浅谈高层建筑结构体系的发展和应用内容摘要高层建筑是城市发展程度的一个标志之一，世界各国高层建筑屡破纪录，创造了一个又一个建筑奇迹，因此研究高层建筑结构体系意义重大。本文总结了高层建筑的发展情况，总结了高层建筑体系的发展与应用情况；研究了高层建筑中常用的五种结构体系：框架结构，剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构，巨型结构；总结了这五种结构体系的特点，五种结构体系的应用实例；总结了高层建筑结构的设计特点；总结了高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题。关键词：高层建筑；结构体系；框架结构；筒体结构I 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用（2）全部用预制墙板装配而成的剪力墙结构；（3）部分现浇、部分为预制装配的剪力墙结构。2.2.1 剪力墙结构特点1、剪力墙结构的侧向位移特点在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根悬臂深梁，其水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成，在高层建筑结构中，框架柱的变形以剪切变形为主，剪力墙的变形以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲性，特点是结构层间位移随楼层的增高而增加。2、剪力墙结构的优点相比框架结构来说，剪力墙结构的抗侧刚度大，整体性好，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，经过恰当设计的剪力墙结构具有良好的抗震性能，结构的用钢量也较省。3、剪力墙结构的缺点由于剪力墙结构中采用了一定数量的墙体用以承担全部水平作用和竖向荷载，因此结构的平面布置相对不灵活，结构自重较大。2.2.2 剪力墙结构应用实例 剪力墙结构广泛用于住宅、学校、办公楼。图 2.3 剪力墙结构2.3 框架-剪力墙结构框架—剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体7 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用系，竖向荷载由框架和剪力墙等竖向承重单体共同承担，水平荷载则主要由剪力墙这一具有较大刚度的抗侧力单元来承担。2.3.1 框架-剪力墙结构特点 1、框架-剪力墙结构的侧向位移框架-剪力墙结构很好的综合了框架的剪切变形和剪力墙的弯曲变形的受力性能 ，它们的协同工作使各层层间变形趋于均匀，改善了纯框架或者纯剪力墙结构中上部和下部楼层层间变形相差较大的缺点。总体说来，框架-剪力墙结构呈现弯-剪型变形：（1）下部楼层：剪力墙位移较小，框架位移较大，剪力墙拉着框架，弯曲型变形。（2）上部楼层：剪力墙位移较大，框架位移较小，框架拉着剪力墙，剪切型变形。2、框架-剪力墙结构的优点框架-剪力墙结构体系综合了框架和剪力墙结构的优点，并在一定程度上规避了两者的缺点，达到了扬长避短的目的，使得建筑功能要求和结构设计协调得比较好。它既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又具有较大的刚度和较好的抗震能力。因此，在高层建筑用应用非常广泛，它与框架结构、剪力墙结构一起构成了目前最常用的三大常规结构。3、框架-剪力墙结构布置要点框架—剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系。关键应该注意剪力墙的数量和位置。如果剪力墙布置数量多，则结构的抗侧刚度大，侧向变形小，布置难度大；如果剪力墙布置的数量少，则结构的抗侧刚度小，侧向变形大，对框架的抗震要求高。因此在进行框架—剪力墙结构设计时，对于剪力墙的布置，应注意以下一些要求：（1）抗震设计时使各主轴方向侧向刚度接近；（2）对称布置；（3）贯穿建筑全高；（4）布在周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化处、竖向荷载变化处；（5）平面形状凸凹较大时在突出部位的端部设置；（6）形成翼墙；（7）布置 3 片以上；8 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用（8）间距不宜过大；（9）不宜布置在长框架的两端。2.3.2 框架-剪力墙应用实例 帝国州大厦位于美国纽约州，是 20 世纪 30～70 年代间世界上最高的建筑，摩天楼的代表之一。始建于 1931 年，大厦矗立在美国纽约市内的曼哈顿岛，俯瞰整个纽约市区，远望附近的纽约州、新泽西州、康涅狄格州、宾夕法尼亚州和马萨诸塞州，成为纽约，乃至整个美国历史上的里程碑。帝国州大厦比例匀称，它的外形轮廓一度成为摩天大楼的象征和纽约市的标志。大厦底部 5 层的外墙为石灰石和花岗石贴面，自第 6 层起即以金属板窗框和窗间墙相间。那些闪闪发亮的镀镍钢板组成的垂直向上的图案，在朝阳和晚霞辉映之下，光彩耀目，为建筑造型的艺术效果开辟了新的境界。大厦为框架-剪力墙结构，采用门洞式的连接系统，即在大梁与柱的接头处，把梁两端的厚度加大，呈 1/4 圆形，以增加梁和柱的铆接面。这种做法保证了刚度，但用钢量大，在空间使用率上也不经济。大厦的重量为 365000 吨，用钢 51900 吨，每平方米用钢 206 公斤。施工时在大厦缩进的平台上置放起重机，因此全部钢结构得以在 6 个月内安装完毕。图 2.4 帝国州大厦2.4 筒体结构由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的9 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用抗侧力构件称为筒体（由密柱框架组成的筒体称为框筒；由剪力墙组成的筒体称为薄壁筒）。