《高层建筑基础分析与设计》高层和超高层建筑结构体系.ppt

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1、1第二章第二章 高层和超高层建筑结构体系高层和超高层建筑结构体系在国内一般把超过在国内一般把超过8 8层的建筑称为高层建筑，在国际上把高层的建筑称为高层建筑，在国际上把高度超过度超过100m100m或或3030层以上的高层建筑，又称之为超高层建筑层以上的高层建筑，又称之为超高层建筑(Super Tall Building)(Super Tall Building)。 对于一般高层建筑，通常采用：对于一般高层建筑，通常采用：l 框架框架l 框架框架- -剪力墙剪力墙l 剪力墙结构剪力墙结构随着建筑高度要求的增长，这些结构不能适应时代的需要，随着建筑高度要求的增长，这些结构不能适应时代的需要，新的

2、结构也随之出现，对于超高层建筑，通常采用新的结构也随之出现，对于超高层建筑，通常采用: :l 框架框架- -筒体结构筒体结构l 筒中筒结构筒中筒结构l 成束筒结构等成束筒结构等 l当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。用）对结构起的作用将愈来愈大。l为了正确认识高层建筑结构体系，必须对高层结构为了正确认识高层建筑结构体系，必须对高层结构设计的控制因素有足够的了解。设计的控制因素有足够的了解。l本章首先概括阐述高层建筑结构设计的控制因素，本章首先概括阐述高层建筑结构设计的控制因素，然后介绍高层建筑结构体系的类型，最后

3、简单讨论高然后介绍高层建筑结构体系的类型，最后简单讨论高层和超高层结构体系的选择问题。层和超高层结构体系的选择问题。 3 3第二节第二节 高层和超高层建筑结构设计的控制因素高层和超高层建筑结构设计的控制因素1. 风荷载风荷载 越是高的建筑物，其越是高的建筑物，其风荷载风荷载越是起着主要的作用。越是起着主要的作用。按照我国规范按照我国规范建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范(GB50009)，对于风，对于风荷载，可采用以下公式确定。荷载，可采用以下公式确定。4 4l 其中其中z为风压高度变化系数，对于平坦或稍有起伏的为风压高度变化系数，对于平坦或稍有起伏的地形，应根据地面粗糙度类别按规范表地形，应根

4、据地面粗糙度类别按规范表7.2.1确定。确定。l 高度越高，系数高度越高，系数z越大越大。l 但规范中对于风荷载的规定，是基于低空（但规范中对于风荷载的规定，是基于低空（8 m 12 m）风速观测数据、多层建筑和一般高层建筑的单体模型风洞风速观测数据、多层建筑和一般高层建筑的单体模型风洞试验研究成果以及工程经验而得出的，当用于超过试验研究成果以及工程经验而得出的，当用于超过200 m以上的超高层建筑，可能不大合适。以上的超高层建筑，可能不大合适。l 例如，美国例如，美国SOM和和LERA设计事务所对金茂大厦和上设计事务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计所采用的风荷远远小于我国规海环球金融

5、中心的结构设计所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。范的计算结果。5世界著名设计事务所世界著名设计事务所SOMSOM建筑设计事务所建筑设计事务所是美国最大的建筑师是美国最大的建筑师- -工程师事务所之一。工程师事务所之一。19361936年年芝加哥成立，拥有地标性城市综合发展及高层项目设计的悠久经验。芝加哥成立，拥有地标性城市综合发展及高层项目设计的悠久经验。代表作：上海金茂大厦、约翰代表作：上海金茂大厦、约翰汉考克大厦、芝加哥西尔斯大厦、花汉考克大厦、芝加哥西尔斯大厦、花旗银行世界总部、伯吉迪拜哈里发塔、纽约时代华纳中心、日本东京旗银行世界总部、伯吉迪拜哈里发塔、纽约时代华纳中心、日本东京

