... I

高层建筑... 1

    2003010148. 2

张谦谦  2002010368. 8

秦小坡  2003010095. 12

    2003010125. 16

方建才  2003010134. 20

宋欣怡  2003010175. 25

张东旭  2003010200. 34

    2003010656. 47

    2003010092. 51

    2003010101. 58

李肖肖  2003010094. 65

徐延昊  2003013269. 74

朱春雪  2003010183. 91

    2002010339. 97

刘文景  2002010434. 101

大跨空间结构... 107

    2003010205. 108

吴君睿  2002010398. 123

    2003010103. 127

    2003011980. 132

    2003010201. 140

吴志平  2003010130. 152

非荷载造成的破坏... 158

  ... 159

    2003010092. 160

张谦谦  2002010368. 161

吴君睿  2002010398. 162

    2003010125. 163

方建才  2003010134. 164

张东旭  2003010200. 165

    2003010201. 166

向文煜  2003010143. 167

    2003010101. 168

徐延昊  2003013269. 169

宋欣怡  2003010175. 170

   ... 171

徐延昊  2003013269. 172

    2003010201. 173

向文煜  2003010143. 174

宋欣怡  2003010175. 175

腐蚀和锈蚀... 176

张谦谦  2002010368. 177

吴君睿  2002010398. 178

    2003010125. 179

方建才  2003010134. 180

张东旭  2003010200. 181

    2003011980. 182

李肖肖  2003010094. 183

    2003010205. 184

    2003010201. 185

    2003010101. 186

碱骨料反应... 187

张谦谦  2002010368. 188

吴君睿  2002010398. 189

    2003010205. 190

向文煜  2003010143. 191

宋欣怡  2003010175. 192

   ... 193

    2003010125. 194

方建才  2003010134. 195

李肖肖  2003010094. 196

徐延昊  2003013269. 197

向文煜  2003010143. 198

其它非荷载因素... 199

李肖肖  2003010094. 200

 



 

 

 

 

高层建筑


    2003010148

 

1、 通过查找资料,举出3个以上因非荷载作用而导致结构破坏的工程实例

①冻融破坏:西藏查龙水电站泄洪建筑物混凝土冻融破坏:(1)溢洪道泄槽底板由于受到冻融及高速水流的冲刷,结构表面混凝土普遍存在剥蚀脱落,深度达815 cm,有钢筋与止水出露,结构的局部混凝土有渗水结冰现象;(2)泄洪放空洞底板、侧边墙有被冲刷、冻融剥蚀破坏现象,局部有钢筋出露,其中隧洞出口处泄槽左侧边墙冻融破坏严重。

另外,还有宝鸡峡灌区混凝土渠道某些渠道某些区段也发生严重冻融破坏;浙江省的富春江水电站,湖南省的桃江水库等,都发生过不同程度的冻融破坏。

②钢筋锈蚀及沉降破坏:某县级市一乡村修建小学教学楼和教师办公住宿综合楼,乡上个别领导自行决定由一农村工匠承揽该工程建设。工程无地质勘察报告,无设计图纸(抄袭其它学校的图纸),原材未经检验,施工无任何质量保证措施,无水无电,砼和砂浆全部人工拌和,钢筋砼大梁、柱子人工浇注振捣,密实度和强度无法得到保证。工程投入使用后,综合楼和教学由于多处大梁和墙面发生较严重的裂缝,致使学校被迫停课。经检查,该综合楼基础一半置于风化页岩上,一半置于回填土上(未按规定进行夯实),地基已发生严重不均匀沉降,导致墙体出现严重裂缝;教学楼大梁砼存在严重的空洞受力钢筋已严重锈蚀,两栋楼的砌体砂浆强度几乎为零(更有甚者个别地方砂浆中还夹着黄泥),楼梯横梁搁置长度仅50mm,梁下砌体已出现压碎现象。

其他破坏(劣质水泥混合海水):韩国三丰百货大楼倒塌。大楼早就有漏水和震动现象,事故发生的当天,楼板发生开裂和下沉现象,顶楼的裂痕数量急剧变大,随后楼顶开始垮塌,上面的空调设备掉在了超载的第五层的地板上。而起支撑作用的承重柱,由于为自动扶梯腾出空间早已变得不堪重负,此时也开始一个接一个倒了下去,致使整栋建筑有一大半几乎在瞬间就全部垮塌到了地下室。

 

2、 总结高层建筑结构的主要结构类型、受力特点及采用的新技术,并简述其发     展历史。

高层建筑结构的结构类型具有多样性,迄今为止主要有:框架、框架剪力墙、剪力墙、筒体、筒中筒、束筒、筒框(筒体稀柱框架结构的简称)带支撑或带刚臂(刚性加强层的简称)的筒框、巨形支撑等等。一幢高层建筑的主体结构可以由其中的某一个体系单独构成,也可以由其中的某二个甚至三个体系按不同比例组合而成。下面简单介绍一下其中主要结构类型:

a、                  框架结构:采用梁、柱组成的框架体系作为建筑竖向承重结构,并同时承受水平荷载时,称其为框架结构体系。框架解雇的优点是建筑平面布置灵活,可以做成较大的空间。框架结构的构件主要是梁和柱。通常梁柱断面尺寸不能太大,否则影响使用面积。因此框架结构的侧向刚度较小,水平位移大,这是它的主要缺点,也因此限制了框架结构的建造高度,一般不宜超过60。在抗震设防烈度较高的地区,高度更加受到限制。通过合理设计,框架结构本身的抗震性能较好,能承受较大变形。但是变形大了容易引起非结构构件,如填充墙、装修等出现裂缝及破坏,造成经济损失,威胁人身安全。如果在地震区建造较高的框架结构,必须选择既减轻重量,又能经受较大变形的隔墙材料和构造做法。

b、                  剪力墙结构:利用建筑物的墙体作为竖直承重和抵抗侧力的结构,就称为剪力墙结构。墙体同时也作为维护和房间分隔构件。剪力墙间距受到楼板构件跨度的限制,一般为38,因此适用于具有小房间的住宅、旅馆等建筑。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好、刚度大,在水平力作用下的侧向变形很小。剪力墙的抗震性能也较好,因此适用于建造高层建筑,1050层范围内都适用。剪力墙结构的局限性也是很明显的,主要是剪力墙间距太小,平面布置不灵活,不适应于建造公共建筑;结构自重较大。为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度,剪力墙的间距要尽可能做大些,如做成6左右。