由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构，它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。2.4.1 筒体结构特点 筒体结构的类型很多，根据筒体的布置、组成和数量等，可以再分为：（1）框筒结构框筒结构，如下图 2.5 所示。筒体通常放在建筑外围，由间距很密的柱子与截面很高的梁组成，筒体内设置了一些柱子以减小楼板和梁的跨度，这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。图 2.5 框筒结构示意图密柱深梁：实际是一个开了很多很多窗洞的筒体，靠空间受力特性来抵抗水平力。整体像一个悬臂筒体一样，刚度和承载力很大。水平荷载下楼板只是一个刚性隔板，保证框筒的侧向稳定和刚度，有如竹子中的竹节，楼板中的板、梁按承受垂直荷载要求单体设计。（2）筒中筒结构筒中筒结构，如下图 2.6 所示。一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。图 2.6 筒中筒结构示意图10 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用（3）桁架筒结构用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架，布置在建筑物周边，形成桁架筒结构。桁架筒结构的结构特点是柱距大，支撑斜杆横跨建筑的一个面的边长，竖向跨越几个楼层，形成巨型桁架，4 片桁架围成桁架筒，形成整体悬臂结构。刚度大，比框筒结构更能充分利用材料。（4）多筒结构—成束筒结构成束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。2.4.2 筒体结构应用实例 1、纽约世界贸易中心世界贸易中心（World Trade Center，1973 年—2001 年 9 月 11 日）在纽约曼哈顿岛西南端，为美国纽约的地标之一，西临哈德逊河。2001 年 9 月 11 日发生的 9·11 事件中倒塌。由两座并立的塔式摩天楼、4 幢 7 层办公楼和 1 幢 22 层的旅馆组成，建于1962—1976 年。世界贸易中心摩天楼采用的是典型的筒中筒体系，第 9 层以下承重外柱间距为 3米。9 层以上外柱间距为 1 米，标准层窗宽约 0.55 米，核心部位为电梯井，每座楼内设电梯 108 部。在第 44 层和 78 层设有银行、邮局和公共食堂等服务设施。第 107 层是瞭望层，可通过两部自动扶梯到 110 层屋顶。地下一层为综合商场，地下 2 层为地铁车站，地下 3 层及以下为地下车库，可停放汽车 2000 辆。世贸双子大楼高宽比为 7：1，由密集的钢柱组成，钢柱之间的中心距离只有 1 米多，所以窗都是细长形，身在室内没有大玻璃造成的恐惧感。密密的钢柱围合起来构成巨大的方形管筒，中心部位也是钢结构，内含电梯、楼梯、设备管道和服务间。两座塔楼都能提供 75%的无柱出租空间，大大超过一般高层建筑的使用率，被誉为当时世界上最大的室内空间。11 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用图 2.7 纽约世界贸易中心双子大楼2、芝加哥西尔斯大厦西尔斯大厦位于美国伊利诺伊州的芝加哥市，是上个世纪世界最高的建筑之一。它是为西尔斯-娄巴克公司建造的，于 1973 年竣工。大厦结构工程师是 1929 年出生于达卡的美籍建筑师 F.卡恩。他为解决像西尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸实践。整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。顶部设计风压为 305 千克力/平方米，设计允许位移（振动时允许产生的振幅）为建筑总高度的 1/500，即 900 毫米，建成后最大风速时实测位移为460 毫米。所有的塔楼宽度相同，但高度不一。大厦外面的黑色环带巧妙地遮盖了服务性设施区。大厦采用由钢框架构成的成束筒结构体系，外部用黑铝和镀层玻璃幕墙围护。其外形的特点是逐渐上收的，即 1～50 层为 9 个宽度为 23.86 米的方形筒组成的正方形平面；51～66 层截去一对对角方筒单元；67～90 层再截去另一对对角方筒单元，形成十字形；91～110 层由两个方筒单元直升到顶。这样，既可减小风压，又取得外部造型的变化效果。西尔斯大厦顶部的设计风压为 3 千帕，容许位移为建筑物高度的 1/500，即 90 厘米，建成后在最大风速下的实测位移为 46 厘米。12 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用图 2.8 芝加哥西尔斯大厦2.5 巨型结构巨型结构，如下图 2.9 所示。利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即构成巨型框架。图 2.9 巨型框架结构示意图2.5.1 巨型结构特点 巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承13 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。2.5.2 巨型结构应用实例 香港中银大厦采用了巨型桁架结构。中银大厦是中银香港的总部，位于香港中西区金钟花园道 1 号。在 1989 年竣工，1990 年启用。香港中银大厦自 1982 年底开始规划设计，至 1990 年 3 月 19 日银行乔迁开始营业，历时六年有余，大厦基地面积约8400 平方米，是一块四周被高架道路缚绑着的局促土地。要满足楼地板面积需求，要在高楼林立的香港中环区“出人头地”，唯有向高空发展，这就是如今 315 米的主要原因之一。