第二章超高层建筑结构体系的选择(上)
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• 正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。例 正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。 的边界层为RWDI’s 2.4m×1.9m 如，风洞试验，也在加拿大Ontario的边界层为 风洞试验，也在加拿大 的边界层为 × 的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。 和4.9m×1.4m的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。风洞 × 的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究 试验项目包括刚性模型天平测力试验 试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model force balance 刚性模型天平测力试验 tests)、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域 、全气动弹性模型试验 、 压力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。试验时 压力测试 、人行道风环境研究。 采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风环境研究(pedestrian 的模型。然而，在人行道风环境研究 采用的大多是 的模型 wind environment studies)中采用更大的 中采用更大的1:250的模型，目的在于用 的模型， 中采用更大的 的模型 空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的）预测 空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的） 的反应程度和（ 的反应程度和（风）重现期之间建立联系起着重要作用。为了确定上 重现期之间建立联系起着重要作用。 层风况(wind regime)，广泛利用地面风数据、气球（探测风）数据 层风况 ，广泛利用地面风数据、气球（探测风） 和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果[2]。 和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果 。
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第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素
• 1、风荷载 、 台北-101的大楼设计，除了参考国内规范，还委托加拿大 的大楼设计， 台北 的大楼设计 除了参考国内规范， 的Rowan Williams Davies & Irwin Inc.(RWDI) 公司研 究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。 究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。以1:500比例制 比例制 作现场半径为600 m以内的风场环境模输入以 度为单位 以内的风场环境模输入以10度为单位 作现场半径为 以内的风场环境模输入以 风力模拟实际的建筑物受力情况。 风力模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的风速高 度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验 的地形模型中进行边界层风洞试验 度分布特性以 的地形模型中进行 ），然后得到大气边界层 （Boundary layer tunnel test），然后得到大气边界层 ）， 采用高频率力平衡模式(高频动 风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式 风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式 高频动 态天平测力技术)（ 态天平测力技术 （High-frequency force-balance）， ）， 结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩， 结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩，扭力和剪力的 分布曲线统计回归获得，并且， 分布曲线统计回归获得，并且，配合结构动力特性计算结 构体的加速度反应 这样， 加速度反应。 构体的加速度反应。这样，这些数据提供设计单位作为设 计风力的依据 。
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• 3、地基基础 、
由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一 般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总 荷载超过3,000,000kN（30万吨），混凝土巨型柱荷载为 101,670kN（1万余吨）；又如，台北-101大楼，建筑物 总垂直荷载达40万余吨，因此，对地基基础的要求高。在 上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏或桩 必须采用桩筏或桩 箱基础。 箱基础。台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用 现场浇注桩，深入岩层；而高雄的85层东帝士大楼[4]，岩 层在地面100m以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲 积土，采用框格式地下连续墙（Barrette）。新加坡的 框格式地下连续墙（ 框格式地下连续墙 ） Raffle City的72层、42层、32层的高楼群，地层条件好而
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采用筏板基础。
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• 4、业主要求
• 业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。 业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。 建筑艺术 有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。 有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。上述三个 主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师， 主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师， 要满足建筑艺术、功能和经济的要求， 要满足建筑艺术、功能和经济的要求，有赖于建 筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。 筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。 • 此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下 此外， 也可能成为一个控制因素。 也可能成为一个控制因素。
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风载取值
• 对于一般高层建筑，可按照我国规范《建筑结构 荷载规范》（GB50009-2001）。但是，该规范 荷载的规定是基于低空（8 m ~12 m）风速观测 数据以及多层建筑和一般高层建筑的单体模型风 单体模型风 洞试验研究成果以及工程经验，当用于超过200 洞试验 m以上的超高层建筑，可能不大合适。例如，美 国SOM（Skidmore, Owings and Merrill）和 LERA（ Leslie E. Robertson Associate）设计事 务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计 所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。