c、                  框架剪力墙结构:框架结构侧向刚度差,抗水平荷载能力低,地震作用下变形大,但它具有平面灵活、有较大空间、立面处理易于变化等优点。而剪力墙结构则相反,抗侧力刚度、强度大,但限制了使用空间。把两者结合起来,在框架中设置一些剪力墙,就形成了框架—剪力墙结构。框架剪力墙结构是高层办公综合楼建筑中比较广泛应用的一种主体结构形式。它的平面灵活、适用性强;结构设计合理,将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作发挥作用。

d、                  框筒和筒中筒结构:当建筑超出4050层时,就需要采用抗侧力刚度更大的结构体系—框筒结构或筒中筒结构体系。单筒体结构,典型的如美国纽约世界贸易中心100层、410高,它的主体结构由钢结构的密柱(柱距1.45)、刚接梁构成沿建筑周边布置的大筒体来组成。楼面梁采用钢梁铰接支承于外框筒和中央部分的钢柱,此中央部分的钢柱只承受垂直荷载,布置在中央楼电梯间周边,楼电梯间隔墙均采用轻质填充墙。筒中筒结构,一般由外框筒和核心内筒组成,通过刚性楼盖共同抵抗侧力,构成抗侧力主体结构;其中核心内筒国外常用钢结构的支撑体系构成、内填填充墙,楼面梁多采用钢梁铰接支承于内外筒,楼盖常用压型钢板组成的钢砼组合楼板。以上这二种结构体系,在水平荷载作用下外筒的剪力滞后效应较大,结构的潜能(包括楼面梁、外框柱、内柱)和空间效应发挥较差,目前多已不用。

e、                  多筒结构:可分为两类,一类是将多个筒体合并在一起形成成束筒;另一类是在筒体之间用刚度很大的水平构件相互联系,成为巨型框架。束筒结构大大改善了单筒结构的剪力滞后效应,增强了结构的空间刚度。建筑上部随筒体尺寸予以切割变化,竖向结构始终连续,传力直接。它的缺点是未能充分发挥建筑需要的中央部分楼电梯间构成的内筒的结构抗侧作用,未能充分发挥面广量大的楼面梁的抗侧作用,柱距仍较小影响办公室视野,内部空间使用受到束筒的影响不够灵活。

 

框架柱作为主要竖向承重抗侧力构件,一般又以压应力为主,为利于控制和满足轴压比要求,利于提高建筑平面利用系数,改善建筑使用功能,通常其砼标号一般宜尽量高些,下部楼层可取C40~C50,上部楼层可取C30。框架梁有现浇楼盖协同一起工作,其砼标号可取C30。这时框架节点必须保证柱高标号砼的连续。框架结构的高宽比不宜过大,这主要是由于框架结构的剪切型变形特性所决定。一旦高宽比过大,框架边柱的轴向变形效应加大,波及框架弯矩分布二次调整,命名框架结构的刚度退化较大,整体结构的抗侧稳定将很难得到满足,结构选型不经济不合理。此时纯框架结构改为框架剪力墙结构或框架筒体结构为宜。

剪力墙结构竖向荷载通过楼板传递到墙,各片墙竖向荷载可按照它的受荷面积计算。竖向荷载除了在连梁内产生弯矩外,在墙肢内主要是产生轴向力。如果楼板中有大梁,传到墙上的集中荷载可按45°扩散角向下扩散到整个墙截面。

在框架剪力墙结构中,在下部楼层,剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力,上部楼层则相反,剪力墙位移越来越大,有外侧的趋势,而框架则有内收的趋势,框架拉剪力墙按剪切型曲线变形,框架除了负担外荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力,所以,上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力。

单筒体结构楼面梁采用钢梁铰接支承于外框筒和中央部分的钢柱,此中央部分的钢柱只承受垂直荷载。筒中筒结构,一般由外框筒和核心内筒组成,通过刚性楼盖共同抵抗侧力,构成抗侧力主体结构。

 

 

近年来,随着科技的发展,许多新技术已应用于高层建筑中,很大程度上节省了劳动力,获得了更好的使用价值。其中崭新的生物技术让人惊叹:

交通核:高层建筑的垂直交通系统包括:楼梯、电动扶梯、电梯、小升降机以及建筑中所有的竖向输送设施。这些设施通常被布置在核心位置。从结构上讲,高层建筑的电梯井的井壁通常采用剪力墙,尤其是在与混凝土框架结构联合作用的时候。电梯井通常被称作交通核。在生物气候型摩天楼中,交通核的位置至关重要。它不仅关系到室内空间的质量,还与场地的日照轨迹有关。通过对交通核的合理布置,可以创造一些生物气候缓冲空间,有效的缓解不良气候对建筑可能造成的影响并达到建筑整体节能的效果,它是进行生物气候摩天楼平面设计的关键考虑因素。交通核的位置一般有三种情况:中央核、双侧核、单侧核。其中中央核为内侧核,对建筑的结构有利。而双侧核单侧核为外侧核可直接接触室外环境,因此可以充当高层建筑的缓冲空间,作为室外环境到室内主要使用空间的过渡,缓解不良气候和地理环境对建筑产生的负面影响,从而减少建筑的运行能耗。相对于中央核而言,外侧核有许多好处,如果高层建筑的规模足够大而布置成双侧核则有更多的好处:两核可置于建筑受热较高的部位,对室内空间起热工缓冲的作用

中庭:对于生物气候型高层建筑而言,抵挡不良气候和地理环境对建筑的影响,中庭是另外一种有效的空间形式。建筑中的中庭可供人们进行社交、娱乐、休闲、购物等各种活动,同时又使室内空间具有室外感,迎合了人们热爱自然的天性。由于空间高度不同造成压力差,从而形成的中庭内气流运动,这种效应又叫做烟囱效应。当代的摩天楼正致力于开发健康的内部环境,鼓励更多地引入新鲜空气和促进房间中的空气交换。在生物气候型摩天楼中,尽管可以借助机械方法来达到通风的目的,但是采用自然通风更有吸引力。恰当的利用中庭的烟囱效应,可以有效地促进自然通风并达到节约建筑能耗的目的。

