【正文】 臺(tái)北 101大樓是當(dāng)今第一高樓，高 508米 正在建造中的迪拜樓， 高度已達(dá) 688米 紐約帝國(guó)大廈，高 381米 吉隆坡雙子塔樓高 452米 上海金茂大廈，高 420米 緒言 一 、 多 、 高層的定義及高層建筑的結(jié)構(gòu)類型 定義 ∶ 《 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 GB5004595》 規(guī)定十層及十層以上的居住建筑 （ 包括首層設(shè)置商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)的住宅 ） ；建筑高度超過(guò) 24m的公共建筑 《 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 》 JGJ 32022 為 10層及 10層以上或高度超過(guò) 28m的混凝土結(jié)構(gòu)高層民用建筑 類型 ∶ 鋼筋砼和鋼結(jié)構(gòu)兩類 。 鋼結(jié)構(gòu)自重輕 、 強(qiáng)度高 、 抗震性能好 、 施工方便等特點(diǎn) 。 鋼筋砼造價(jià)低 、 材料來(lái)源豐富 ， 便于作成各種形狀 ,結(jié)構(gòu)剛度大 ,耐火性能好 .缺點(diǎn)自重大 。 圖 11 二 、 高層建筑的發(fā)展 1885年出現(xiàn)第一幢高層建筑 芝加哥家庭保險(xiǎn)大樓 ， 框架結(jié)構(gòu) ， 10層 55M。 到 1989年 ， 全世界 10幢超過(guò) 300M的高層建筑中 ， 美國(guó)有 9幢 。 英 、法兩國(guó)高層建筑占城市建筑的 40%左右 。 據(jù)國(guó)外有關(guān)資料介紹 ， 910層的建筑比 5層的節(jié)約占地 23—28%， 16— 17層的建筑比 5層的節(jié)約用地 32— 49%。 由于高層建筑的受力和變形狀態(tài)十分復(fù)雜，因此其設(shè)計(jì)與施工需要考慮的因素很多，涉及許多學(xué)科和部門，而且隨著層數(shù)和高度的逐漸增加，它的建筑難度也越來(lái)越大。高層建筑的高度競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際 是整個(gè)建筑科學(xué)技術(shù)和人才的競(jìng)爭(zhēng)，它不僅反應(yīng)一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平，而且也反應(yīng)一個(gè)國(guó)家精神文明、物質(zhì)文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和水平。與此同時(shí)，高層建筑的高度競(jìng)爭(zhēng)，必將不斷推動(dòng)和促進(jìn)整個(gè)建筑科學(xué)、建筑材料和設(shè)備的發(fā)展，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、計(jì)算理論和施工方法，從而使現(xiàn)代高層建筑日臻完善，適應(yīng)世界城市化的發(fā)展，滿足人們的需求?，F(xiàn)在，高層建筑的發(fā)展已成為歷史的必然和時(shí)代的潮流。 圖 12 世界超高層建筑排名 一、佩重納斯大廈 ( 2號(hào)大廈 )，高度 452米，位于吉隆坡； 二、西爾斯大廈，高度 443米，位于芝加哥； 三、金茂大廈，高度 420米，位于上海； 四、世界貿(mào)易中心大廈 ( 2號(hào)大廈 )，高度 417米，位于紐約； (在 ) 五、帝國(guó)大廈，高度 381米，位于紐約； 六、中環(huán)廣場(chǎng)大廈，高度 374米，位于香港； 七、中國(guó)銀行大廈，高度 369米，位于香港； 八、 T／ C大廈，高度 374米，位于高雄； 九、阿摩珂大廈，高度 346米，位于芝加哥； 十、約翰 漢考克大廈，高度 344米，位于芝加哥。 國(guó)內(nèi)高層的特點(diǎn) ∶ 層數(shù)增多 ， 高度加大 。 結(jié)構(gòu)體系日益多樣化 。 懸挑結(jié)構(gòu) 、 巨型框架結(jié)構(gòu) 。 平面布置與豎向體型更加復(fù)雜 。 常用不對(duì)稱 、 曲線型平面 (城市規(guī)劃 、 建筑功能的要求 ， 計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用 )。 在豎向布置上 ，一方面豎向體型趨于多變 ， 階梯形內(nèi)收 、 上部樓層外挑 突出的建筑物增多；另一方面 ， 高低不等的組合體型更廣泛地得到應(yīng)用 。 向多功能 、 綜合性發(fā)展 上層布置旅館 、 公寓；中間是中 、 小空間辦公樓；下層大空間的商店 、 銀行 、 娛樂(lè)等公共設(shè)施；地下部分為商業(yè)街 、 地下鐵道車站 。 