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• 4．筒体结构体系 • 筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个 竖向井筒式的封闭结构，结构刚度很大， 具有较大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也 较好。但是，由于核心筒的平面尺寸受到 限制，侧向刚度有限，高度一般不能超过 30~40层。上世纪的60年代开始，发展成为 框筒结构，其平面尺寸比较大，可用于40 层以上的结构。随着高层建筑的发展，层 数越来越多，尤其是，电梯间的设置，自 然形成一种内核心筒，发展成为筒中筒结 构体系。
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• 2、地震力
• 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区，对 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区， 地震已进行许多年的深入研究， 地震已进行许多年的深入研究，地震前也几乎无法预测何时何地会发 生地震。因此，对待地震应倍加重视。 生地震。因此，对待地震应倍加重视。 • 对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北 对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北-101，地 ， 处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。 处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要 的断层的深入研究[3] 的是对离建筑场地 200m的断层的深入研究 ，经过多方面的考察 的断层的深入研究 与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层， 与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层， 因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙， 因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙，巍 然不动，这是一个宝贵经验。 然不动，这是一个宝贵经验。
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影响结构选型的四要素： 风荷载→风洞试验确定 地震力→难以预测 地基基础→桩筏、桩箱配以框格式地下连 续墙 • 业主要求→建筑艺术、功能和经济 • • • •
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第二节 （超）高层建筑结构体系
• 结构型式要满足哪些要求？ • 主要结构型式与高层建筑层数。
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第三节 （超）高层建筑工程实例
• 每一实例的上部结构型式 • 基础 • 其他特点
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• 实例1——上海工业展览中心（Shanghai Industrial Exhibition Center） • 这是一座位于南京西路闹市区的1953年建造的展览馆，由 前苏联专家设计。中央大厅为框架结构，14层，塔顶最高 为91.3m，见图2-6。大厅采用箱基，两翼为条形基础。箱 基的尺寸为46.5m×46.5m×7.27m，顶板厚度为0.2m， 底板厚度为1.0m，基础埋深只有50cm，基底压力为 129kPa，附加压力为120kPa, 地基为淤泥质软土，压缩 性大，在压缩层范围内平均压缩模量为2.5MPa （25kg/cm2），限于当时历史条件，前苏联专家不了解 上海的软土特点，坚持采用埋置深度很浅的箱形基础。 1954年建成尚未投入使用时的沉降已超过1m。在1974年 间根据上海市水文地质二大队近20年的辛勤劳动获得的沉 降观测资料，由赵锡宏教授绘制和推算的沉降量为 166.6cm，沉降随时间变化的曲线见图2-7。现在工程使 用良好。
第二章（超）高层建筑结 构体形选择
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主要内容
• • • • • • 第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素 第二节 高层和超高层建筑结构体系 第三节 高层和超高层建筑工程实例 第四节 高层和超高层建筑结构体系的选择 第五节 超高层建筑的阻尼器问题 第六节 结束语
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• 内筒与外筒通常采用密肋楼板连接，使每层楼板 在平面内的刚度非常大，当采用钢筋混凝土楼板， 其跨度可取8m~12m，当采用钢结构，其跨度可 取约15m。加大内外筒的间距，不仅对建筑平面 布置有利，而且，也加大内外筒的受力。因此， 筒中筒结构的侧向刚度很大，在水平荷载作用下， 侧向变形小，抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭 转力矩的能力强。 • 多筒结构。对于超高层建筑，一般均采用多筒结 构体系。三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构 和组合筒结构。这种结构的刚度特别大，抗震力 也特别强。
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• 3．框架-剪力墙结构（简称框剪结构）体系。 • 框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力 墙。剪力墙可以单片分散布置，也可以集 中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载， 而且承受绝大部分水平荷载。其布置是否 合理直接影响结构的安全和经济。在我国 基本上用以20层以内的高层建筑，也有超 过20层，例如，29层的上海宾馆。
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• 筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重 筒体结构和成束筒结构等。 • 框筒结构。在高层建筑中，利用电梯间等形成的 内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结 构。实质上，这是框筒结构。例如，实例5——美 国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。 • 筒中筒结构。一般来说，对于40~50层以上的高 层建筑，框筒结构难于满足要求，此时，需要采 用刚度很大的筒中筒结构体系，即内外筒的双筒 体结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒 结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝 土筒中筒结构。
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• 从技术层面讲，高层建筑的结构体系要满 足其强度、刚度、抗剪、抗扭能力等方面 的要求，并与建筑外型相适应。 • 主要结构型式：框架、框架剪力墙、剪力 墙、筒体。
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• 1．框架结构体系。 • 竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较 大空间，建筑布置灵活，使用面积可以加大，适 用于低层建筑。 • 2．剪力墙结构体系。 • 剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间 的填充墙合二为一，成为一个宽而薄的矩形断面 墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩，还 承受风力或地震作用产生的水平力。剪力墙在抗 震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高， 有一定的延性。结构传力直接均匀，整体性好， 抗震能力也较强。是一个多功能高强结构体系。 因此，可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。 中国最高的53层的水景豪宅——世茂滨江花园就 是采用剪力墙结构。
