高层建筑结构设计教案

高层建筑结构设计

教案

目录

第一章：高层建筑结构体系及布置 (2)

§1-1 概述 (2)

§1-2 高层建筑的结构体系 (7)

§1-3 结构总体布置原则 (9)

第二章：荷载及设计要求 (12)

§2-1 风荷载 (12)

§2-2 地震作用 (13)

§2-3 荷载效应组合及设计要求 (14)

第三章：框架结构的内力和位移计算 (15)

§3-1 框架结构在竖向荷载作用下的近似计算—分层法 (15)

§3-2 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（一）—反弯点法 (16)

§3-3 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（二）—改进反弯

点（D值）法 (17)

§3-4 框架在水平荷载作用下侧移的近似计算 (18)

第四章：剪力墙结构的内力和位移计算 (20)

§4-1 剪力墙结构的计算方法 (20)

§4-2 整体墙的计算 (22)

§4-3 双肢墙的计算 (23)

§4-4 关于墙肢剪切变形和轴向变形的影响以及各类剪力墙划

分判别式的讨论 (24)

§4-5 小开口整体墙的计算 (29)

§4-6 多肢墙和壁式框架的近似计算 (30)

第五章：框架—剪力墙结构的内力和位移计算 (30)

§5-1 框架—剪力墙的协同工作 (30)

§5-2 总框架的剪切刚度 (31)

§5-3 框—剪结构铰结体系在水平荷载下的计算 (32)

§5-4 框—剪结构刚结体系在水平荷载下的计算 (33)

§5-5 框架—剪力墙的受力特征及计算方法应用条件的说明 (36)

§5-6 结构扭转的近似计算 (36)

第六章：框架截面设计及构造 (36)

§6-1 框架延性设计的概念 (36)

§6-2 框架截面的设计内力 (37)

§6-3 框架梁设计 (39)

§6-4 框架柱设计 (42)

§6-5 框架节点区抗震设计 (47)

第七章：剪力墙截面设计及构造 (49)

§7-1 墙肢截面承载力计算 (49)

§7-2 连梁的设计 (53)

第一章高层建筑结构体系及布置

本章重点：①高层结构体系的受力特点；

②高层结构体系的种类及应用范围；

③高层结构体系的总体布置原则。

计划学时：5学时

§1-1概述

随着社会经济的不断发展，工业化、城市化进程的不断加快，以及土木工程和相关领域科学技术水平的提高，不仅使得高层、超高层建筑的建造成为可能，而且发展速度也越来越快。自从1885年建成10层高的家庭生命保险大厦（钢结构，詹尼设计， 1931年被拆除，通常被认为是世界第一栋高层建筑）以后，高层建筑在世界各国都得到了迅速的发展，许多高层建筑已成为了城市的标志性建筑。目前世界上高度超过300m的超高层建筑已达几十幢，其中，位于马来西亚首都吉隆坡的石油大厦，高度达到了451.9m，是目前世界上已建成并投入使用的最高建筑。近二十年来，高层建筑、超高层建筑在我国的发展速度完全可以用“突飞猛进”来形容，仅上海市目前的高层、超高层建筑已达到了2100幢，高度在100m马来西亚石油大厦

以上的超高层建筑就有140余幢。

其中，上海金茂大厦高度

为420.5m，是我国目前最高的建筑，世界排名第三位。目前世界最高十大建筑和我国内地最高十大建筑见表1-1和表1-2。

高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑布局，而且为当地的经济发展起到了巨大的带动作用。高层建筑的发展，得益于新材料的不断出现、力学分析方法和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞跃。随着高性能材料的不断研制和开发，结构形式合理性的进一步研究，可以预见，在今后的土木工程领域，高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式，扮演重要的角色。因此，掌握高层建筑的设计知识，是对土木工程领域技术人员的基本要求。

一、高层建筑的界定

高层建筑有什么特点？或者说什么样的建筑算作高层建筑？对于这一问题，世界各国有不同的划分标准，或者说不同的国家有不同的规定。1972年召开的国际高层建筑会议制订了如下的划分标准：

①多层建筑≤8层

第一类9~16层高度≤50m

②高层建筑第二类17~25层高度≤75m

第三类25~40层高度≤100m

③超高层建筑＞40层高度＞100m

我国《民用建筑设计通则》则规定，10层及10层以上的住宅建筑以及高度超过24ｍ的公共建筑和综合性建筑为高层建筑，而高度超过100m时，不论是住宅建筑还是公共建筑，一律称为超高层建筑。日本则将5层到15层的建筑称为高层建筑，超过15层的建筑均为超高层建筑。

事实上，究竟什么样的建筑算作高层建筑，应该视建筑的结构体系受力特点而定。如果建筑的结构体系，在侧向力的作用下，表现出了高层建筑的受力特点，则不论其高度如何，应该按照高层建筑来对待。

二、高层建筑的特点

一般而论，高层建筑具有占地面积少、建筑

面积大、造型特殊、集中化程度高的特点。正是这一特点，使得高层建筑在现代化大都市中得到了迅速的发展。在现代化大都市中，过度的人口和建筑密度，城

市用地日趋紧张，真可谓寸土千金，使得人们不得不向空间发展。高层建筑占地面积少，不仅可以大量的节省土地的投资，而且有较好的日照、采光和通风效果。但是，随着建筑高度的增加，建筑的防火、防灾、热岛效应等已成为人们急待解决的难题。

从受力角度来看，随着高层建筑高度的增上海金茂大厦

加，水平荷载（风载及地震作用）对结构起的

作用将越来越大。除了结构的内力将明显加大

外，结构的侧向位移增加更快。图1-1是结构

内力（N，M）、位移（△）与高度的关系，其中

弯矩和位移均成指数曲线上升。由此可见，高

层建筑不仅需要较大的承载能力，而且需要较

大的刚度，从而使水平荷载产生的侧向变形限

制在一定的范围内，满足有关规范的要求。

三、高层建筑的结构材料

现代高层建筑所采用的材料，主要是钢材和混凝土两种。不同国家、不同地区、不同结构形式所采用的结构材料不同，大致有以下几种形式：

１、钢结构

钢材强度高、韧性大、易于

加工。钢结构构件可以在工厂加工，缩短了现场施工工期，施工方便。高层钢结构具有结构断面小、自重轻、抗震性能好等优点。

但是，高层钢结构用钢量大，造价高，而且钢材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐处理，增加了工程工期和造价。

右图为美国芝加哥的西尔斯大厦，是目前世界上最高的钢结构高层建筑。

２、钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构造价低，材

料来源丰富，可以浇注成各种复杂的断面形式，节省钢材，承载能力也不低。经过合理的设计，现浇钢筋混凝土结构具有较好的整体性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能方面，更是有着钢西尔斯大厦

结构无法比的优势。其缺点是自

重较大，抗震性能不如钢结构，

建造高度也不如钢结构。香港的中环广场大厦，是目前最高的钢筋混凝土结构，其次是朝鲜平壤市的柳京饭店，101层，高度319.8m。

３、钢—混凝土组合结构

将型钢布置在构件内部，外部由钢筋混凝土做

成，或者是在钢管内部填充混凝土，做成钢—混凝土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互补，结构具有很好的抗震性能，建造高度可与钢结构相当。经济合理、技术性能优良的钢—混凝土组合结构，是目前的发展趋势。目前世界最高建筑——吉隆坡的石油大厦，就是这种结构形式。

四、高层建筑的发展简介

高层建筑的发展大致可以分成古代高层建筑和现代高层建筑两部分。在古