高強(qiáng)輕質(zhì)材料的應(yīng)用 C60砼 、 高強(qiáng)鋼管砼 、 陶粒砼 、 火山渣砼 。 鋼結(jié)構(gòu)高層興建 三 、 高層出現(xiàn)的原因 ∶ 十八世紀(jì)末的產(chǎn)業(yè)革命帶來(lái)了生產(chǎn)力發(fā)展與經(jīng)濟(jì)繁榮 。 大工業(yè)興起使人口集中到城市中來(lái) ， 以致造成用地緊張 ， 地價(jià)高漲 ， 城市范圍逐步擴(kuò)大仍感局促 ， 為了在較小的土地范圍內(nèi)建造更多的建筑面積 ， 建筑物不得不向高空發(fā)展 ， 這是發(fā)展高層建筑最根本的原因 。 可以縮短道路以及各項(xiàng)管線設(shè)施的長(zhǎng)度 ， 從而節(jié)約大量城建的總投資 ， 經(jīng)濟(jì)上具有優(yōu)越性 。 增加人們的聚集密度 ， 縮短互相聯(lián)系的距離 ，把橫向水平交通與豎向交通相結(jié)合 ， 使人們?cè)诘孛? 上 的分布方式空間化 ， 節(jié)約了時(shí)間 ， 增加了效率 。 在同樣的建筑面積與基地面積比值下 ， 高層建筑能提供更多的地面自由空間 ， 作為綠化休息場(chǎng)所或公共服務(wù)設(shè)施之用 ， 有利于美化城市環(huán)境 。 近幾十年來(lái) ， 科學(xué)技術(shù)的飛躍使高層建筑的實(shí)現(xiàn)具備了必要條件 ， 提供了多種輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料， 新型結(jié)構(gòu)方式 ， 與水暖 、 電梯 、 空調(diào) 、 供電 、 自控等現(xiàn)代設(shè)施 、 先進(jìn)的施工技術(shù)及機(jī)械設(shè)備 ， 特別計(jì)算機(jī)應(yīng)用于設(shè)計(jì)中 。 四 、 本課程的教學(xué)目的和任務(wù) 主要介紹高層結(jié)構(gòu)的三大常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計(jì)和相應(yīng)的分析與設(shè)計(jì)方法 。 應(yīng)達(dá)到如下基本要求 ∶ 掌握三大體系的合理使用范圍和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系布置原則； 能夠掌握對(duì)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定 ， 包括基本假定 ， 抗風(fēng)設(shè)計(jì) 、 抗震設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)荷載 (及作用 )的計(jì)算方法； 掌握三大結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)和性能 ， 并能熟練地借助于相應(yīng)表格的手算分析方法進(jìn)行三大常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì) 。 五 、 學(xué)習(xí)方法 第一章 結(jié)構(gòu)體系及布置 高層建筑的受力特點(diǎn) 內(nèi)力及位移 當(dāng)建筑物高度增加時(shí) ， 水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用將愈來(lái)愈大 。 結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯加大 ， 結(jié)構(gòu)側(cè)移增加更快 。當(dāng)建筑物高度增加時(shí) ， 水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用將愈來(lái)愈大 。 結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯加大 ， 結(jié)構(gòu)側(cè)移增加更快 。 多 、 高層建筑結(jié)構(gòu)要抵抗水平力和豎向力 。 在高層建筑中 ， 結(jié)構(gòu)要使用更多的材料來(lái)抵抗水平力 ,抗側(cè)力成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題 。 多層建筑可采用磚石和鋼筋砼建造 。 高層建筑可采用鋼筋砼和鋼建造 。 第一節(jié) 結(jié)構(gòu)體系及典型布置 一、框架結(jié)構(gòu)體系 (適用公共建筑 ) 當(dāng)采用梁、柱組成的結(jié)構(gòu)體系作為建筑豎向承重結(jié)構(gòu)，并同時(shí)承受水平荷載時(shí)，稱其為框架結(jié)構(gòu)體系。 