双层皮幕墙:幕墙可以最大限度地利用自然采光以降低人工照明能源,但大面积玻璃在提供良好照明的同时却又带来了采暖和制冷能耗高的隐患。从这个角度讲,建筑的自然采光和节能之间存在着矛盾。而双层皮幕墙系统恰好可以解决这一矛盾。双层皮幕墙的优点有很多,比如通过第二层可以有效地降低进入室内的噪音值。在冬天通过对双层皮之间空气的预热有效地降低建筑表皮的热损失。因为外的存在,降低了建筑内上的风压,因为使得高层建筑中部分自由开窗通风成为可能,从而大大降低高层建筑中机械通风所需的能耗。高层建筑的生物气候缓冲空间基于对当地气候以及高层建筑特殊的高空环境的考虑,在具备最基本的使用功能的同时,还对外界的不良气候和环境的影响有缓冲和削弱的作用,能够最大限度的降低对不可再生能源的依赖。这种设计思路和出发点对节约能源、创建一个可持续发展的未来必将具有深远的意义。

此外,一些施工方面的新技术在建造高层建筑是也起到了巨大的作用。如在陕西省建行两幢高层住宅内墙施工中采用粉刷石膏技术,缩短了工期,降低工程成本;在兰州信保大厦施工中,基坑处理中运用裂隙承压水地基处理技术,不仅解决了不透水地基的降水问题,而且施工成本低,操作简单,被甘肃省建筑设计院推广应用。其他如用“泵送防水抗渗及高砼施工技术” 、 “楼板底模竹胶合板施工技术” 、“外装修吊篮手架技术”大大提高了工效、降低了工程成本,主体采用“碗扣式脚手架技术” 保证了高层施工的安全等等。在深基坑支护技术、高强高性能混凝土技术、粗直径钢筋连接技术、新型模板应用技术、建筑节能和新型墙体应用技术、新型建筑防水和塑料管应用技术等方面取得了突破,既提高了施工中的科技含量、保证了工程质量,同时也取得了很好的经济效益。

 

 

人类自古不但有建造高层建筑的愿望,而且有建造高层建筑的实践。上古时期巴比伦城的巴贝尔塔和亚历山大港的灯塔、古罗马时期马城中的高层建筑、以及遍布我国各地的各种木塔、石塔、砖塔和铁塔等就是它们的代表。不过这些高层建筑大多不是出自于居住或商业交往的需要而建造,采用的建筑材料主要是砖块、石料或木材,而且缺乏现代化的垂直交通运输工具和防
火、防雷设备,因而使它的发展受到很大限制。

到了19世纪,随着工业的迅速发展和经济的繁荣,城市人口迅猛增加,城市用地日趋紧张,人类才有了建造高层建筑以满足居住以及商业交往的真正需要。科学技术的发展、钢铁和水泥的问世,电以及电梯的发明,为高层建筑的发展提供了有利的条件。因此,在19世纪中出现了以钢铁和混凝土为建筑材料,采用框架结构或剪力墙结构承重的近代高层建筑。
    美国是近代高层建筑的发源地。1883年在芝加哥建成10层的家庭保险公司大楼,是世界上第一幢按现代钢框架结构原理建造的高层建筑,开摩天大楼建造之先河,但外墙仍用砖墙自承重。 不久后在芝加哥又修建了层的第二雷特大楼,全部采用钢框架结构承重,被认为是世界上第一幢钢框架结构的高层建筑。进入20世纪之后,美国的经济中心逐渐从芝加哥转移到纽约,纽约的高层建筑也开始得到很大的发展。1931年建成102层的帝国大厦,以优雅而简洁的造型成为大都市象征的第一座办公大楼,执摩天大楼之牛耳达39年之久。随后被1970年建成的110层,高约411的双塔形世界贸易中心取代。纽约的曼哈顿岛上已是高楼林立,建筑密度和容积率之高是世界上其他城市难以比拟的。随后1974年在芝加哥建成的108层、高442的西尔斯大楼,及1998年完工的位于马来西亚首都吉隆坡的双子塔(88层、高452)均当过世界第一高楼,其中前者居其位达20余年之久。不过,如今的世界第一高楼当属台北101大楼,它位于中国台北,2004年建成,共101层,楼高509,到目前为止,是世界高楼之巅。

 

 

 

如今高层建筑正迅速的发展着,甚至有传言近千米的摩天大楼也在谋划之中,至于结果如何,将来会有什么发展,我将继续关心下去。


张谦谦  2002010368

总结高层建筑结构的主要的结构类型、受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史。

答:(1)高层建筑结构的发展历史:

人类自古不但有建造高层建筑的愿望,而且有建造高层建筑的实践。上古时期巴比伦城的巴贝尔塔(高约300英尺)和亚历山大港的灯塔(高约500英尺),古罗马时期罗马城中的高层建筑,以及遍及我国各地的各种木塔、石塔、砖塔和铁塔等就是它们的代表。不过这些高层建筑大多不是出自于居住和商业交往的需要而建造,采用的建筑材料主要是砖块、石料或木材,而且缺乏现代化的垂直运输工具和防火、防雷设备,因而使它的发展受到很大限制。到了19世纪,随着工业的迅速发展和经济的繁荣,城市人口迅猛增加,城市用地日趋紧张,人类才有了建造高层建筑以满足居住以及商业交往的真正需要。科学技术的发展、钢铁和水泥的问世,电以及电梯的发明,为高层建筑的发展提供了有利的条件。因此,在19世纪中出现了以钢铁和混凝土为建筑材料、采用框架结构或剪力墙结构城中的近代高层建筑。

美国是近代高层建筑的发源地,著名的高层建筑有:家庭保险公司大楼(Chicago)、帝国大厦(N.Y.C)、双塔形世界贸易中心(N.Y.C)、西尔斯大楼(Chicago)。20世纪50年代以后,轻质高强材料的应用,新的抗风抗震结构体系的发展,电子计算机的推广使用以及新的施工机械的涌现,使得高层建筑得到了大规模的迅速发展。