6、中城项目、黄浦江两岸总体规划、北京国贸中心、香港会展中心等。中城项目、黄浦江两岸总体规划、北京国贸中心、香港会展中心等。英国英国ARUPARUP（奥雅纳）公司（奥雅纳）公司于于19461946年在英国成立，是全球最大、最成功年在英国成立，是全球最大、最成功的工程顾问公司之一。代表作：澳大利亚悉尼歌剧院、巴黎庞比度艺的工程顾问公司之一。代表作：澳大利亚悉尼歌剧院、巴黎庞比度艺术和文化中心、伦敦劳斯保险大厦、日本大阪关西国际机场大厦、香术和文化中心、伦敦劳斯保险大厦、日本大阪关西国际机场大厦、香港大球场、香港汇丰银行总部、上海嘉里不夜城、上海浦东新国际机港大球场、香港汇丰银行总部、上海嘉里不夜城、

7、上海浦东新国际机场建筑方案、上海南京西路中信广场等。场建筑方案、上海南京西路中信广场等。美国美国“金斯勒建筑事务所金斯勒建筑事务所”(Gensler)(Gensler)：上海中心：上海中心英国的英国的“福斯特建筑事务所福斯特建筑事务所”(Foster Partners)(Foster Partners)美国美国“帕金斯威尔建筑事务所帕金斯威尔建筑事务所”(Perkins-Will)(Perkins-Will)纽约纽约SHoPSHoP建筑事务所建筑事务所 6 6l 又如又如台北台北-101大楼大楼的设计，除了参考当地规范外，还的设计，除了参考当地规范外，还委托委托加拿大加拿大Rowan Will

8、iams Davies & Irwin Inc.(RWDI) 公司，采用风洞试验确定公司，采用风洞试验确定大楼设计荷载大楼设计荷载。l 以以1:500比例制作现场半径为比例制作现场半径为600 m以内的风场环境模以内的风场环境模型，输入以型，输入以10级为单位风力，模拟实际的建筑物受力情级为单位风力，模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的风速高度分布特性以况。其中各个角度的风速高度分布特性以1:3000的地形的地形模型中进行边界层风洞试验（模型中进行边界层风洞试验（Boundary layer tunnel test），然后得到大气边界层风速分布。），然后得到大气边界层风速分布。l 结构的基

9、本风压是由应变计所测到的弯矩、扭力和剪结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩、扭力和剪力的分布曲线统计回归获得，并且配合结构动力特性计力的分布曲线统计回归获得，并且配合结构动力特性计算结构体的加速度反应。然后再将这些数据提供设计单算结构体的加速度反应。然后再将这些数据提供设计单位作为设计风力的依据。位作为设计风力的依据。7 7l 迪拜迪拜哈利法哈利法塔塔对风荷载进行大量研究和分析工作对风荷载进行大量研究和分析工作，其，其风洞试验也在加拿大风洞试验也在加拿大RWDI的风洞中进行。的风洞中进行。l 风洞试验项目包括刚性模型天平测力试验风洞试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model fo

10、rce balance tests)、全气动弹性模型试验、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域压力测试、定域压力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。人行道风环境研究。l 试验时采用的大多是试验时采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风的模型。然而，在人行道风环境研究环境研究(pedestrian wind environment studies)中采用更中采用更大的大的1:250的模型，目的在于用空气动力学的方法来分析的模型，目的在于用空气动力学的方法来分析风速。而塔楼的上部分采用风速。而塔楼的上部分

11、采用1:50的比例，试验在加拿大的比例，试验在加拿大Ottawa国家研究中心的国家研究中心的9m9m的风道中进行试验，在的风道中进行试验，在9m9m的风道中可达到风速的风道中可达到风速55m/s。l 上述这些的宝贵资料和研究方法，对我国规范修订同上述这些的宝贵资料和研究方法，对我国规范修订同样有借鉴作用。样有借鉴作用。8 82. 地震力地震力 l 地震力地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，在地震频的预测，目前尚难准确确定。例如，在地震频繁的日本地区，对地震已进行许多深入研究，但地震前繁的日本地区，对地震已进行许多深入研究，但地震前也几乎无法准确预测何时何地会发生地震。因此，对待也几乎无法准确