楼高加上当地台风季节强劲的风力，使得建筑物的结构系统需要非比寻常的解决方式，结构工程师罗伯森，这位 ENR 杂志 1989 年的风云人物，向贝氏建议采用合成的超强结构体，即以钢组构成盒状，内灌注混凝土，以之做为抗风力暨承重的主干。 仔细观察中银大厦，会发现许多贝氏作品惯用的设计，以平面为例，中银大厦是一个正方平面，对角划成 4 组三角形，每组三角形的高度不同，节节高升，使得各个立面在严谨的几何规范内变化多端，至于平面的概念，可以溯至 1973 年的马德里大厦，马德里大厦亦是以方正的正面做多边的分割，分析其组合，乃系两个平等四边形的变化。14 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用图 2.10 香港中银大厦15 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用3 高层建筑结构的设计特点由于高层建筑的各片竖向平面结构（或称抗侧力结构）的刚度、形式并不相同，变形特征也不一样，导致其不能简单地像一般房屋那样由受荷面积和间距对荷载进行分配，否则会使抗侧力刚度大的结构分配到的水平力过小。因此，首先需要了解高层建筑结构的特点。3.1 水平荷载成为设计的决定性因素对一般建筑物，其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制，而在高层建筑结构中，高宽比增大，水平荷载(包括风力和地震力)产生的侧移和内力所占比重增大，成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素。其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长。例如一竖向悬臂杆件在竖向荷载作用下产生的轴力仅与高度成正比，但在水平荷载作用下的弯矩和侧移却分别与高度呈二次方和四次方的曲线关系。图 3.1 结构内力、位移与高度的关系因此，当建筑物达到一定高度或层数之后，内力和位移均急剧增加。如图 3.1 所示，除了轴向力 N 与高度成正比外，弯矩 M 与位移 Δ 都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制结构设计的主要因素，结构侧移成为结构设计的主要控制目标。3.2 侧移成为设计的控制指标在高层建筑结构中，除了像多层和低层房屋一样进行强度计算外，还必须控制其侧移的大小，以保证高层建筑结构有足够的刚度，避免侧移过大。（1）结构顶点的侧移 与结构高度 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；过大侧移会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因 P-△效应而使结构产生附加内力，甚至破坏。16 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用目 录内容摘要............................................................................................................................I引 言.................................................................................................................................11 绪论...............................................................................................................................21.1 高层建筑发展情况...........................................................................................21.2 高层建筑结构体系的发展和应用情况...........................................................32 高层建筑中常用结构体系及特点...............................................................................52.1 框架结构...........................................................................................................52.1.1 框架结构特点........................................................................................52.1.2 框架结构应用实例................................................................................62.2 剪力墙结构.......................................................................................................62.2.1 剪力墙结构特点....................................................................................72.2.2 剪力墙结构应用实例............................................................................72.3 