《高层建筑结构设计》PPT课件.ppt

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1、高层建筑结构设计,西安建筑科技大学土木工程学院,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;7)计算机分析方法和程序。,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）4、教学方法和手段 1）传统教学与多媒体教学相结合；,主要内容：,主要内容

2、,1.1 概 述 1.2 高层建筑结构的设计特点 1.3 高层建筑结构的类型 1.4 高层建筑的发展概况,1.1 概 述,通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。1）国外：（1）美国规定：高度为2225m以上或7层以上建筑为高层建筑；（2）英国规定：高度为24.3m以上的建筑为高层建筑；（3）日本规定：8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。2）我国：（1）高层民用建筑设计规范GB50045-95 和高层民用建筑设计防火规范 GBJ50045-2002和 规定：10层的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）或24m的公共建筑。（2）高层建筑混凝土结

3、构技术规程（JGJ3-2002）规定：10层 或 28m；（本课程内容的依据）,1.1 概述,1.1 概 述,3）国际上1972年国际高层建筑会议将高层建筑分为4类：第一类为916层（最高50米）第二类为1725层（最高75米)第三类为2640层（最高100米）第四类为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

4、30 层以上的高层建筑称为超高层建筑。,本节小结：1）多少层数或多少高度以上的建筑为高层建筑，全世界至今没有一个统一的划分标准，不同的国家、不同的年代，其规定也不一样2）高层建筑的规定与一个国家当时的经济条件、建筑技术、电梯设备、消防装置等许多因素有关。3）超高层建筑也没有统一划分标准，一般一般泛指某个国家和地区内较高的高层建筑。,1.1 概 述,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。,1.2 高层建筑结构的设计特点,1.

5、2 高层建筑结构的设计特点,2、侧移成为设计的控制指标 1）结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比；2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系；过大侧移会使人产生不安全感；使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因P-效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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；Houston 75层的某商业大厦，采用剪力墙和钢

6、柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，其底层钢柱压缩变形比墙多260mm。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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。表中为某剪力墙的计算结果。,由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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：用来衡量延性的大小。3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。4）为了保证

7、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。,1.2 高层建筑结构的设计特点,5、结构材料用量显著增加 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。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。,本节小结1）高层建筑同时承受竖

8、向荷载和水平荷载，随着房屋层数的增加，虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要的影响，但水平荷载已成为结构设计的控制因素。水平荷载产生的内力与高度的二次方成正比，侧移与高度的四次方成正比。2）对高层建筑，水平荷载和竖向荷载产生的轴力均很大，不容忽略。3）为了保证高层建筑的抗震性能，结构应具有较大的延性。4）高层建筑的材料用量随高度增加而加大，可通过优化设计减小材料用量。,1.2 高层建筑结构的设计特点,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？,1、砌体结构 优点：取材容易、施工简便、造价低廉；缺点：脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度均较低，抗震性能较差；配筋砌体可改善砌体的受

9、力性能，但较少用于高层。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),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。,1.3 高层建筑结构的类型,1.3 高层建筑结构的类型,2、混凝土结构 优点：取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大，刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好；缺点：自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响；应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今后仍将是高层建筑发展的主流。最早混凝土框架结

10、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,1.3 高层建筑结构的类型,3、钢结构 优点：材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、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建筑的国家已转向发展混凝土结构。目前世界上最高的钢结构建筑为美国芝加哥西尔斯大厦，110层、高443m。,芝加哥西尔斯大厦(Sears Tower)，110层，高443m

11、，钢结构,1.3 高层建筑结构的类型,1.3 高层建筑结构的类型,定义：钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构（1）组合结构：将钢骨放在构件内部，外部，采用外包或内填混凝土，称为钢骨混凝土 或钢管混凝土。（形成组合构件）（2）混合结构：指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空间结构。（形成混合结构）,4、钢-混凝土组合结构或混合结构 不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点，同时还兼有混凝土结构刚度大、防火性能好、造价低的优点。近年来，这种结构形式逐渐增多，而且发展前景非常好。,1.3 高层建筑结构的类型,上海环球金融中心,RC核心筒+外伸桁架和巨型（型

12、钢）柱(三重结构体系)，101层，高492m，7度抗震设防,核芯筒,底部剪力墙,1.3 高层建筑结构的类型,台北101金融大楼 高508米，超过美国芝加哥的西尔斯大楼，马来西亚双塔等大楼，成为新的全球第一高楼。采用方钢管混凝土柱，混凝土核心筒混合结构。,1.3 高层建筑结构的类型,大楼历时5年多，耗资600亿币。总面积7万多平方米，共容纳了160多家商店。(包括地下5层、其中B2到B5为地下停车场、地上101层，其中有78层是办公大楼，裙楼部分则是购物中心。,1.3 高层建筑结构的类型,1998年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦（Petronas Tower），88层，高452m，为当时世