     1 帝国大厦                      2 世界贸易中心

我国由于经济和技术条件的限制,到20世纪70年代起高层建筑材开始发展,主要用于住宅、旅馆和办公楼等建筑,大多在20层左右。从80年代起,由于我国实习改革开放的政策,经济上得到大的发展,高层建筑才开始在全国国各地如雨后春笋般地出现,竣工面积迅速增加,建筑与结构形式不断变化,新兴建筑材料不断研制与使用。但是,全国高层建筑的发展并不平衡,主要集中在北京、广东、上海等发达省市。

 

2)主要的结构类型及其受力特点:

Ø         框架结构体系:

框架结构是由纵梁、横梁和柱组成的结构。目前,我国框架结构多采用钢筋混凝土建造。框架结构在水平力作用下的受力变形特点如图3所示。其侧移由2部分组成:第一部分侧移由柱和梁的弯曲变形产生,这部分侧移是主要的。第二部分侧移由柱的轴向变形产生,随着建筑高度加大,这部分变形比例逐渐加大,但合成之后框架仍然呈现剪切型变形特征。通过合理设计,钢筋混凝土框架可以获得良好的延性,即所谓“延性框架”设计。它具有      1 框架侧向变形

较好的抗震性能。在我国目前条件下,框架结构建造高度以15-20层为宜。

Ø        剪力墙结构体系:

剪力墙结构是由纵、横向的钢筋混凝土墙所组成的结构。这种墙体除抵抗水平荷载和竖向荷载作用外,还对房屋起围护和分割作用。竖向荷载由楼盖直接传到墙上,因此剪力墙的间距取决于楼板的跨度。一般情况下剪力墙间距为3-8米,适用于较小开间的建筑。当剪力墙的高宽比较大时,是一个受弯为主的悬臂墙,侧向变形是弯曲型,见图2

剪力墙结构体系目前有2种发展方向:一是底部大空间剪力墙结构(图3),即在剪力墙结构中,将底层或下部几层部分剪力墙取消,形成部分框支剪力墙以扩大使用空间。二是跳层剪力墙,剪力墙与柱隔层交替布置,可减小柱的整体变形。

                                            2 剪力墙结构变形

3 框支剪力墙

Ø        框架—剪力墙结构(框架—筒体结构和板柱—剪力墙结构)体系:

在框架结构中设置部分剪力墙,使框架和剪力墙两者结合起来,取长补短,共同抵抗水平荷载,就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体,又可称为框架—筒体结构体系。筒体的承载能力、侧向刚度和抗扭能力都较单片剪力墙大大提高。

框架—剪力墙(筒体)结构中,由于剪力墙刚度大,剪力墙将承担大部分水平力(有时可达80%-90%),是抗侧力的主体,整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承担竖向荷载,提供了较大的使用空间,同时也承担少部分水平力。

框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形,剪力墙则呈弯曲型变形。当两者不    4 框架—剪力墙协同工作

通过楼板协同工作,共同抵抗水平荷载时,变形必须协调,如图4所示,侧向变形将呈弯剪型。其上下各层层间变形趋于均匀,并减小了顶点侧移。同时,框架各层层剪力趋于均匀,各层梁柱截面尺寸和配筋也趋于均匀。

板柱—剪力墙结构也具有框架—剪力墙结构的特点,只是板柱的侧向刚度较小,剪力墙应能承担全部地震作用,板柱部分应能承担相应方向地震作用的20%

Ø        筒中筒结构:

筒中筒结构是筒体单元的组合。筒体在水平力的作用下,可看成固定于基础上的箱形悬臂构件,它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力,并具有很好的抗扭刚度。

框筒侧向变形以剪切为主,而核心筒通常则是以弯曲型变形为主。二者通过楼板联系,共同抵抗水平力,他们协同工作的原理与框架—剪力墙结构类似。在下部,核心筒承担大部分水平剪力,在上部,水平剪力逐步转移到外框筒上。同理,协同工作后,可以取得加大结构刚度,减小层间变形等优点。

Ø        多筒体系——成束筒及巨型框架结构:

当采用多个筒体共同抵抗侧向力时,称为多筒结构。多筒结构可以有两种方式。一是成束筒:两个以上框筒(或其他筒体)排列在一起成束状,如西尔斯大楼。二是巨型框架:利用筒体作为柱子,在各筒体逐渐每个数层用巨型梁相连,其抗弯刚度和承载能力很大,如图5所示。

 

                                                           5 巨型框架

                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 


秦小坡  2003010095

非荷载作用结构破坏实例:

1、瑞翔新苑建有8 座住宅楼, 均为钢筋砼框架结构, 高强预应力砼管桩基础, 楼板砼标号为C20, 设计板厚分别为90100170mm , 全部使用预拌砼(泵送)。工程于2001 年上半年竣工。工程竣工半年后, 在部分单元板厚为90100mm 板单元内发现楼板裂缝, 缝宽约0101mm , 裂缝主要位于楼房的四个大角(45度斜裂) 和近于跨中, 与纵轴基本平行, 且上下贯通, 有渗水现象

2、漯河-淮阳高压输电线路混凝土塔基在正常运行13年后发生大面积开裂.针对这一混凝土工程耐久性破坏实例,进行了现场检测和XRD、电子探针、原子吸收光谱等实验分析.结果表明:混凝土塔基破坏在表面以局部网络状裂纹和纵向裂缝为特征,混凝土内部沿骨料周边清晰发现白色反应环;混凝土高含量碱与裂纹矿物发生碱集料反应,从而导致混凝土初始微裂纹的出现和裂纹进一步扩展,是此混凝土塔基破坏的主要原因之一