框架-剪力墙结构..............................................................................................82.3.1 框架-剪力墙结构特点...........................................................................82.3.2 框架-剪力墙应用实例...........................................................................92.4 筒体结构.........................................................................................................102.4.1 筒体结构特点......................................................................................102.4.2 筒体结构应用实例..............................................................................112.5 巨型结构.........................................................................................................132.5.1 巨型结构特点......................................................................................142.5.2 巨型结构应用实例..............................................................................143 高层建筑结构的设计特点.........................................................................................163.1 水平荷载成为设计的决定性因素.................................................................163.2 侧移成为设计的控制指标.............................................................................163.3 轴向变形的影响在设计中不容忽视.............................................................17 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用3.3 轴向变形的影响在设计中不容忽视在一般房屋结构分析中，通常只考虑构件弯曲变形的影响，而忽略构件轴向变形和剪切变形的影响，因为一般来说其构件的轴力和剪力产生的影响很小。而对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著，中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大，对结构内力分配的影响大，因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑；（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）水平荷载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。3.4 延性成为结构设计的重要指标相对于低层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取适当的措施，来保证结构具有足够的延性。（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）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。（3）为了保证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。3.5 动力效应大结构本身的特点不同，如结构的类型与形式，结构的高度与高宽比，自振周期与材料的阻尼比等的不同，结构受到地震作用或风荷载作用时，产生的动力效应严重影响结构物的正常使用，甚至造成房屋的破坏。3.6 扭转效应大当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化，影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。3.7 结构的稳定和抗倾覆必须重视结构的整体稳定和抗倾覆问题。在高层建筑结构设计中，应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力，防止结构发生整体失稳的破坏情况。17 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用3.8 温差过大产生的温度应力及变形大当建筑物高度很大时，结构内力与上下的温差过大而产生的温度内力和温度位移也是高层建筑结构的一种特点。18 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用4 高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题4.1 结构的平面形状及立面型式高层建筑结构要抵抗竖向和水平荷载作用，高层建筑结构中的抗侧力成为结构设计的主要问题，因此，平面形状宜简单、规则、对称，避免过多的外凸、内凹。