• 正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。例 正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。 的边界层为RWDI’s 2.4m×1.9m 如，风洞试验，也在加拿大Ontario的边界层为 风洞试验，也在加拿大 的边界层为 × 的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。 和4.9m×1.4m的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。风洞 × 的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究 试验项目包括刚性模型天平测力试验 试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model force balance 刚性模型天平测力试验 tests)、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域 、全气动弹性模型试验 、 压力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。试验时 压力测试 、人行道风环境研究。 采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风环境研究(pedestrian 的模型。然而，在人行道风环境研究 采用的大多是 的模型 wind environment studies)中采用更大的 中采用更大的1:250的模型，目的在于用 的模型， 中采用更大的 的模型 空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的）预测 空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的） 的反应程度和（ 的反应程度和（风）重现期之间建立联系起着重要作用。为了确定上 重现期之间建立联系起着重要作用。 层风况(wind regime)，广泛利用地面风数据、气球（探测风）数据 层风况 ，广泛利用地面风数据、气球（探测风） 和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果[2]。 和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果 。
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第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素
• 1、风荷载 、 台北-101的大楼设计，除了参考国内规范，还委托加拿大 的大楼设计， 台北 的大楼设计 除了参考国内规范， 的Rowan Williams Davies & Irwin Inc.(RWDI) 公司研 究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。 究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。以1:500比例制 比例制 作现场半径为600 m以内的风场环境模输入以 度为单位 以内的风场环境模输入以10度为单位 作现场半径为 以内的风场环境模输入以 风力模拟实际的建筑物受力情况。 风力模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的风速高 度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验 的地形模型中进行边界层风洞试验 度分布特性以 的地形模型中进行 ），然后得到大气边界层 （Boundary layer tunnel test），然后得到大气边界层 ）， 采用高频率力平衡模式(高频动 风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式 风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式 高频动 态天平测力技术)（ 态天平测力技术 （High-frequency force-balance）， ）， 结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩， 结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩，扭力和剪力的 分布曲线统计回归获得，并且， 分布曲线统计回归获得，并且，配合结构动力特性计算结 构体的加速度反应 这样， 加速度反应。 构体的加速度反应。这样，这些数据提供设计单位作为设 计风力的依据 。
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• 3、地基基础 、
由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一 般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总 荷载超过3,000,000kN（30万吨），混凝土巨型柱荷载为 101,670kN（1万余吨）；又如，台北-101大楼，建筑物 总垂直荷载达40万余吨，因此，对地基基础的要求高。在 上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏或桩 必须采用桩筏或桩 箱基础。 箱基础。台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用 现场浇注桩，深入岩层；而高雄的85层东帝士大楼[4]，岩 层在地面100m以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲 积土，采用框格式地下连续墙（Barrette）。新加坡的 框格式地下连续墙（ 框格式地下连续墙 ） Raffle City的72层、42层、32层的高楼群，地层条件好而
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采用筏板基础。
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• 4、业主要求
• 业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。 业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。 建筑艺术 有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。 有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。上述三个 主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师， 主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师， 要满足建筑艺术、功能和经济的要求， 要满足建筑艺术、功能和经济的要求，有赖于建 筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。 筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。 • 此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下 此外， 也可能成为一个控制因素。 也可能成为一个控制因素。
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风载取值
• 对于一般高层建筑，可按照我国规范《建筑结构 荷载规范》（GB50009-2001）。但是，该规范 荷载的规定是基于低空（8 m ~12 m）风速观测 数据以及多层建筑和一般高层建筑的单体模型风 单体模型风 洞试验研究成果以及工程经验，当用于超过200 洞试验 m以上的超高层建筑，可能不大合适。例如，美 国SOM（Skidmore, Owings and Merrill）和 LERA（ Leslie E. Robertson Associate）设计事 务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计 所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。