3、八一水库是中型水库,由于新建泄洪涵洞与原土坝之间新填土体坝顶裂缝渗透破坏,于20041月溃决。破坏原因是新建泄洪涵洞处原土坝开挖断面狭窄,左侧边坡偏陡,涵洞外壁截渗环过密,环径大,新填坝体填筑速度快,上部质量低,完工后立即蓄水,新填土坝左侧不均匀沉降过大,坝顶出现横向裂缝,当库水位接近正常蓄水位时,渗流从下游坝坡较高处逸出,出口无反滤保护,坝顶裂缝渗流冲刷,导致溃坝。

 

高层建筑主要的结构类型:

框架结构体系,剪力墙结构体系,框架剪力墙,框架—简体结构体系,筒中筒结构体系,多筒结构。

 

高层建筑结构受力特点

对于低层建筑结构, 通常以重力为代表的竖向荷载控制结构设计, 但随着建筑物高度的增加, 高宽比的加大, 尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响, 但水平荷载(风荷载及地震作用) 对结构产生的影响愈来愈大, 将成为结构设计时的主要控制因素,起着决定性的作用。建筑物自重和楼屋面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩数值, 仅与楼房高度一次方成正比, 对某一定的高度的楼房, 竖向荷载大体上是定值, 而水平荷载的数值是随着结构的动力特性不同而有较大幅度的变化, 并且它对结构产生的倾覆力矩以及在竖向构件中所引起的轴力是与建筑物高度的二次方成比例, 结构内力明显加大,结构侧向位移增加更快, 1 是结构内力(N M )、位移($) 与建筑物高度(H ) 的关系。弯矩和位移都成指数曲线上升。

1 结构内力、位移与高度的关系

 

所以对于高层建筑, 结构除了承受重力荷载外,还要负担较大的水平荷载, 而且随着建筑物高度的增加, 水平作用愈益成为结构设计中的控制因素, 并将成为确定结构体系的关键性因素。在水平作用中,地震作用是动力作用, 而风力作用则包含静力作用(风压) 和动力作用(风振)。高层建筑对风的动力作用比较敏感, 风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区, 高层建筑结构往往受地震作用控制, 所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑结构分析的重要内容。总之, 对于高层建筑结构, 作用的动力效应显著。另外, 对于超高层建筑, 温度内力和温度位移以及建筑物的整体稳定, 抗倾覆能力等问题, 也将变得突出, 在结构设计时, 必须予以重视。

高层建筑结构采用的新技术:

土钉墙支护技术应用于基坑边坡支护,混凝土外加剂应用于主体结构工程,冷轧带肋钢筋应用于结构顶板,竖向钢筋电渣压力焊接技术应用于框架柱竖向钢筋,整体爬升脚手架应用于主体外墙抹灰、涂料施工,泰柏板轻质墙体应用于厨房、卫生间, EP2C防水卷材应用于地下室外墙、屋面、厨房、卫生间地面,轻型钢网架应用于屋顶装饰构件,计算机应用于CAD 制图、工程预算及资料整理等。建筑物抗震减震装置、建筑物消震装置、高层建筑隔震消能装置

高层建筑发展概况

文本框: 广州白云宾馆文本框: 广州中天广场文本框: 上海金茂大厦解放前,在上海、广州、天津等城市,由国外设计建造了少量高层建筑。新中国成立后,五十年代我国开始自行设计建造高层建筑,如北京的民族饭店(14 层)、民航大楼(16层)等。六十年代建成的广州宾馆(27层),其高度与解放前最高的上海国际饭店相同。七十年代北京、上海、广州等地建成了一批剪力墙结构住宅和旅馆。1975年广州白云宾馆(剪力墙结构33层、112)的建成,标志着我国自行设计建

北京民族饭店

 
造的高层建筑高度开始突破100。八十年代我国高层建筑湾)建成10层以上的高层建筑面积约4000万平方米,高度100以上的共有12幢。 1985年建成的深圳国际贸易中心(筒中筒结构、50层、160)是八十年代最高的建筑。九十年代我国高层建筑进入飞跃发展的阶段。截至1998年末,全国(不包括香港、澳门、台湾)建成的10层以上高层建筑面积约2亿5千万平方米,高度100以上的高层建筑达200幢,其中150以上的100幢, 200以上的20幢,300以上的3幢,最高的上海金茂大厦88层、365、塔尖高度4201995年发布的世界最高的100栋建筑中上海金茂大厦、深圳地王大厦(81层、325)和广州中天广场(80层、322)分别列为第41314名。另有460高的上海环球金融中心正在建造中。特别值得提及的是,我国的超高层建筑绝大多数建于地震区。

七十年代以前,我国的高层建筑多采用钢筋混凝土框架结构、框架—剪力墙结构和剪力墙结构。

  进入八十年代,由于建筑功能以及高度和层数等要求,筒中筒结构、筒体结构、底部大空间的框支剪力墙结构以及大底盘多塔楼结构在工程中逐渐采用。

文本框: 深圳国际贸易中心  九十年代以来,除上述结构体系得到广泛应用外,多筒体结构、带加强层的框架—筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等也逐渐在工程中采用。

文本框: 深圳帝王大厦为适应结构体系的多样化,结构材料向多样性发展,八十年代以前高层建筑主要为钢筋混凝土结构。进入九十年代后,由于我国钢材产量的增加,钢结构、钢—混凝土混合结构逐渐采用。如金茂大厦、地王大厦都是钢—混凝土混合结构。此外,型钢混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建筑中也正在得到广泛应用。高层建筑结构采用的混凝土强度等级不断提高,从C30逐步向C60及更高的等级发展。预应力混凝土结构在高层建筑的梁、板结构中广泛应用。钢材的强度等级也不断提高。

 

 

 


    2003010125

高层结构主要应用于居民住宅、商场、办公楼、旅馆等建筑。近年来,国家为提高居民的人均居住面积,解决居民的居住困难问题,大力推动我国的住宅建设。同时,随着经济的发展和房地产业的兴起,大量的高层建筑在中国大地涌现。

在我国,8层及8层以上者称为高层建筑。

高层结构在我国改革开放后,发展迅猛,特别是进入20世纪90年代后,发展尤其迅猛,高层和超高层建筑如雨后春笋般在各大城市涌现。目前国内最高的建筑是上海的金茂大厦,高420.5,共88层,1999年建成,其高度世界排名第三。目前世界上最高的建筑为马来西亚石油大厦,高452。由两座相似的塔楼组成,建成于1998年。高度排名第二的为美国芝加哥的西尔斯塔楼,高443,共110层,建成于1974年。