在抗震结构中，结构体型、布置、构造措施的好坏比计算是否精确更直接影响结构的安全。平面和体型的选择必须在综合考虑使用要求、建筑美观、结构合理及便于施工等各种因素后确定。在高层建筑结构设计中，保证结构安全和经济合理等要求比一般多层结构整体性也不同，若上部结构通过合理结构设计能保证结构具有足够的刚度，以使结构在地震作用下和风振作用下都不会有过大的动力反应，高宽比控制也可以大些。比高层建筑更细柔的高耸结构设计时并不采用 来控制，而是通过计算确定附加弯矩等不利因素从而采用相应的措施，安全性同样能得到保证。因此，可以通过合理的基础和上部结构设计来考虑结构整体性和抗倾覆性的要求，适当突破高宽比的限值。4.2 结构刚度高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性能有很大影响，应设计得刚些还是柔些，不同的设计有不同的做法，因此各结构物的经济指标相差较大。产生的变形对构件内力的影响也是不一样的。因此，虽然 有限值要求，但不同的算法所得的数值有时会相差几倍，所以 实际上失去了指导意义。另外，衡量填充墙、装饰物等非结构构件的开裂的损坏与否，用 来控制也不是最妥当，如非结构构件与主体结构之间是刚性连接，则应主要看其主拉应力是否超出材料的开裂强度和破坏强度；若非结构构件与主体结构是柔性连接且连接材料具有较好的变形能力，则 超出限值也并不会破坏。4.3 高宽比限制《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》(JGJ3-91)中对高层建筑的结构高宽比进行限值的目的是为了保证结构整体的稳定性和不倾覆。一般而言，随着建筑物高度的增加，倾覆力矩也将迅速增大，高宽比大的结构其安全性和经济性较差，所以高宽比限值原则上是需要的。但目前高宽比限值中考虑的因素过于简单。首先，结构的抗倾覆性与基础埋深、基础宽度及基础形式等有很大的关系。基础埋得越深、基础宽度越大，结构抗倾覆能力就越好，高宽比控制就可以稍大一些；有桩基础的结构，其抗倾覆能力比天然地基的抗倾覆能力好，所以高宽比控制也可以大些。其次，上部结构的刚度分布不同，且所有钢筋在同一截面截断锚固也有违规范要求。如果钢筋不断，则混凝土伸缩时会引起钢筋产生预应力，如此力与正常受力方向一致，则降低了19 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用承载力。因此，不能一概用后浇带代替结构缝，应对后绕带的作用客观分析，对其带来的不利因素应充分考虑，必要时应采取其它措施加以弥补。4.4 侧向位移限制高层建筑结构的水平位移随着高度的增长而迅速变大，为防止位移过大，规范对顶点位移和层间位移都作了一定的限制。控制顶点位移 的主要目的是保证居住、工作的人有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌，但人的舒适感主要与结构的自振周期和顶点的加速度有关，而与顶点位移并没有十分直接的关系，所以用控制 来保证人的舒适度根据并不充分。另外 较大的结构只是可能会倒塌，而结构遭遇到强烈地震时能保证不倒塌的关键，是结构构件、结构体系应具有足够的变形能力和耗能能力，如采用一些减振、隔振装置，关键部位用钢骨混凝土等。使结构具有足够的延性是抗震设计的关键，控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是 限值。另外，为使结构具有较好的防倒塌能力，应在结构计算中考虑效应，对于今天计算机技术迅速发展的情况，这已不是一件难事。控制层间位移 的主要目的是防止填充墙、装饰物等非结构构件的开裂和损坏，但目前的限值中没有明确 的定义，上下两层的水平位移差与层转角的含义又不同，下层转动引起的上层刚性位移对构件内力并不产生影响，弯曲产生的变形和剪切建筑更为突出，因此宜尽量采用简单规则的平面，立面型式也应避免过多外挑内收。目前有一些高层建筑的平面形状过于复杂，凹角很多，对抗震是不利的，特别是一些工程采用了收腰的平面，在平面的狭窄部位，地震时容易破坏，所以在方案选择阶段宜尽量调整，加大宽度、加厚楼板。再如近年建成的同济大学图书馆等，这类悬挂结构只有中央电梯井落地，楼面全部悬挑，从整体上来看是竖向悬臂结构，缺少第二道防线，所以在抗震设计时宜慎重采用。为了建筑外形的标新立异而以结构抗震和安全隐患为代价是得不偿失的。大量震害的经验教训表明，建筑物平面布置不对称、刚度不均匀、高低错层连接、屋顶局部凸出或沿高度方向刚度突变等都容易造成震害。要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，以减小扭转。建筑平面愈复杂，在凹凸拐角等处愈易造成应力集中而遭到破坏。在完全对称的平面中，也应注意凸出部分的尺寸比例。如果凸出部分较长，要在结构设计中采取相应的措施。结构的竖向布置要做到刚度均匀而连续，避免刚度突变，避免软弱层。刚度突变及软弱层常常是由于切断剪力墙所致。如果有少数剪力墙切断，则其他剪力墙在该切断层应予以加强。20 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用5 总结与展望5.1 总结本文总结了高层建筑的发展情况，总结了高层建筑体系的发展与应用情况；研究了高层建筑中常用的五种结构体系：框架结构，剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构，巨型结构；总结了这五种结构体系的特点，五种结构体系的应用实例；总结了高层建筑结构的设计特点；总结了高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题。5.2 展望1、随着高层建筑各项功能要求的提高，结构体系也要作相应的改进，应着重研究近年来所出现的钢筋混凝土结构、钢结构或两者组合的巨型结构，以降低工程造价、改进结构性能并经济地和有效地解决抗震、抗风等问题。