第三a章高层建筑结构综述

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1、 国内外高层建筑的发展概况国内外高层建筑的发展概况 高层的特点高层的特点 高层建筑结构的类型高层建筑结构的类型 高层建筑结构的结构体系高层建筑结构的结构体系 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100余年的历史。多年来，世界上最高的高层建筑集中在美国、加拿大，直到80年代末，北美洲一直是世界高层建筑的中心。按1991年公布的排行表，在世界上最高的100座最高建筑中，美国占了78座，加拿大5座，墨西哥1座，即北美洲占了84%，成了当前世界最高建筑的中心。表1 国内外高层建筑的发展概况 国内外高层建筑的发展概况n公元公元524年在河南建造了年在河南建造了嵩岳寺塔嵩岳寺塔(15层简筒

2、结构，层简筒结构，砖砌，高砖砌，高50m)n公元公元704年在西安建造了年在西安建造了大雁塔大雁塔(7层砖木结构，总层砖木结构，总高高64m)n公元公元1055年在河北定县建造了年在河北定县建造了料敌塔料敌塔(11层筒体层筒体结构，砖砌，高结构，砖砌，高82m)n公元公元1056年山西建年山西建造了造了应县木塔应县木塔(9层，高层，高67m)，堪称世界木结构的奇迹堪称世界木结构的奇迹第一阶段从第一阶段从初步发展，20层以下的框架结构1959年建成的北京民族饭店(12层，高47.4m)1964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)2030层

3、，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；北京前三门40幢916层大模板施工的剪力墙住宅楼)北京饭店新楼北京饭店新楼NoImage广州白云宾馆广州白云宾馆：36004000800080006600030003600030006600080008000400036007000078507850230033层，112.45米，剪力墙结构，1976年建成，国内首栋百米高层。n仅仅1980 1983年所建的高层建筑就年所建的高层建筑就相当于相当于

4、1949年以来年以来30多年中所建高多年中所建高层建筑的总和。层建筑的总和。深圳深圳发展中心大厦发展中心大厦，(43层，层，高高165.3m，加上天线的高度加上天线的高度共共185.3m)，是我国第一座是我国第一座大型高层大型高层钢结构钢结构建筑建筑。广州国际大厦广州国际大厦，(63层，高层，高200m)北京京广中心大厦北京京广中心大厦，(57层，高层，高208m)n上海新锦江宾馆上海新锦江宾馆是一座现代化的高级宾是一座现代化的高级宾馆，馆，(总建筑面积总建筑面积66060m2，共共43层，层，总高总高153.52m)n上海上海静安希尔顿饭店静安希尔顿饭店，(建筑面积建筑面积69224m2，包

5、括塔楼包括塔楼43层，层，总高总高143.62m)上海上海静安希尔顿饭店静安希尔顿饭店n19901994年间，每年建成年间，每年建成10层以上建筑在层以上建筑在1000万平方米以上，占全国已建成的高层建筑的万平方米以上，占全国已建成的高层建筑的40%n高层建筑的发展及层数和高度增长更快，建成了多高层建筑的发展及层数和高度增长更快，建成了多座座200米以上的高层建筑米以上的高层建筑n高层高层100b.doc上海明天广场上海明天广场：60层，238m，最高的框架剪力墙结构，98年建成。n上海金茂大厦上海金茂大厦，(钢结构，88层，高420m，是我国目前最高的建筑)金茂金茂大厦内部结构大厦内部结构是

6、19世纪中期以前，由于主要建筑材料是砖石和木材，以及设计手段和施工技术的限制，欧美国家一般只能建造6层及以下的建筑。n1855年发明了电梯系统，使人们建造更高的建筑成为可能n家庭保险公司大楼(Home Insurance Building)，美国芝加哥，11层，高55m，建于18841886年，采用铸铁框架承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构体系的诞生。从1884年到19世纪，高层建筑已经发展到了采用钢结构，建筑物的高度越过了100m大关。1898年建成的纽约Park Row大厦（公园街大厦）（30层，118m）是19世纪世界上最高的建筑。家庭保险公司大楼n世界上最早的钢筋混凝土框架