13、界最高的建筑。,本节小结：1）高层建筑结构的主要材料：钢、钢筋、混凝土 相应的结构构件（以材料分类）可分为：钢构件、钢筋混凝土构件、组合构件（包括钢骨混凝土构件和钢管混凝土构件）。相应的结构分类（以材料分类）：钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构（两种或两种以上材料的构件组成的结构，如钢构件+钢筋混凝土构件等）2）钢结构具有强度高，自重轻（有利于基础），延性好，变形能力大，有利于抗震，可以工厂预制，现场拼装，交叉作业。但价格高，防火材料（增加造价），侧向刚度小。,1.3 高层建筑结构的类型,3）钢筋混凝土是应用最广的建筑材料，绝大部分高层建筑为钢筋混凝土结构。具有价格低（地方材料），可浇筑成任何形

14、状，不需要防火，刚度大。但强度低，构件截面大，占用空间大，自重大，不利于基础、抗震，延性不如钢结构。高强混凝土是近40年来建筑材料最重要的发明创造。高强可减小柱、墙截面尺寸，早强可加快施工进度，密实可提高耐久性、弹性模量高，徐变小可减小压缩变形。但高强混凝土变形能力小，脆性大，易开裂，耐火不如普通混凝土等。4）组合结构是以钢骨为骨架，外包钢筋混凝土，钢骨、混凝土为整体、共同受力，钢骨可以做施工平台，与钢构件比：用钢少，刚度大，防火、防锈；与混凝土构件比：重量轻，承载力大，抗震性能好。,1.3 高层建筑结构的类型,1.4 高层建筑的发展概况,高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物，至今已有1

15、00余年的历史，是城市现代化的象征。尽管历史较短，但其发展速度很快。近30年来，世界各地兴建的高层建筑，其规模之大，数量之多，技术之先进，形式之多样，外观之新颖，无一不让人惊叹称奇。国外发展概况：1）19 世纪中期至 19 世纪末为高层建筑的形成期。1851年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能。高层建筑从最初采用铸铁框架到钢框架，建筑物的高度越过了100m大关，1898年纽约建造了Park Row大厦（30层118m）。,1.3 高层建筑的发展概况,2）20 世纪末至 20 世纪 50 年代初为高层建筑的发展期。在结构理论方面突破了纯框架抗侧力体系，提出在框架结构中设置竖向支撑或剪力

16、墙，来增加高层建筑的侧向刚度。这一时期，混凝土作为建筑材料开始进入高层建筑领域。但由于仅采用平面结构（框架结构）设计理论，且材料强度较低，发展受到限制，仅建造于非地震区。这一时期的典型建筑：1905年建造了50层的Metrop Litann大楼；1907年在纽约建造了辛尔大楼，47层，高187m，为第一幢超过金字塔高度的高层建筑；1913年纽约又建造了60层、高242m的乌尔瓦斯（Woolworth）大楼；1923年建造了高319m的Charysler大厦；1931年，建造了著名的帝国大厦，102层、高381m，它保持世界最高建筑达41年之久，现今仍为世界上的10幢最高建筑之一。1902年在美

17、国的辛辛那提市建造了16层、高64m的英格尔斯（Ingalls）大楼，为世界第一幢钢筋混凝土高层建筑。,1.4 高层建筑的发展概况,3）20 世纪 50 年代初至目前为高层建筑的繁荣期。钢筋混凝土高层建筑得到了空前的发展；焊接和高强螺栓在钢结构制造中的推广和进一步应用；60年代首次提出了筒体结构设计概念等。同时，轻质高强材料、抗风抗震结构体系、施工技术及施工机械等方面都取得了很大进步，计算机在设计中的应用使得高层建筑飞速发展。20世纪60年代末至70年代，美国高层建筑发展到顶峰，成为世界高层建筑的中心。20世纪80年代至目前，我国及东南亚地区的高层建筑得到空前发展，成为高层建筑的中心。这一时期

18、，高层建筑在世界各地都得到不同程度的发展。,1.4 高层建筑的发展概况,这一时期的典型建筑：1968年建造的芝加哥约翰.汉考克中心（John Hancock Center），100层高344m，采用对角支撑桁架型筒体结构体系；1973年建造的纽约世界贸易中心（World Trade Center）双塔楼，北楼高417m，南楼高415m，均110层，采用钢结构框筒结构，该工程首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔板，首次采用粘弹性阻尼器进行风振效应控制等，并对以后高层建筑结构的设计和建造具有重要的参考价值。2001年9月11日世界贸易中心突遭恐怖分子毁