2、要采取有效措施改进高层建筑的动力特性与对人在感觉上的影响，使能舒适使用。要发挥和增加建筑物的阻尼作用，实践证明，不少高层建筑采用可调质量阻尼器，效果良好。3、改进高层建筑室内外的环境设计，创造优美的空间组合形式和提高空间利用效益，逐步形成市内功能齐全的小区，改进城市规划。4、采用电子计算机自动控制高层建筑温湿度，以及通风、照明、防火、防烟等，节约能源并保持舒所需的条件。5、改进建筑材料的品种质量，采用高等级混凝土高效能保温、隔热、防寒材料，减少温度、收缩、徐变等影响，提高建筑物的使用效果。6、在施工方面要积极采用新的设备和机具，如利用直升飞机安装和在容易发生安全来故的地方采用机器人操作，并预测今后十年内机器人的应用将有较大地发展。21 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用参考文献[1] 钟国华.高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨.重庆大学工程硕士学位论文，2006.[2] 包世华．新编高层建筑结构．北京：中国水利水电出版社，2001.[3] 沈蒲生．高层建筑结构设计．北京：中国建筑工业出版社，2006.[4]JBJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程.[5] 方鄂华．高层建筑钢筋混凝土结构概念设计．北京：机械工业出版社，2004.[6] 李娟，曾辉，沈宇等．世界已建成的最高 100 幢建筑最新排名．见：第 14 届全国工程学术会议论文集（第Ⅲ册）．北京：工程力学杂志社，2005，506-510.[7] 徐风波，魏清，谭光宇等．我国内地已建成的最高 100 幢建筑最新排名．见：第 14届全国工程学术会议论文集（第Ⅲ册）．北京：工程力学杂志社，2005，563-567.[8] 沈蒲生．高层建筑结构疑难释疑.北京：中国建筑工业出版社，2003.[9] 赵西安．钢筋混凝土高层建筑结构设计．北京：中国建筑工业出版社，1992[10] 姜利勇.高层建筑文化特质及设计创意研究.重庆大学博士学位论文，2009.[11] 王睿.高层建筑造型艺术与结构概念设计.重庆大学硕士学位论文，2007.[12] 黄民.高层结构设计中结构体系的确定.中国新技术新产品，2009，14:152.22 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用3.4 延性成为结构设计的重要指标.....................................................................173.5 动力效应大.....................................................................................................173.6 扭转效应大.....................................................................................................173.7 结构的稳定和抗倾覆.....................................................................................173.8 温差过大产生的温度应力及变形大.............................................................184 高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题.............................................194.1 结构的平面形状及立面型式.........................................................................194.2 结构刚度.........................................................................................................194.3 高宽比限制.....................................................................................................194.4 侧向位移限制.................................................................................................205 总结与展望.................................................................................................................225.1 总结.................................................................................................................225.2 展望.................................................................................................................22参考文献.........................................................................................................................23 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用引 言尽管 20 世纪中发生了两次世界大战，使人类文明遭到了惨重的破坏，大地震、强台风和洪水等自然灾害使人类财产遭受了巨大的损失，但是各国人民在重建家园和恢复生产的建设过程中取得了辉煌成就。