12、预测何时何地会发生地震。因此，对待地震应倍加重视。地震应倍加重视。l 对于地震地区，除了风力外，还必须考虑地震。对于地震地区，除了风力外，还必须考虑地震。 例如，台北例如，台北-101大楼，地处板块交错运动频繁区域，大楼，地处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要的是对离建筑除了风力，还必须进行地震设计。更重要的是对离建筑场地地下场地地下200m的断层的深入研究，经过多方面的考察与的断层的深入研究，经过多方面的考察与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层。活动断层。 大楼即将完成之际，我国台湾省遇到了大楼即将

13、完成之际，我国台湾省遇到了“921”大地震，大地震，平安无恙，巍然不动，这是一个宝贵经验。平安无恙，巍然不动，这是一个宝贵经验。9 93. 地基基础地基基础l 由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，且一般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总荷载超过总荷载超过300万万kN，混凝土巨型柱荷载为，混凝土巨型柱荷载为101,670kN；又；又如，台北如，台北-101大楼，建筑物总垂直荷载超过大楼，建筑物总垂直荷载超过400万万kN。因此，。因此，对对地基基础地基基础的要求很高。的

14、要求很高。l 在上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用在上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏桩筏或或桩箱桩箱基础。基础。l 台北台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用现场浇大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用现场浇注桩，深入岩层。注桩，深入岩层。l 而高雄的而高雄的85层东帝士大楼，岩层在地面层东帝士大楼，岩层在地面100m以下，利用以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲积土，采用框格式地下连续岩层上面的土为常见的层状冲积土，采用框格式地下连续墙（墙（Barrette）。）。l 新加坡的新加坡的Raffle City的的72层、层、42层、层、32层的高楼群，地层层的高楼群，

15、地层条件好而采用筏板基础。条件好而采用筏板基础。10104. 业主要求业主要求l 业主最关心的业主最关心的通常就是建筑艺术和经济。通常就是建筑艺术和经济。l 上述三个主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工上述三个主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师，但又要满足建筑艺术和经济的要求，则有赖于建程师，但又要满足建筑艺术和经济的要求，则有赖于建筑师、结构工程师和岩土工程师等多方面的密切配合筑师、结构工程师和岩土工程师等多方面的密切配合。l 此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下也可此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下也可能成为一个控制因素。能成为一个控制因素。1111第三节第三节 高

16、层和超高层建筑的结构体系高层和超高层建筑的结构体系 l 一般的高层建筑，通常采用一般的高层建筑，通常采用框架框架、框架框架-剪力墙剪力墙和和剪力剪力墙结构体系墙结构体系。l 随着对建筑高度要求的不断增加，高度增长很快，超随着对建筑高度要求的不断增加，高度增长很快，超高层建筑也越来越多，以往的结构类型已远远不能适应高层建筑也越来越多，以往的结构类型已远远不能适应时代的需要。时代的需要。l 从结构角度分析，一般适用于从结构角度分析，一般适用于3040层的高层建筑结构层的高层建筑结构体系，其刚度、抗剪、抗扭、抗风和抗震能力不能适应体系，其刚度、抗剪、抗扭、抗风和抗震能力不能适应更高高度的超高层建筑结构要求。更高高度的超高层建筑结构要求。l框架框架-筒体结构筒体结构、筒中筒结构筒中筒结构和和成束筒结构成束筒结构已成为当代已成为当代超高层建筑的主要结构体系。超高层建筑的主要结构体系。12121框架结构体系框架结构体系l 框架结构框架结构竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较大空间，建筑布置灵活，使用面积可以加大，适用成较大空间，建筑布置灵活，使用面积可以