7、结构高层建筑，是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼，16层，高64m。n1931年美国纽约曼哈顿建造了102层、高381m的著名的帝国大厦(Empire State Building)，它保持世界最高建筑达41年之久n这一时期,虽然高层建筑有了比较大的发展,但受到设计理论和建筑材料的限制,结构材料用量较多、自重较大，且仅限于框架结构，建于非抗震区n由于在轻质高强材料、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以及计算机在设计中的应用，使得高层建筑飞速发展n美国是世界上高层建筑最多的国家n1972年在纽约建造了世界贸易中心大楼(World Trade Center Tow

8、ers)，110层，高402m，钢结构（已倒塌）n1974年美国在芝加哥又建成了当时世界最高的西尔斯大厦(Sears Tower)，110层，高443m，钢结构。n进入90年代，亚洲成为经济发展最快的 地区，西太平洋沿岸的日本、朝鲜、韩 国、中国大陆、台湾、新加坡和马来西亚等 国家和地区，陆续建成了超过200m、300m 的高层建筑。1990年至今，世界上新建的 最高建筑，几乎全部集中在这一地区。n一般高度的高层建筑（80150米）更是大量兴建n朝鲜平壤市的柳京饭店，地面以上101层，高3054m，钢筋混凝土结构n位于马来西亚吉隆坡的双塔高层建筑，85层，高450m，钢筋混凝土结构n预期21世

9、纪，亚洲将成为新的高层建筑中心柳京饭店马来西亚双塔楼马来西亚双塔楼：88层，450米，框筒结构，1996年建成。台北101 101层，508米。预计2004年9月完工，实际2004年12月31日竣工(1)世界高层建筑委员会1972年建议，将高层建筑划分为以下四类：n第一类：916层，高度不超过50m;n第二类：1725层，高度不超过75m;n第三类：2640层，高度不超过100m;n第四类：40层以上，高度100m以上。2-2 高层建筑的特点高层建筑的特点1、高层建筑的分类：、高层建筑的分类：n我国高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2002)规定：n10层及10层以上的民用建筑和总高度超

10、过28m的公共建筑及综合性建筑为高层建筑。(2)我国对高层建筑的分类：2 高层建筑的特点高层建筑的特点A.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。B.动力反应不可低估；C.结构轴向变形、剪切变形以及温度、沉降的影响加剧；D.材料用量、工程造价呈抛物线关系增长。n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：nN=WH=f(H)nM=qH2/2 =f(H2)n=q H4/8 E I =f(H4)高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。起着决定性的作用。n内力或位移内力或位移n =f(H4)n M=f(H2)n

11、 N=f(H)n n H n n 结构内力、位移与高度结构内力、位移与高度H的关系的关系一、钢结构一、钢结构二、钢筋混凝土结构二、钢筋混凝土结构三、组合结构三、组合结构一、钢结构一、钢结构1 我国钢结构的发展概况我国钢结构的发展概况古代文明：古代文明：铁塔、铁桥铁塔、铁桥建国建国20世纪世纪90年代中期：年代中期：节约钢材节约钢材96年年：合理使用钢材合理使用钢材桥梁桥梁公共建筑公共建筑厂房厂房住宅住宅2 钢结构的特点和应用范围钢结构的特点和应用范围(1)钢结构的特点钢结构的特点 强度高、重量轻强度高、重量轻 材质均匀材质均匀 塑性、韧性好塑性、韧性好 Es=2.0105 N/mm2 Ec=(

12、2.23.8)104 N/mm2 砼砼 fc=(7.235.9)N/mm2 Q235钢钢 fy=235 N/mm2 工业化程度高工业化程度高 拆迁方便拆迁方便 密闭性好密闭性好 耐火性差耐火性差 耐腐蚀性差耐腐蚀性差150时强度无变化，时强度无变化，600 时强度约为时强度约为0。蛭石板、蛭石涂层或石膏板防护蛭石板、蛭石涂层或石膏板防护除锈、涂漆除锈、涂漆 定期维护定期维护钢结构的建造过程：工厂制造钢结构的建造过程：工厂制造工地安装工地安装 (2)钢结构的应用范围钢结构的应用范围1)大跨结构大跨结构n拱结构n网架结构n膜结构n网壳结构n钢屋架结构n悬索结构n桥梁结构网架结构拱结构膜结构深圳会展