结构类型

高层结构的主要结构形式有:框架结构,框架—剪力墙结构,剪力墙结构,框支剪力墙结构,筒体结构等。

一、框架结构

框架结构因其受力体系由梁和柱组成,用以承受竖向荷载是合理的,在承受水平荷载方面能力很差。因此仅适用于房屋高度不大、层数不多时采用。因当房屋层数不多时,风荷载的影响很小,竖向荷载对结构的设计起控制作用,但层数较多时,水平荷载将起很大的影响,会造成梁、柱的截面尺寸很大,在技术经济上不如其他结构体系合理。

采用框架结构的建筑如北京的长富宫饭店,地下2层,地上26层,地面上总高度为90.85,还有长城饭店主楼,地下2层,地上22层,地上总高度82.85

二、框架—剪力墙结构

剪力墙即为一段钢筋混凝土墙体,因其抗剪能力很强,故称剪力墙。在框架—剪力墙的结构中,框架与剪力墙协同受力,剪力墙承担绝大部分水平荷载,框架则以承担竖向荷载为主,这样,可以大大减小柱子的截面。

剪力墙在一定程度上限制了建筑平面布置得灵活性。这种体系一般用于办公楼、旅馆、住宅以及某些工艺用房。

广州中天广场大厦为80层的框架—剪力墙结构。

三、剪力墙结构

当房屋的层数更高时,横向水平荷载已对结构设计起控制作用,如仍采用框架—剪力墙结构,剪力墙将需布置得非常密集,这时,宜采用剪力墙结构,即全部采用纵横布置的剪力墙组成,剪力墙不仅承受水平荷载,亦用来承受竖向荷载。

剪力墙结构因剪力墙的存在,其空间分隔固定,建筑布置极不灵活,所以一般用于住宅、旅馆等建筑。

广州的白云宾馆,地上33层,地下一层,高112.45,采用钢筋混凝土剪力墙结构,是我国第一座超过100的高层建筑。

四、框支剪力墙结构

现代城市的土地日趋紧张,为合理利用基地,建筑商常常采用上部为住宅楼或办公楼,而下部开设商店。这两种建筑的功能完全不同,上部住宅楼和办公楼需要小开间,比较适合采用剪力墙结构,而下部的商店则需要大空间,适合采用框架结构。为满足这种建筑功能的要求,必需将这两种结构结合在一起。为完成这两种体系的转换,需在其交界位置设置巨型的转换大梁,将上部剪力墙的荷载传到下部柱子上。这种结构体系称为框支剪力墙体系。

框支剪力墙结构中的转换大梁一般高度较大,常接近于一个层高。因此,该层常常用作设备层。上部的剪力墙刚度较大,而下部的框架结构刚度较小,其差别一般较大,这对整体建筑的抗震是非常不利的,同时,转换梁作为连接节点,受力亦非常复杂,在抗震设防要求高的地区应慎用。

五、筒体结构

筒体结构是由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系,适用于层数较多的高层建筑

筒体在侧向风荷载的作用下,其受力类似于刚性的箱型截面的悬臂梁,迎风面将受拉,而被风面受压。

筒体结构可分为框筒体系、筒中筒体系、绗架筒体系、成束筒体系等。

发展简史

高层建筑是社会经济和科学技术发展的产物。高层建筑的发展与城市民用建筑的发展密切相关。城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化,促进了人们对高层建筑的需求。但最初由于受到垂直运输工具的限制,房屋还不能建得很高,直到1857年第一部载人电梯制造成功,才使得多层建筑向高层发展成为可能。世界上第一幢近代高层建筑是美国芝加哥家庭保险公司大楼,建于1884~1886年。随着近代经济和科学技术的不断进步,世界上最高的高层建筑高度已达450,它是位于马来西亚吉隆坡的石油大厦,由美国著名建筑师Cesar Pelli和著名结构工程师Tbomton Tomasetti90年代初设计的,这个高度很快又会被突破,一些国家正在兴建或酝酿着更高的建筑,如美国芝加哥已开始兴建Miglin-Beilter塔楼。日本大林组建筑公司正在对空中城市大厦-1000的设计方案进行可行性研究。

采用的新技术

原来从高层钢结构起步的美国和日本,钢筋混凝土高层建筑也迅速发展起来。尤其是日本,以前基本上采用钢结构,现在正大力发展钢筋混凝土结构,主要用于20~30层的高层建筑。其主要原因是“钢筋混凝土结构整体性好,刚度大,变形小,阻尼比高,舒适性佳,且钢筋混凝土结构耐腐蚀、耐火、维护方便、造价低。

对于新一代超高层建筑,当今世界各国都已趋向采用钢-钢筋混凝土组合结构。特别是超过200的高层建筑中,采用钢-钢筋混凝土组合结构的可能性将会增加。

受力特点

高层建筑结构的受力特点与简单的竖向悬臂构件的受力特点是相似的。在竖向荷载作用下,构件主要产生轴向压力,压力的大小与高度成正比。在水平荷载作用下,构件主要产生弯矩、剪力及侧移,弯矩的大小与高度是平方关系,而侧移于高度的四次方成正比。

由此可见,随着高度增加,提高房屋的刚度,防止高层房屋的侧移过大,将成为决定高层建筑结构体系应考虑的主要因素。

 

校核:张东旭

 


方建才  2003010134

审核:吴志平          学号:2003010130

 

2、总结高层建筑结构的主要结构类型、受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史。

答:主要结构类型:

1、框架结构。

2、剪力墙结构。

3、框架-剪力墙结构。

4、框架-筒体结构。

5、筒中筒结构。

6、多筒体系——成束筒及巨型框架结构。

 

 