各类高层建筑如雨后春笋般耸立于世界各地。到 30 年代美国的纽约曼哈顿区已高楼林立，其中高 381 米的帝国大厦更是那一时期的经典之作。与此同时，其余各国亦奋起直追。60 年代日本和亚洲四小龙（韩国、台湾、香港、新加坡）的城市形成了大批的高层建筑群。二十世纪的最后 20 年，改革开放之后的中国随着综合国力的提高，新建了大批的高层建筑。虽然我国内地从 50 年代开始自行设计和建造高层建筑。但是直到 1977年建成的 112.5m 高的广州白云饭店，第一次突破 100m 高度；北京饭店东楼（18 层，87 米）是 8 度抗震设防的最高建筑物；随着九五计划和 2010 年远景规划的制订，建筑业成为支柱产业，高层建筑兴建面积逐年增长，1984~1995 年间，仅建设部系统每年建造 10 层以上的建筑由 800 万平方米增至 1800 万平方米，至 1996 年底，全国建成20 层以上高层建筑 8000 多幢。1997 年完工的上海金茂大厦结构高度 395 米，建筑高度 421 m，而在建的上海环球金融中心高 460 米，建成后将居世界第一位。由于 1996、1997 年我国钢产量连续两年居世界第一，混凝土使用量亦居世界第一，这都为后来高层建筑的发展创造了良好的物质条件。但是目前我国内地高层建筑中，仍以高层住宅（12~30 层）占主体，约占全部高层建筑的 80%，所以钢筋混凝土高层建筑仍是具有很强的优势。广州中信大厦（80 层，391 米，层顶净高 322 米）为我国最高钢筋混凝土结构，该工程采用筒体结构体系，下部楼层采用 C60 混凝土。本文对高层建筑结构体系的发展与应用进行了比较全面的分析，具有一定的参考意义。1 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用1 绪论1.1 高层建筑发展情况高层建筑何时开始出现尚无考究。但可以肯定的是，它不是近代和现代的产物。我们的祖先在很久以前便开始修建高层建筑，只是随着经济的不断发展，科技的日益进步，高层建筑建造的数量愈来愈多，规模愈来愈大，地域也愈来愈广。古代建造的高层建筑是为了防御和航海，随之发展到宗教建筑，大都以木材和砖石为主要建筑材料，其结构比较笨重、内部使用空间狭小，而且缺少现代化的垂直交通运输、防火、防雷等设施。古代高层建筑为近代和现代高层建筑的发展奠定了基础。在结构方面，古代将高层建筑的平面大多设计成圆形或正多边形，不但造型优美，而且可减小水平荷载作用效应，增大结构刚度，受力好，为许多近代和现代高层建筑所效仿。近代高层建筑的建造始于 19 世纪 80 年代，主要为商业和居住需要而建造。经济的发展为高层建筑的发展提供了经济基础，电力、升降机、钢铁、水泥的出现为高层建筑的发展提供了物质基础。美国是近代高层建筑的发源地和中心。近代高层建筑经历了百余年的发展，如今已遍及世界各地。高层建筑的发展速度在逐年增加，高层建筑的重心正逐渐向中国、向亚洲转移。从建筑的功能来看，虽然办公建筑仍占有较大的比重，但世界上的大部分建筑在功能方向已逐步朝多功能方向发展。从高度上看，目前 300m 以下的高层建筑占绝大多数，但 300m 以上的高层建筑正在快速增长。近年来，我国高层建筑发展迅速，建筑高度不断增加，建筑功能和类型愈来愈复杂，结构体系更加多样化，地区分布更加广泛。图 1.1 重庆解放碑地区高楼林立随着经济的进一步发展，科学技术水平不断提高，高层建筑将迎来更大的发展空2 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用间。可以肯定的是高层建筑建筑高度将继续增长，可能达到甚至超过 1000m。在建造方面，首先是结构体系更加多样化，会出现多种结构的有机组合；其次是采用轻质、高强、复合的新型建筑材料，这些都将导致高层建筑的用途朝着更加综合化的方向发展。在结构分析与设计方面，更科学、更符合实际的动力非线性分析法、结构控制理论和全概率设计法将得到广泛的应用。在结构功能方面，防震、防火、防腐、防撞击、防风、防爆炸和防海啸的能力也将大幅度增强，智能化建筑大量出现，结构具有自我预警的功能。1.2 高层建筑结构体系的发展和应用情况相对于低层建筑，高层建筑要求建筑结构具有更好的抗侧力特性，传统的砌体结构已经不能满足这些要求，因此一些适应于建造更高建筑的结构体系应运而生。结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。低层结构的水平荷载对结构影响通常较小，但在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着高度的增加，位移增加很快。但是过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必领将结构的侧移控制在一定的范围之内，于是抗侧力结构设计成为关键。1980 年以前，高层建筑基本上是钢筋混凝土三大常规抗侧力体系：框架结构，剪力墙结构和框架剪力墙结构，它们的共同特点是以平面框架或平面剪力墙作为基本抗侧力结构单元，多方向(纵向、横向、斜向)组成空间受力结构。80 年代后，随着人们对建筑功能要求的提高，平面布置和竖向体系日益复杂，而且层数增多，高度加大，以及设防烈度提高，常规的抗侧力体系往往难满足要求，于是以空间整体受力为特征的筒体结构便得到了广泛的采用，在建和已建的 100 米以上的高层建筑中，采用筒体结构的占 80%。最近几年，一些更新颖的结构形式已经得到应用。这些结构体系都从整体受力为特点，而且能更好地满足动能要求。如深圳香格里拉大酒店和厦门国际金融大厦均采用了巨型框架结构；香港的中银大厦采用了巨型桁架结构；同济大学图书馆和重庆中建大厦采用了悬挑结构，深圳发展中心采用了刚性水平构件，把中央核心和边柱联系起来，减少了结构的位移。