此種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)是 ∶ 建筑平面布置靈活，可作成需要較大空間的建筑，加隔墻后，也可作成小房間。建筑立面易于處理，構(gòu)件便于標(biāo)準(zhǔn)化。 缺點(diǎn)是 ∶ 框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小 ， 水平位移大。 因此 ， 框架結(jié)構(gòu)適用于多層及高度不大的高層建筑 ， 一般高度不宜超過(guò) 60M。 根據(jù)使用要求和建筑布置確定的柱網(wǎng)和層高來(lái)布置梁和柱 。 在高層建筑中 ， 梁柱必須作成剛接 ， 梁柱布置要整齊 、 規(guī)則 。 圖 13 圖 14 二 、 剪力墻結(jié)構(gòu)體系 (適用于公寓 、 住宅 、 旅館 ) 利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu) ， 稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系 。 此種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)是 ∶ 整體性好 ， 剛度大 ， 在水平力作用下側(cè)向變形小 ， 承載力要求也易于滿足。 缺點(diǎn)是 ∶ 剪力墻間距太小 ， 平面布置不靈活 ，不能滿足公共建筑的使用要求 ， 結(jié)構(gòu)自重較大 。 適用于 10— 50層的高層建筑 。 把墻的底層作成框架柱時(shí) ， 稱為框支剪力墻 。在地震區(qū)不允許單獨(dú)采用此結(jié)構(gòu) 。 圖 15 為了滿足地震區(qū)住宅建筑需要底層商店或旅館中底層需設(shè)置大的公用房間的要求 ， 可作成部分剪力墻框支、 部分剪力墻落地的底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu) 。 在底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)中 ， 一般把落地剪力墻布置在兩端或中部 ， 并使縱向 、 橫向墻圍成筒體 ， 在底層還要采取加大墻厚 ， 提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施加大底層墻的剛度 ， 使整個(gè)結(jié)構(gòu)上下剛度差別減小 。 上部則應(yīng)采用開間較大的剪力墻布置方案 。 框支剪力墻承受的剪力大部分要通過(guò)樓板傳到落地剪力墻上 ， 落地剪力墻之間的距離要加以 (限制墻距離與樓板寬度之比不超過(guò) 3，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不超過(guò) 2— 2． 5)， 同時(shí)還要加強(qiáng)過(guò)渡層樓板的整體性和剛性 ， 應(yīng)采用厚度較大的現(xiàn)澆鋼筋砼板 。 圖 16 圖 17 圖 18 三 、 框架 — 剪力墻及框架 — 筒體結(jié)構(gòu)體系 (適用于公共建筑 ) 在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻 ， 使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來(lái) ， 取長(zhǎng)補(bǔ)短 ， 共同抵抗水平荷載 ，就組成了框架 — 剪力墻結(jié)構(gòu)體系 。 如果把剪力墻布置成筒體 ， 又可稱為框架 — 筒體結(jié)構(gòu)體系 。 框 — 剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 ∶ 既可以使平面布置靈活、 獲得較大空間 ， 又能抵抗一定的側(cè)力 。 筒體的承載力 、 側(cè)向剛度和抗扭強(qiáng)度都較單片剪力墻大大提高 。 在建筑布置上 ， 常利用筒體作電梯間、 樓梯間和豎向管道的通道 。 框 剪 (框 — 筒 )結(jié)構(gòu)平面布置要注意下面兩個(gè)方面問(wèn)題 ∶ 剪力墻數(shù)量 剪力墻太多 ， 不僅會(huì)增加建筑布置的困難 ， 而且在地震作用下 ， 剛度大則側(cè)向力也大 ， 通常以保證結(jié)構(gòu)側(cè)向變形不超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限制值為宜 。 剪力墻的布置及間距 圖 19 圖 111\12 圖 110 A、 剪力墻布置應(yīng)與建筑使用要求相結(jié)合 ， 根據(jù)建筑物高度和剛度要求 ， 可采用單片形 、 L、 半開口形 、 I形或筒形 。 B、 在非地震區(qū) ,縱橫兩個(gè)方向剪力墻數(shù)量可以不同。 