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• 4．筒体结构体系 • 筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个 竖向井筒式的封闭结构，结构刚度很大， 具有较大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也 较好。但是，由于核心筒的平面尺寸受到 限制，侧向刚度有限，高度一般不能超过 30~40层。上世纪的60年代开始，发展成为 框筒结构，其平面尺寸比较大，可用于40 层以上的结构。随着高层建筑的发展，层 数越来越多，尤其是，电梯间的设置，自 然形成一种内核心筒，发展成为筒中筒结 构体系。
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• 2、地震力
• 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区，对 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区， 地震已进行许多年的深入研究， 地震已进行许多年的深入研究，地震前也几乎无法预测何时何地会发 生地震。因此，对待地震应倍加重视。 生地震。因此，对待地震应倍加重视。 • 对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北 对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北-101，地 ， 处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。 处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要 的断层的深入研究[3] 的是对离建筑场地 200m的断层的深入研究 ，经过多方面的考察 的断层的深入研究 与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层， 与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层， 因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙， 因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙，巍 然不动，这是一个宝贵经验。 然不动，这是一个宝贵经验。
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影响结构选型的四要素： 风荷载→风洞试验确定 地震力→难以预测 地基基础→桩筏、桩箱配以框格式地下连 续墙 • 业主要求→建筑艺术、功能和经济 • • • •
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第二节 （超）高层建筑结构体系
• 结构型式要满足哪些要求？ • 主要结构型式与高层建筑层数。
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第三节 （超）高层建筑工程实例
• 每一实例的上部结构型式 • 基础 • 其他特点
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• 实例1——上海工业展览中心（Shanghai Industrial Exhibition Center） • 这是一座位于南京西路闹市区的1953年建造的展览馆，由 前苏联专家设计。中央大厅为框架结构，14层，塔顶最高 为91.3m，见图2-6。大厅采用箱基，两翼为条形基础。箱 基的尺寸为46.5m×46.5m×7.27m，顶板厚度为0.2m， 底板厚度为1.0m，基础埋深只有50cm，基底压力为 129kPa，附加压力为120kPa, 地基为淤泥质软土，压缩 性大，在压缩层范围内平均压缩模量为2.5MPa （25kg/cm2），限于当时历史条件，前苏联专家不了解 上海的软土特点，坚持采用埋置深度很浅的箱形基础。 1954年建成尚未投入使用时的沉降已超过1m。在1974年 间根据上海市水文地质二大队近20年的辛勤劳动获得的沉 降观测资料，由赵锡宏教授绘制和推算的沉降量为 166.6cm，沉降随时间变化的曲线见图2-7。现在工程使 用良好。
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主要内容
• • • • • • 第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素 第二节 高层和超高层建筑结构体系 第三节 高层和超高层建筑工程实例 第四节 高层和超高层建筑结构体系的选择 第五节 超高层建筑的阻尼器问题 第六节 结束语
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• 内筒与外筒通常采用密肋楼板连接，使每层楼板 在平面内的刚度非常大，当采用钢筋混凝土楼板， 其跨度可取8m~12m，当采用钢结构，其跨度可 取约15m。加大内外筒的间距，不仅对建筑平面 布置有利，而且，也加大内外筒的受力。因此， 筒中筒结构的侧向刚度很大，在水平荷载作用下， 侧向变形小，抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭 转力矩的能力强。 • 多筒结构。对于超高层建筑，一般均采用多筒结 构体系。三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构 和组合筒结构。这种结构的刚度特别大，抗震力 也特别强。
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• 3．框架-剪力墙结构（简称框剪结构）体系。 • 框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力 墙。剪力墙可以单片分散布置，也可以集 中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载， 而且承受绝大部分水平荷载。其布置是否 合理直接影响结构的安全和经济。在我国 基本上用以20层以内的高层建筑，也有超 过20层，例如，29层的上海宾馆。
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• 筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重 筒体结构和成束筒结构等。 • 框筒结构。在高层建筑中，利用电梯间等形成的 内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结 构。实质上，这是框筒结构。例如，实例5——美 国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。 • 筒中筒结构。一般来说，对于40~50层以上的高 层建筑，框筒结构难于满足要求，此时，需要采 用刚度很大的筒中筒结构体系，即内外筒的双筒 体结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒 结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝 土筒中筒结构。
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• 从技术层面讲，高层建筑的结构体系要满 足其强度、刚度、抗剪、抗扭能力等方面 的要求，并与建筑外型相适应。 • 主要结构型式：框架、框架剪力墙、剪力 墙、筒体。
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• 1．框架结构体系。 • 竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较 大空间，建筑布置灵活，使用面积可以加大，适 用于低层建筑。 • 2．剪力墙结构体系。 • 剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间 的填充墙合二为一，成为一个宽而薄的矩形断面 墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩，还 承受风力或地震作用产生的水平力。剪力墙在抗 震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高， 有一定的延性。结构传力直接均匀，整体性好， 抗震能力也较强。是一个多功能高强结构体系。 因此，可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。 中国最高的53层的水景豪宅——世茂滨江花园就 是采用剪力墙结构。