13、中心钢屋架结构网壳结构国家大剧院天津奥林匹克体育场桥梁结构悬索结构国家体育场（鸟巢）国家体育场（鸟巢）预计2008年3月竣工国家体育场建筑体形上像鸟巢。可容纳8万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间有一个146m76m的开口，这部分将设计成开合屋盖。采用加肋薄壁箱形截面，总用钢量达16万t。天津奥林匹克体育场天津奥林匹克体育场 2007年8月16日竣工“绿色奥运”、“科技奥运”、“人文奥运”建筑底面面积为80,000m2，屋顶面积76,719m2，地上层数6层，最高点高度53.00m，可容纳观众数60,000。屋顶结构采用钢桁架悬挑结构。屋面桁架落地，形似露珠。国家大剧院国家大

14、剧院 位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，大概2007年9月竣工，历时8年。（争议很大）该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。2)重型厂房结构重型厂房结构 西安变压器厂（西安

15、变压器厂（400t吊车）吊车）3)承受动力荷载及承受动力荷载及强大地震作用的结构强大地震作用的结构4)高耸结构及高层建筑高耸结构及高层建筑上海环球金融中心上海环球金融中心 预计2008年初竣工由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金(OECF)联合投资的上海环球金融中心，总投资逾750亿日元。位于陆家嘴金融贸易区，建筑总面积335,420平方米，地下3层，地上94层。建成后的高度达460米。总用钢量26000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱，目前正在施工基础。上海金茂大厦上海金茂大厦 金茂大

16、厦是由中国上海对外贸易中心股份有限公司独家投资5.6亿美元建设的一座88层的超高层大厦，建筑高度420.5米，建筑面积28.9万平方米，于1998年8月28日竣工。总用钢量14000t，钢筋混凝土核心筒，外框钢骨混凝土及钢柱。设计者为美国S.O.M事务所。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。大连远洋大厦大连远洋大厦 大连远洋大厦由大连远洋运输公司、中远房地产开发公司与美国ESPIRIT公司联合投资14.8

17、亿人民币开发的集五星级酒店和甲级写字楼为一体的智能大厦。总建筑面积14.8万平方米。其中：A座为五星级酒店，地上51层，总高200.8m。钢筋混凝土核心筒，外框钢框架。设计、加工、安装全部国产化。目前主体完工。台北台北101（2004年12月竣工）长宽各150m，总面积30277m2，塔高508m，世界第一高，26层以上以8层为一单元。主要由巨柱、核心系统及外伸桁架梁。巨柱自地下5层至地上90层，最大尺寸为2.4mx3m。5)高耸结构高耸结构东方明珠电视塔东方明珠电视塔东方明珠广播电视塔座落在上海浦东新区黄浦江畔，以其468米的高度成为亚洲第一高 塔。她于1991年3月开始建造，1994年11

18、 月完工，总重量达12万吨，总投资8.3亿元人民币。东方明珠塔由三根直径为九米的擎天立柱、太空舱、上球体、下球体、五个小球、塔座和广场组成。5)高耸结构高耸结构巴黎铁塔巴黎铁塔6)容器和其他构筑物容器和其他构筑物大连西太平洋石化有限公司1500立方米CF-62钢球罐海上石油平台海上石油平台7)可拆卸、活动结构可拆卸、活动结构活动车库活动车库活动桥活动桥8)轻型钢结构轻型钢结构彩板彩板拱形波纹屋面拱形波纹屋面轻钢轻钢住宅住宅门式刚架门式刚架结构结构3 我国钢结构的发展方向我国钢结构的发展方向 研制高强度钢材研制高强度钢材 Q235,Q345,Q390,Q420-Q490,Q590 推广应用高效钢