在地震區(qū) ， 縱橫方向上布置的剪力墻數(shù)量要盡量接近 。 C、 剪力墻布置要對(duì)稱 ， 以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 。 D、 在兩片剪力墻間布置框架時(shí) ， 樓蓋必須有足夠的平面剛度 。 E、 剪力墻靠近結(jié)構(gòu)外圍布置 ， 可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭作用 。 F、 剪力墻應(yīng)貫通全高 ,使結(jié)構(gòu)上下剛度連貫而均勻 . 四 、 筒中筒結(jié)構(gòu)體系 筒體的基本形式有三種 ∶ 實(shí)腹筒 、 框筒及桁架筒 。 用剪力墻圍成的筒體稱為實(shí)腹筒 。 由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體 ， 稱為框筒 。 若筒體的四壁是由豎桿和斜桿形成的桁架組成， 成為桁架筒 。 筒中筒結(jié)構(gòu)是上述筒體單元的組合 ， 通常由實(shí)腹筒作內(nèi)部核心筒 ， 框筒或桁架筒作外筒 ， 兩個(gè)筒共同抵抗水平力作用 。 筒體最主要的特點(diǎn)是它的空間受力性能 ， 在水平力作用下可看成固定于基礎(chǔ)上的箱型懸臂構(gòu)件 ， 它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)移剛度和承載力 ， 并具有很好的抗扭剛度 。 此種結(jié)構(gòu)體系的布置原則是盡可能減少剪力滯后 ， 充分發(fā)揮材料的作用 。 要求設(shè)計(jì)密柱深梁 。 建筑平面以接近方形為好 ， 長(zhǎng)寬比不應(yīng)大于 2。 建筑物高寬比不宜小于 3， 充分發(fā)揮空間作用 。 選擇合適的樓板體系 ， 降低樓板高度 ， 盡可能避免角柱受拉 。 在底層 ， 需要減少柱子數(shù)量 ， 加大柱距 ， 以便設(shè)置出入 .口 。 在稀柱與密柱層間設(shè)置轉(zhuǎn)換層 。 圖 113\14 五 、 多筒體系 — 成束筒及巨型框架結(jié)構(gòu) 當(dāng)采用多個(gè)筒體共同抵抗側(cè)向力時(shí) ， 形成多筒結(jié)構(gòu) ， 多筒結(jié)構(gòu)可以有兩種方式 ∶ 成束筒 ， 將多個(gè)筒體合并在一起形成 。 巨型框架 ， 利用筒體作為柱子 ， 在各筒體間每隔數(shù)層用巨型梁相連 ， 筒體和巨型梁即形成巨型框架 。 圖 115 圖 116 圖 117\18 第二節(jié) 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇 首先考慮建筑物的高度和建筑物的用途。 一、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的選擇 不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強(qiáng)度和剛度是不一樣的，因而它們適用的高度也不同。 另一個(gè)因素是建筑物的用途。高層建筑物按用途分成三大類 ∶ 住宅、旅館及公共性建筑(辦公、商業(yè)、科研、教學(xué)、醫(yī)院等 )。 住宅建筑一般采用剪力墻結(jié)構(gòu) 。 因?yàn)樽≌旧硇枰芏鄩w ， 采用剪力墻體系可減少非承重墻 ， 較好地解決墻體材料的問(wèn)題 。 由于剪力墻住宅室內(nèi)無(wú)外露梁柱 ， 便于室內(nèi)布置 ， 用戶比較歡迎 。 50M高度以下的旅館建筑可采用剪力墻或框 —剪結(jié)構(gòu) ， 兩者各有優(yōu)缺點(diǎn) 。 剪力墻結(jié)構(gòu)適于客房層， 但底層往往要取消部分剪力墻代之以框架形成大空間 ， 以便布置門廳 、 餐廳 、 會(huì)議室等大房間 。 框— 剪結(jié)構(gòu)底層布置靈活 ， 但客房露出梁柱 ， 建筑上難以處理 。 至于 50M以上的旅館建筑 ， 則還可以采用筒體結(jié)構(gòu) ， 此外中央筒布置樓電梯間和服務(wù)性房間 ， 周邊布置客房 。 公共性建筑 50M以下多采用框 — 剪結(jié)構(gòu)以滿足不同用途 ， 大小房間劃分的要求 。 50M以上的公共性建筑常用筒體結(jié)構(gòu)以形成較大的無(wú)阻擋房間 ， 可以靈活劃分使用 ， 并可滿足通訊 、 電力 、 廣播建筑對(duì)大面積房間的要求 。 二 、 樓面體系的選擇 平板體系 平板體系采用單向板或雙向板 ， 常用于剪力墻結(jié)構(gòu)或筒體結(jié)構(gòu) 。 其優(yōu)點(diǎn)是板底平整 ， 可以不加吊頂 ， 結(jié)構(gòu)高度低 ， 可以壓低層高 。 無(wú)梁樓蓋 最好帶現(xiàn)澆柱帽以加強(qiáng)板柱連接的可靠性 。 在場(chǎng)地受限制 、 施工不便