同濟大學 高層建築結構設計 簡體中文 CD 只於電腦播放


一、高層建築的特點

　　1．在相同的建設場地中，建造高層建築可以獲得更多的建築面積，這樣可以部分解決城市用地緊張和地價高漲的問題。設計精美的高層建築還可以為城市增加景觀，如馬來西亞首都的石油大廈和上海的金茂大廈等。但高層建築太多、太密集也會對城市帶來熱島效應，玻璃幕牆過多的高層建築群還可能造成光污染現象。

　　2．在建築面積與建設場地面積相同比值的情況下，建造高層建築比多層建築能夠提供更多的空閒地面，將這些空閒地面用作綠化和休息場地，有利於美化環境，並帶來更充足的日照、採光和通風效果。例如在新加坡的新建居住區中，由於建造了高層建築群，留下了更多地面空間，可以更好地建設城市綠化和人們休閒活動空間。

　　3．高層建築中的豎向交通一般由電梯來完成，這樣就會增加建築物的造價，從建築防火的角度看，高層築的防火要求要高於中低層建築，也會增加高層建築的工程造價和運行成本。

　　二、高層建築結構體系的特點

隨著層數和高度的增加，水平作用對高層建築結構安全的控製作用更加顯著，包括地震作用和風荷載。高層建築的承載能力、抗側剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其所採用的結構體系密切相關。不同的結構體系，適用於不同的層數、高度和功能。

　　1．框架結構體系。框架結構體系一般用於鋼結構和鋼筋混凝土結構中，由樑和柱通過節點構成承載結構，框架形成可靈活佈置的建築空間，具有較大的室內空間，使用較方便。由於框架樑柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建築高度受到限制；剪切型變形，即層間側移隨著層數的增加而減小；框架結構主要用於不考慮抗震設防、層數較少的高層建築中。在考慮抗震設防要求的建築中，應用不多；高度一般控制在70m以下。

　　2．剪力牆結構體系。利用建築物牆體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱為剪力牆結構體系。剪力牆結構體係於鋼筋混凝土結構中，由牆體承受全部水平作用和豎向荷載。

現澆鋼筋混凝土剪力牆結構的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力牆結構體系主要缺點：主要是剪力牆間距不能太大，平面佈置不靈活，不能滿足公共建築的使用要求。此外，結構自重往往也較大。

當剪力牆的高寬比較大時，是一個受彎為主的懸臂牆，側向變形是彎曲型，即層間側移隨著層數的增加而增大。剪力牆結構在住宅及旅館建築中得到廣泛應用。因此這種剪力牆結構適合於建造較高的高層建築。

根據施工方法的不同，可以分為：全部現澆的剪力牆；全部用預製牆板裝配而成的剪力牆；內牆現澆、外牆為預製裝配的剪力牆。

在承受水平力作用時，剪力牆相當於一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力牆的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建築剪力牆結構，以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲形，特點是結構層間位移隨樓層增高而增加。

　　3．框架—剪力牆結構（框架—筒體結構）體系。在框架結構中設置部分剪力牆，使框架和剪力牆兩者結合起來；取長補短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力牆結構體系。如果把剪力牆佈置成筒體，又可稱為框架—筒體結構體系。

框架—剪力牆（筒體）結構比框架結構的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結構構件（隔牆及外牆）的損壞，這樣無論在非地震區還是地震區，這種結構型式都可用來建造較高的高層建築，目前在我國得到廣泛的應用。

　　4．筒體結構。單個筒體可分為實腹筒、框筒和桁筒。平面剪力牆組成空間薄壁筒體，即為實腹筒；框架通過減小肢距，形成空間密柱框筒，即框筒；筒壁若用空間桁架組成，則形成桁筒。實際結構中除煙囪等構築物外不可能存在單筒結構，而常常以框架—筒體結構、筒中筒結構、多筒體結構和成束筒結構形式出現。

　　5．巨型結構。巨型結構一般由兩級結構組成。第一級結構超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型衍架桿件（超級衍架），以這巨型結構來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結構，只承受豎向荷載並將荷載所產生的內力傳遞到第一級結構上。常見的巨型結構有巨型框架結構和巨型桁架結構。

不同的結構體系所具有的強度和剛度是不一樣的，因而它們適合應用的高度也不同。一般說來，框架結構適用於高度低，層數少，設防烈度低的情況；框架—剪力牆結構和剪力牆結構可以滿足大多數建築物的高度要求；在層數很多或設防烈度要求很高時，可用筒體結構。

三、高層建築結構設計的基本要求

　　1．結構的規則性。

（1）不應採用嚴重不規則的結構體系。建築設計應符合抗震概念設計的要求，不應採用嚴重不規則的設計方案。高層建築不應採用嚴重不規則的結構體系，應符合下列要求：

1）應具有必要的承載能力、剛度和變形能力；

2）應避免因部分結構或構件的破壞而導致整個結構喪失承受重力荷載、風荷載和地震作用的能力；

3）對可能出現的薄弱部位，應採取有效措施予以加強。

（2）高層建築的結構體系尚宜符合下列要求：

1）結構的豎向和水平佈置宜具有合理的剛度和承載力分佈，避免因局部突變和扭轉效應而形成薄弱部位；

　　2）宜具有多道抗震防線。

　　2．規則結構的主要特徵。建築及其抗側力結構的平面佈置宜規則、對稱，並應具有良好的整體性；建築的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。

規則結構一般指：體型（平面和立面）規則，結構平面佈置均勻、對稱並具有較好的抗扭剛度；結構豎向佈置均勻，結構的剛度、承載力和質量分佈均勻，無突變。

　　3．規則平面佈置需滿足的要求。結構平面佈置必須考慮有利於抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻對稱，減少扭轉的影響。在地震作用下，建築平面要力求簡單規則，風力作用下則可適當放寬。抗震設防的高層建築，平面形狀宜簡單、對稱、規則，以減少震害。

在高層建築的一個獨立結構單元內，宜使結構平面形狀簡單、規則，剛度和承載力分佈均勻。不應採用嚴重不規則的平面佈置。

抗震設計的B級高度鋼筋混凝土高層建築、混合結構高層建築，其平面佈置應簡單、規則，減少偏心。

　　四、高層建築結構設計

在高層建築中，豎向荷載對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建築自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建築高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建築高度的兩次方成正比；另一方面，對一定高度建築來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。對一些較柔的高層建築，風荷載是結構設計的控制因素，隨著建築物高度的增高，風荷載的影響越來越大。高層建築中除了地震作用的水平力以外，主要的側向荷載是風荷載，在荷載組合時往往起控製作用。因此，高層建築在風荷載作用下的結構分析與設計引起了研究人員和工程師們的重視。

　　豎向荷載設計應減輕自重。高層建築減輕自重比多層建築更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。

地震效應與建築的重量成正比，減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建築重量大了，不僅作用於結構上的地震剪力大，還由於重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構件產生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。