19、材推广应用高效钢材 H型钢、型钢、T型钢型钢 镀锌或镀铝锌钢板、彩涂钢板镀锌或镀铝锌钢板、彩涂钢板 冷弯薄臂型钢冷弯薄臂型钢 耐候钢、耐火钢、耐候钢、耐火钢、Z向钢向钢 改进设计方法改进设计方法 推广应用新型结构推广应用新型结构 大跨结构大跨结构-组合结构组合结构-轻钢结构轻钢结构-网架（网壳）结构、悬索结构、预应力钢结构网架（网壳）结构、悬索结构、预应力钢结构钢骨混凝土、钢管混凝土钢骨混凝土、钢管混凝土轻钢厂房、轻钢住宅轻钢厂房、轻钢住宅 结构优化原理的研究和应用结构优化原理的研究和应用 构件的定型化、系列化、产品化构件的定型化、系列化、产品化 计算机辅助设计计算机辅助设计 结构形式优化结构

20、形式优化截面形式优化截面形式优化绘制钢结构施工详图绘制钢结构施工详图 发展钢结构施工工艺发展钢结构施工工艺 加强自动化水平，提高安装质量加强自动化水平，提高安装质量n优点：造价较低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可以组成多种结构体系；可节省钢材，承载能力较高，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。n缺点：构件断面大，占据面间大，自重大n广州广东国际大厦(63层，200.18m)n底层柱尺寸已达1.8*2.2m（1）优点：）优点：在钢筋混凝土结构基础上，充分发挥钢结构优良的在钢筋混凝土结构基础上，充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能进一步减

21、轻结构重量，提高结构延性进一步减轻结构重量，提高结构延性（2）类型）类型1)用钢材加强钢筋混凝土构件用钢材加强钢筋混凝土构件钢骨钢筋混凝土构件钢骨钢筋混凝土构件钢管钢筋混凝土构件钢管钢筋混凝土构件2)部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨钢筋混凝土结构）凝土结构（或部分采用钢骨钢筋混凝土结构）钢骨钢筋混凝土构件1)用钢材加强钢筋混凝土构件用钢材加强钢筋混凝土构件组合结构组合结构钢管屈曲破坏钢管钢筋混凝土构件钢管混凝土结构钢管混凝土结构 工程实例（工程实例（1）美国西雅图美国西雅图双双联联广场大厦广场大厦58层层四根大钢管混凝

22、土柱四根大钢管混凝土柱混凝土抗压强度混凝土抗压强度133Mpa直径直径3.05m管壁厚管壁厚30mm承受承受60%竖向荷载竖向荷载2)部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨钢筋用钢筋混凝土结构（或部分采用钢骨钢筋混凝土结构）混凝土结构）n上海静安希尔顿饭店（钢筋混凝土筒体，钢框架）n香港中国银行（钢骨钢筋混凝土角柱，横梁及斜撑为钢结构)上海静安希尔顿饭店n上部为四个三角形巨型空间桁架n平面52m52mn第二层为转换层，设置跨度为52m的周边空腹桁架和中部四角锥桁架作为巨型框架梁，最后传递给四根巨型角柱4470层2037层3843层1

23、层2层319层香港中国银行2 结构体系结构体系结构抵抗外部作用的构件单元组成方式结构抵抗外部作用的构件单元组成方式 高层建筑结构的结构体系高层建筑结构的结构体系框架框架剪力墙剪力墙筒体筒体1 高层建筑的高层建筑的基本的抗侧力单元基本的抗侧力单元3 类型类型n框架结构体系n剪力墙结构体系n框架剪力墙结构体系n筒中筒结构体系n多筒体系由梁、柱构件通过结点连接组成的结构称为框架由梁、柱构件通过结点连接组成的结构称为框架n框架结构体系框架结构体系n纯框架结构纯框架结构框架结构体系框架结构体系NoImage框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层框架结构是多层房屋的主要结构形式，也是高层建筑的基本结构单元。建筑的基本结构单元。剪力墙结构体系剪力墙结构体系框架框架剪力墙结构体系剪力墙结构体系筒中筒结构体系筒中筒结构体系深圳发展中心大厦深圳发展中心大厦多筒结构体系多筒结构体系成成 束束 筒筒多筒结构体系多筒结构体系主框架次框架 3次框架 2次框架 1巨形框架结构巨形框架结构