在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，可节省钢材，承载能力也不低（特别是近年来高强混凝土和超高强混凝土的研制应用，大大提高了混凝土承载力），经过合理设计，可获得较好的抗震性能。因此在发展中国家包括我国，大都采用钢筋混凝土建高层建筑。但它主要缺点是构件断面大，占据面积大，自3 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用重大。而钢材强度高，韧性大，易于加工；高层钢结构具有结构断面小，自重轻，抗震性能好，钢结构构件可在工厂加工，能缩短现场施工工期，施工方便。但是高层钢结构用钢量大，造价很高，而且耐火性能不好，需要用大量防火涂料，增加了工期和造价。在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构，在我国，随着建筑物高度的增加，也有采用钢结构的高层建筑，由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长，又各有所短，所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构，这种结构可以使两种材料互相取长补短，取得经济合理，技术性能优良的效果，通常钢与钢筋混凝土组合于一个结构中有两种方式：1、用钢材加强钢筋混凝土构件，钢材放在构件内部，外部由钢筋混凝土包住，称为钢骨混凝土构件，它可以充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可以利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能；也可以在钢管内部填充混凝土，称为钢管混凝土，自 90 年代初，第一座部分柱子采用钢管混凝土柱的福建泉州市邮局大楼建成以来，已经有几十座建成或在建的钢管混凝土高层建筑，由于钢管混凝土有效地利用了钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度，大大提高了钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力，减小了柱截面有利于抗震，而且由于管内混凝土的吸热作用，增加了柱子的耐火时间；另外，对于高强混凝土的采用提供了可靠的保证，因为外钢管可防止内部混凝土的脆性破坏。2、部分抗侧力结构用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构，形成组合结构。通常是钢筋混凝土做的内筒或剪力墙，钢材作框架梁柱。4 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用2 高层建筑中常用结构体系及特点高层建筑发展到今天，其结构体系形式繁多，划分标准也多种多样。高层建筑结构体系的分类标准通常依据其竖向承重单体和抗侧力单元的类型来划分，通常分为以下几种类型。2.1 框架结构框架结构是由梁、柱等线型构件通过节点连接在一起构成的结构，其基本的竖向承重单体和抗侧力单元为梁、柱通过节点连接形成的框架。框架结构最理想的施工材料是钢筋混凝土，这是因为钢筋混凝土节点具有天然的刚性。框架结构体系也可以用于钢结构建筑中，但钢筋结构的抗弯节点处理费用相对较高。钢筋混凝土框架结构按施工方法的不同，可以分为以下四种：（1）梁、板、柱全部现场浇注的现浇框架。（2）楼板预制，梁、柱现场浇注的现浇框架。（3）梁、板预制，柱现场浇注的半装配式框架。（4）梁、板、柱全部预制的全装配式框架。2.1.1 框架结构特点1、框架结构的位移特点在水平荷载的作用下，框架结构将产生较大的侧向位移，侧移一般由以下两部分组成：（1）由水平力所引起的倾覆力矩，使得框架结构产生的整体弯曲变形，即柱子的轴向拉伸和压缩所引起的侧移；（2）由水平力所引起的楼层剪力，使得框架结构产生剪切变形，即框架整体受剪，层间梁、柱杆件发生弯曲而引起的水平位移。框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形。当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。2、框架结构的优点框架结构内部比较空旷而且建筑平面布置灵活，可以做成具有较大空间的会议室、餐厅、办公室、实验室等，同时便于门窗的灵活布置，立面也可以处理得富于变化，可以满足各种不同用途的建筑的需求。3、框架结构的缺点框架结构的构件截面较小，抗侧刚度较小，在强震作用下结构的整体位移和层间位移都比较大，这对结构构件以及非结构构件都是不利的，容易加重震害。框架结构的节点内力集中，受力非常复杂，是结构抗震设计的关键部位。另外，由于框架结构5 浅谈高层建筑结构体系的发展和应用的受力特性和抗震性能的限制，使得他的适用高度受到限制，一般不宜超过 60m。2.1.2 框架结构应用实例混凝土框架结构广泛用于住宅、学校、办公楼，也有根据需要对混凝土梁或板施加预应力，以适用于较大的跨度；框架钢结构常用于大跨度的公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物中，如剧场、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机库、停车场、轻工业车间等。图 2.1 框架结构2.2 剪力墙结构由墙体承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系成为剪力墙结构体系。一般情况下，剪力墙结构均做成落地形式，但是由于建筑功能及其他方面的要求，部分剪力墙可能不能落地，如下图 2.2 所示，即为此类部分框支剪力墙结构。图 2.2 部分框支剪力墙结构立面布置示意图剪力墙结构按照施工方法的不同，可以分为以下三种：（1）剪力墙全部现浇的结构；6