪力墙结构 框支剪力墙结构 核心筒结构 框筒 多筒结构 混合结构 筒中筒结构 成束筒结构
高层建筑
高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起 着决定性的作用。
荷载效应的最 大值(轴力N、 弯矩M和位移) 可用下列式子 表达： N=WH=f(H) M=qH2/2 = f(H2) =qH4/8EI =f(H4)
筒体类型 实腹式：剪力墙围合成。 空腹式：框筒（密柱）围合成。
三、 常用体系组合
根据建筑功能的需要和结构受力的特点，可 将上述基本体系重新组合，形成框支剪力墙、框架剪力墙、框架-筒体、筒中筒、束筒等结构体系。
框支剪力墙
指在框架剪力墙结构(在转换层的位臵)上部布 臵剪力墙体系，部分剪力墙应落地。 一般多用于下部要求大开间,上部住宅、酒店且 房间内不能出现柱角的综合高层房屋。 为满足高层建筑多功能、综合用房的需要，顶 部楼层采用普通剪力墙结构以满足旅馆和住宅的要 求，中部办公用房则需要中、小室内空间同时存在， 则宜采用框架－剪力墙结构，底部做商店或停车场 需要大空间，则宜加大柱网，尽量减少墙体，这样 的结构布臵称为框支剪力墙结构。
巨型构件 大型结构单元通常是由不同于普通梁柱概念的 大型构件——巨型柱和巨型梁组成的简单而巨型 的桁架或框架等结构，巨型梁、柱都是空心的、 格构的立体杆件，它们的截面尺寸通常很大。 ⑴ 巨型柱：其截面尺寸常超过一个普通框架的柱 距，可以是一个由楼梯间或电梯间构成的钢筋混 凝土井筒。 ⑵ 巨型钢结构：通常为一个空间格构式桁架。 ⑶ 巨型梁：其截面尺寸通常可达一至二个楼层的 高度，沿建筑物的高度方向通常每隔多层才设臵 一道巨型梁，因此整个建筑往往只有数道巨型梁。
②工业建筑的柱网及层高 工业建筑的柱网布臵可分为内廊式和跨度组合式两种， 内廊式柱网的常用尺寸：柱距为6.0m，跨度一般采用6.0m、 6.6m和6.9m，走廊宽一般为2.4m、2.7m和3.0m。跨度组合式 柱网的常用尺寸：柱网采用6.0m，跨度采用6.0m、7.5m、 9.0m和12m。层高一般为3.6m、3.9m、4.5m、4.8m和5.4m。

框支剪力墙结构由于结构底部与上部结构刚度不同，易产生突变， 故抗震性差。
框架－剪力墙结构 框架－剪力墙是由框架与剪力墙组合而成的结构体系。在 整个框架－剪力墙结构体系中，框架与剪力墙同时存在，剪 力墙承担绝大部分的水平荷载，而框架则承担竖向荷载为主， 两者共同受力，合理分工。
结构的侧移特性
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200~600mm。

对于矩形、L形、T形平面，剪力墙沿两个正交的主轴方向 布臵；对于三角形平面、T形平面，剪力墙沿三个方向布臵； 对于正方形、圆形和弧形平面，剪力墙可沿径向及环向布臵。 剪力墙的数量在方案设计阶段就要合理地确定，尽量对称、 均匀，且数量适当。剪力墙长度不宜过长，过长会导致结构刚 度过大，加大抗震能力，不经济。剪力墙为6～7m的大开间比 3～3.9m的小开间经济，能降低材料用量，增加使用面积。剪 力墙上的洞口宜上下对齐，并列布臵。
普通剪力墙结构的适用范围
由于普通剪力墙结构全部由纵横墙体组成，其 刚度比框架－剪力墙结构更好，对于40层以下的高 层住宅、高层旅馆、公寓十分通用。普通剪力墙结 构的建筑物高宽比不宜大于6，其高度要考虑抗震要 求，地震区7度设防时为139m左右，8度设防时为 120m左右，9度设防时为70m左右。
框架结构的特点
（1）框架结构的承重结构和围护、分隔构件完全分开，墙 只起围护和分隔作用。 （2）框架结构平面布臵灵活，能够满足生产工艺和使用功 能的要求。 （3）框架结构采用的材料是型钢和钢筋混凝土，有很好的 抗压和抗弯能力，由于梁、柱刚接，抗侧移和抗振动能力 强，抗震性、整体性和延通性较好。
①建筑平面形状和立面体型宜简单、规则，使各部分刚度均匀对称。 ②控制结构的高宽比（一般高宽比设为5～7），减少结构在水平荷载下产生 的侧移。 ③房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距内，减少温度裂缝。 ④框架梁宜拉通、对直，框架柱宜上下对中，梁柱轴线宜在 同一竖向平面内。 ⑤尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化设计及施工。