19、灭性袭击，因高温下钢结构失效，造成两座大楼先后竖向逐层座塌，对全世界高层建筑的发展产生了很大的影响。,1.4 高层建筑的发展概况,1974年建造的芝加哥西尔斯大厦（Sears Tower），110层，高443m，采用钢结构成束框架筒体结构，曾保持世界最高建筑达20多年。日本于1964年废除了建筑高度不得超过31m的限制，于1968年首次建成了36层，高147m的霞关大厦，1978年在东京建造了60层、高226m的阳光大厦等。90年代以后，由于亚洲经济的崛起，西太平洋沿岸的日本、朝鲜、韩国、中国大陆、香港、台湾、新加坡和马来西亚等国家和地区，陆续建造了高度超过200m、300m、400m的高层建

20、筑，成为继美国之后新的高层建筑中心。目前，世界各地还有一些高层建筑正在酝酿中，相信不久还有可能出现更高的高层建筑。,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,国家石油双子星座大厦,位于马来西亚吉隆坡，混合结构，451.9米。,1.4 高层建筑的发展概况,西尔斯大厦,位于芝加哥，钢结构，1974年建成,高443米，是目前美国最高建筑物，由SOM建筑设计事务所设计，大厦的造型有如 9个高低不一的方形空心筒子集束在一起。,1.4 高层建筑的发展概况,金茂大厦,位于上海，混合结

21、构，共88层，建筑高度420.5米大厦由著名的美国芝加哥SOM设计事务所设计，是目前中国大陆最高的大楼。,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,纽约世界贸易中心大楼,位于纽约曼哈顿闹市区的南部，钢结构，110层，高约415米，是美国纽约市最高、楼层最多的摩天大楼。,1.4 高层建筑的发展概况,位于纽约，钢结构，目前它是美国第二高的建筑，帝国大厦原本共381米，20世纪50年代安装的天线使它的高度上升至443.5米。,帝国大厦,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,位于芝加哥，是美国第三高度，1969年建成，100层，343.51米，几何形状为上小下大的截锥体

22、。结构型式为钢斜撑周边桁筒体系，在每个建筑立面形成巨大的X形斜向支撑。是世界最早的巨型钢桁架结构。,汉考克大厦,中环广场大厦,位于香港，混凝土结构，374米。,1.4 高层建筑的发展概况,中银大厦,位于香港，混合结构，369米。,1.4 高层建筑的发展概况,位于中国 台北，混合结构，高508米，超过美国芝加哥的西尔斯大楼，马来西亚双塔等大楼，成为新的全球第一高楼。该楼有世界最大且最重的“风阻尼器”，还有两台世界最高速的电梯，从一楼到89楼，只要39秒的时间。还拿下了“世界高楼”四项指标中的三项世界之最，即“最高建筑物”(508米)、“最高使用楼层”(438米)和“最高屋顶高度”(448米)。“

23、世界最高天线高度”仍为芝加哥西尔斯大厦。,国际金融中心大厦,1.4 高层建筑的发展概况,广州新地标广州西塔,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,阿联酋BurjAl-Arab酒店，又称又称阿拉伯塔 世界上唯一的建筑高度最高的七星级酒店，共有56层，321米高，由英国设计师设计。,1.4 高层建筑的发展概况,阿联酋迪拜塔该塔目前高555米（超过了高度为553米的加拿大多伦多电视塔）。为防止竞争者超越，从2004年开始建造迪拜塔起就一直对其高度和层数保密。迪拜塔由美国建筑师阿德里安史密斯设计，韩国三星公司承建，预计2008年底竣工。迪拜塔37层以下是一家酒店，45层至108层则作

24、为公寓。第123层将是一个观景台，站在上面可俯瞰整个迪拜市。,1.4 高层建筑的发展概况,我国高层建筑发展概况(1)我国古代高层建筑的发展 公元524年在河南建造了嵩岳寺塔(15层筒结构，高50m)公元704年在西安建造了大雁塔(7层砖木结构，总高64m)公元1055年在河北定县建造了料敌塔(11层筒体结构，高82m)公元1056年山西建造了应县木塔(9层，高67m)，堪称世界木结构的奇迹,1.4 高层建筑的发展概况,(2)我国近代高层建筑的发展（四个阶段）第一阶段从新中国成立到60年代末为初步发展阶段，大多为20层以下的RC框架结构 1959年建成的北京民族饭店(12层，高47.4m)196