受力特点

1、框架结构:直接承重,也抵抗来自任何方向的水平力,水平刚度小。框架是由梁,柱构件通过节点连接形成的骨架结构,由梁、柱承受竖向和水平荷载,墙仅起维护作用。框架结构类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力。在水平力作用下,其侧移由两部分组成:第一部分侧移由剪力引起的柱和梁的弯曲产生。柱和梁上有反弯点,使整个结构呈现剪切型变形。框架下部各层承受的剪力大,层间位移亦大,上部各层剪力较小,层间位移也较小。第二部分侧移由整个框架的悬臂作用在柱中产生轴向变形引起。第一部分侧移是主要的,因而框架结构以剪切型变形为主。

 

2、剪力墙结构:直接承重,除楼板传来的竖向荷载外,还承受水平作用的地震荷载或风荷载。剪力墙结构水平刚度大,可承担各类荷载引起的内力和抵抗来自面内方向的水平力。

 

3框架-剪力墙结构由框架和剪力墙这两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式。剪力墙侧向刚度比框架的侧向刚度大得多,在下部楼层,剪力墙的位移较小,它拉着框架按弯曲型曲线变形,剪力墙承受大部分水平力(约80%以上)。上部楼层则相反,剪力墙位移越来越大,有外侧的趋势,而框架则有内收的趋势,框架拉剪力墙按剪切型曲线变形,框架除了负担外荷载产生的水平力外,还额外负担了把剪力拉回来的附加水平力,剪力墙不但不承受荷载产生的水平力,还因为给框架一个附加水平力而承受负剪力。所以,上部楼层即使外荷载产生的楼层剪力很小,框架中也出现相当大的剪力。框架结构在水平荷载作用下所分配的楼层剪力,沿高度分布比样均匀,各层梁柱的弯矩比较接近。

 

4、框架-筒体结构:墙体上开洞形成框筒以后,由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象,使柱中正应力分布呈抛物线状,造成剪力滞后现象。剪力滞后现象使框筒结构的角柱应力集中。翼缘框架(与水平力方向垂直的框架)承受拉压轴力可以抵抗相当大的倾覆力矩,腹板框架(与水平力平行方向的框架)则主要通过梁柱弯曲抵抗水平剪力。框架的空间作用依靠两类框架相交处的角柱,并通过横梁传递剪力。在腹板框架中,仍然以梁柱的弯曲变形为主,使整个结构产生剪切型变形(约占变形的70%);翼缘框架柱主要产生轴向变形,使整个结构产生弯曲型变形(约占变形的30%)

 

5、筒中筒结构:筒体在侧向风荷载的作用下,类似于一个固定在基础上的筒形的悬臂构件,迎风面将受拉,而背风面将受压。

 

 

新技术的发展

1、十字扁梁板体系:把楼板划分为井字楼盖,如8×12m8×8m8×10m等方格板用四格或六格划分,梁高均不超过500mm,还使用了大量梁高h=500mm的扁梁。

 

2、平面变异的剪力墙筒体:裙楼采用四个柱式筒体代替单一的结构电梯核心筒,在转换层改为普通住宅核心剪力墙。

 

3、钢环梁:钢管混凝土柱的节点采用钢环梁代替钢筋混凝土节点环梁,环梁宽度b=200~300mm,钢梁与节点区混凝土的组合,组成了劲性结构,大大增加了节点的刚度。

 

4、带约束拉杆异形钢管混凝土柱:用高强混凝土填入异形薄壁钢管内,并在钢管各边按一定间距设置约束拉杆组成的组合结构材料。借助内填混凝土使钢管的局部屈曲模式发生变化以及约束拉杆的拉结作用使钢管壁的变形减小,以增强钢管壁的稳定性和延性;同时借助钢管和约束拉杆对核心混凝土的约束作用,使混凝土处于三向受压状态,从而具有更高的抗压强度和变形能力。

 

5、空腹钢箱形劲性混凝土梁:其整体抗弯能力良好,由于为空腹,为增强其平面外的刚度,设计时在钢梁适当位置加上纵横向肋板,以提高其刚度,肋板可兼作与外包混凝土结合的连接构件,以达到共同工作的良好性能。

 

6、钢管混凝土伞形柱:某些工程住宅塔楼的柱,不少与裙楼的柱不在同一竖直面上,故采用伞形柱结构,可解决转换问题。

 

7、井字梁体系转换层:综合了厚板转换和梁式转换两者的优点,主框架梁为空腹钢箱劲性梁,其梁高h=1500mm,以扁梁为主,最大宽度b=1000mm,次梁采用井字布置。减轻结构自重,又满足了建筑功能的需要。

 

8、底板温度配筋技术:在地下室设计中,对底板进行抗裂计算后,采取周边保温施工技术措施,取消了中间排温度应力钢筋,仅配置上下二排受力钢筋,这既节省了工程造价,又满足了地下室底板抗渗、抗裂的要求。

 

 

高层建筑发展历史

高层建筑即“摩天大楼”,是20世纪的里程碑,是打破传统高度界限实现人类通天宏愿的奇迹。其发展过程大致可分为四个时期:

 

第一次高层建筑时期(18901900年)

一、工业革命后建筑技术成就

18世纪末至19世纪末,欧洲和美国的工业革命带来了生产力的发展与经济的繁荣。这时期,城市化发展迅速,城市人口高速增长。为了在较小的土地范围内建造更多的使用面积。建筑物不得不向高空发展。另一方面,钢结构的发展和电梯的出现则促成了多层建筑的大量建造。1840年之后的美国,锻铁梁开始代替脆弱的铸铁梁。熟铁架、铸铁柱和砖石承重墙组成笼子结构,是迈高层建筑结构的第一步。

二、高层建筑发源地--芝加哥

187110月,芝加哥发生大火。城市重建创造了难得的发展机遇。大规模的重建有利于合理规划,有利于发展新的建筑技术和材料,也有利于电梯的发明与改良。由于城市土地昂贵,建筑向高空发展比购买更多的土地更为经济。在建筑技术上,由于采用钢框架结构,结构自重减轻,稳定性提高在筑可以建得更高。电梯广泛使用,使5层以上的建筑成为实用。以上各种因素结合起来,促成了高层建筑的诞生和发展。1880年后的十余年间,芝加哥取得高层建筑发展史上的辉煌成就。