25、4年建成了北京民航大楼(15层，高60.8m)1966年建成了广州人民大厦(18层，高63m),1.4 高层建筑的发展概况,民族饭店,1.4 高层建筑的发展概况,第二阶段为70年代为发展阶段，建造了一些2030层的高层建筑，主要用于住宅、旅馆、办公楼 1974年建成的北京饭店新楼(20层，高87.4m，是当时北京最高的建筑)1976年建成的广州白云宾馆(33层、高114.05m)上海漕溪路20幢1216层剪力墙住宅楼；北京前门40幢916层大模板施工的剪力墙住宅楼,1.4 高层建筑的发展概况,北京饭店新楼,1.4 高层建筑的发展概况,广州白云宾馆,1.4 高层建筑的发展概况,第三阶段为80年代

26、为高层建筑发展的繁荣期，层数和高度不断突破，功能和造型越来越复杂，分布地区越来越广泛，结构体系趋于多样化。仅19801983年所建的高层建筑就相当于1949年以来30多年中所建高层建筑的总和。,1.4 高层建筑的发展概况,深圳发展中心大厦，(43层，高165.3m，加上天线的高度共185.3m)，是我国第一座大型高层钢结构建筑。,1.4 高层建筑的发展概况,广州国际大厦(63层，高200m),1.4 高层建筑的发展概况,北京京广中心大厦(57层，高208m),1.4 高层建筑的发展概况,第四阶段从90年代开始（1）高层建筑兴建速度加快19901994年间，每年建成10层以上建筑在1000万平方

27、米以上，占全国已建成的高层建筑的40%（2）超高层建筑的发展高层建筑的发展及层数和高度增长更快，建成了多座200米以上的高层建筑,1.4 高层建筑的发展概况,上海明天广场：60层，238m，最高的框架剪力墙结构，98年建成。,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,我国高层建筑发展概况,50 年代,北京十大建筑,1人民大会堂 2中国历史革命博物馆 3军事博物馆 4民族文化宫(民族饭店)5钓鱼台国宾馆 6中国美术馆 7华侨大厦(已拆除，重建)8北京火车站 9全国农业展览馆 10北京工人体育场和工人体育馆,人民大会堂,1.4 高层建筑的发展概况,中国人民革命军事博物馆,1.4 高层

28、建筑的发展概况,中国革命历史博物馆,1.4 高层建筑的发展概况,全国农业展览馆,1.4 高层建筑的发展概况,北京火车站,1.4 高层建筑的发展概况,工人体育场,1.4 高层建筑的发展概况,华侨大厦,1.4 高层建筑的发展概况,民族饭店,1.4 高层建筑的发展概况,钓鱼台国宾馆,1.4 高层建筑的发展概况,80 年代,北京十大建筑,1.4 高层建筑的发展概况,北京国际饭店,中国国际展览中心,人民抗日战争纪念馆,北京图书馆,1.4 高层建筑的发展概况,北京长城饭店,中中央彩色电视中心,中国剧院,首都机场候机楼,1.4 高层建筑的发展概况,地铁,大观园,1.4 高层建筑的发展概况,90年代,北京十大

29、建筑,1.4 高层建筑的发展概况,国家奥林匹克体育中心和亚运村,1.4 高层建筑的发展概况,中央广播电视台,1.4 高层建筑的发展概况,北京国际金融大厦,1.4 高层建筑的发展概况,北京恒基中心,1.4 高层建筑的发展概况,北京植物园展览温室,1.4 高层建筑的发展概况,首都图书馆新馆,1.4 高层建筑的发展概况,首都新东安市场,1.4 高层建筑的发展概况,外语教学与研究出版社办公楼,1.4 高层建筑的发展概况,北京新世界中心,1.4 高层建筑的发展概况,清华大学图书馆新馆,1.4 高层建筑的发展概况,2000年以后,北 京 建 筑,1.4 高层建筑的发展概况,CBD核心区 北京财富中心,1.

30、4 高层建筑的发展概况,央视新台址,央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段，占地面积18.7万平方米，总建筑面积55万平方米,230m。央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币，2003年10月开工建设，2008年正式运行。,1.4 高层建筑的发展概况,国家大剧院,1.4 高层建筑的发展概况,北京奥运场馆,1.4 高层建筑的发展概况,北京奥运场馆,国家游泳中心,1.4 高层建筑的发展概况,国家游泳中心和国家体育场结构方案,1.4 高层建筑的发展概况,1.4 高层建筑的发展概况,思考题（1）我国对高层建筑结构是如何定义的？（2）高层建筑结构的受力及变形特点是什么？设计时应考虑哪些问题？（3）从结构材料方面来分，高层建筑结构有哪些类型？各有何特点？（4）国内外高层建筑的发展各划分为哪几个阶段？,