三、第一栋高层建筑

1885年建成10层高的家庭生命保险大厦(詹尼设计, 1931年被拆除),通常被认为是世界第一栋高层建筑。结构上没有承重墙,整个建筑的重量由金属框架支撑,圆形铸铁柱子内填水泥灰,16层为鍛铁工字梁,其余楼层用钢梁。标准的梁距5英尺,支撑砖拱楼板。砖石外立面,窗间墙和窗下墙为砖石构造,象幕墙一样挂在框架之上。建筑史称它为"钢铁结构进化中决定性的一步"

四、高层建筑形式的探索

   尽管当时的建筑技术(结构、设备等)已取得很大进步,但建筑师们仍在为寻找恰当的高层建筑形式而奋斗。芝加哥高层建筑风格的经过三次演变:

1.原始高层建筑风格,强调水平部分,顶部为府邸式。

2.扩展府邸式风格或三段式构图,运用柱式隐喻(如基座、往身、柱头),伸长中间部分。

3.商业风格("芝加哥框架"),不强调立面构图,而是明确地表现支撑结构和自然的表面。

 

第二次高层建筑时期(19001950年)

一、社会背景与建筑高度竞争

    一战结束到1929年经济崩溃是美国建筑投资的繁荣时期。直接反映在大城市的轮廓、高层建筑的爆发、高速公路增长、郊区的蔓延等。

    189521层的纽约美国担保大厦,也被认为是第一栋独立塔楼建筑超过20层的新哥特式的卡匹托大厦时,高度的竞赛从芝加哥转移到了纽约。47层的歌手大厦,达到 614英尺的高度。一年后,50层的大都会人寿保险大厦,以 675英尺领先。1913 57 层的伍尔沃思大厦,高度达792英尺,保持世界最高纪录达17 年,直到77 层的克莱斯勒大厦建成。仅一年后,1931年,102层的帝国大厦建成,标志美国摩天楼的黄金时代达到顶点,建筑高度为1250英尺。

这一时期美国的高层建筑经过两个发展阶段:119001920年,折中主义阶段; 2. 19201940年,艺术装饰时期。

二、折中主义高层建筑风格

1893年哥伦比亚世界展览会上,建筑师们大力宣传欧洲古典建筑风格,美国人被感动,他们向往希腊的神庙、罗马的银行、文艺复兴和哥特式高层建筑。

纽约学派设计者们通过学院派的技巧直接从折衷形式的构图装饰中,演化出建筑的整体形象。高塔楼代替了芝加哥时期的较低的板块楼,建筑冲向云霄,成为天际线和美国城市轮廓的重要符号。真正的摩天楼诞生了,连接天空和大地。然而,摩天楼的象征意义更大--它被想象为是一个美丽的、有力的美国公司形象。

(一)密斯与理性主义高层建筑

密斯是现代主义高层建筑的奠基人。早在1921年,在一个高层建筑设计竞赛方案中,密斯向人们首次展示了全新的高层建筑构想:将高层建筑的一切装裱全部剥去,只留下最基本的结构框架,外面覆盖纯净透明的玻璃幕墙。这是典型的理性主义观点,用最小化、最纯化来处理建筑元素。当时这种激进的主张自然不能被业主接受,直到对年后SOM设计的利华大厦建成,密斯的理想才成为现实。密斯强调建筑要忠实于现代结构和材料,表现钢和玻璃的纯净、透明与施的精确。在 外形上他强调净化建筑形式,使之成为不附加任何多余东西的、只有直线、直角组成的规整 和纯净的钢和玻璃方金子;在建筑内部地主张以不变应万变,即先造出实用和经济的空间, 而后配置使用功能。他设计的芝加哥湖滨公寓双塔、西格拉姆大夏等高层建筑对当代高层建筑发展影响巨大,在世界的任何城市都能看到密斯式的方形玻璃办公大楼。

(二)勒·柯布西埃和高层建筑

柯布西埃认为摩天楼是"人口集中、避免用地日益紧张、提高城市内部效率的一种极好手段"。他觉得摩天楼朝气蓬勃、坚固、雄伟和反应时代精神。就象过去高耸的大教堂是形象地宣布对上帝和教会权力的信仰一样,柯布西埃认为由钢、混凝土和玻璃组成的五光十色的摩天楼是宣告对大规模的工业社会的信仰。摩天楼首次出现在1920年他的"塔楼城市"方案和1922年的共有300万居民的"现代城市"的住宅区里。

 

第三次高层建筑时期(1950-1980年)

一、国际式高层建筑(19501980年)

二战后,现代主义运动取得了全面胜利。现代主义的高层建筑在某些方面是芝加哥学派的延续。它反对外部包装、建筑含义和历史风格,强调形式追随功能和技术,技术上升到艺术层次。平顶的高层建筑被建在世界各地,没有明显的差别,所以称为"国际式风格" 1950年建成的纽约联合国秘书处大厦可算是最早的国际式高层办公建筑。

1952年,密斯设计湖滨公寓,立面完全暴露钢结构框架,建筑在经济上非常成功,对后来的高层建筑产生很大影响力。同年SOM建筑事物所设计的纽约利华大厦建成,开创全玻璃幕墙的高层建筑先例,首次实现了密斯20年代提出的玻璃摩天楼的梦想。

1958年密斯·凡·德·罗设计的纽约西格拉姆大厦建成,再次证明钢铁玻璃摩天楼在艺术上的完美性。为减少高层风力的影响,出现圆塔形建筑。最早的圆形塔楼是 1965年建成的芝加哥玛利那城大厦大厦高60层,177m,是两座多瓣形平面的公寓。1976年建造的亚特兰大桃树中心广场旅馆,柳层,是圆形玻璃幕墙高层建筑。

二.超高层建筑(1965l975年)

60年代后期到70 年代中期,是美国高层建筑最辉煌的时期。1968年芝加哥建成100层的约翰·汉考克大厦,高344m1971年在匹茨堡建成64层的美国内陆钢铁公司大厦。

1973年在纽约建成世界贸易中心大厦设计人(Minoru Yamasaky),两座并立的110层塔式办公综合体,高417m,当时是世界最高建筑。1973年建成芝加哥艾莫科大厦,80336m,是芝加哥第二高楼。 l974 年在芝加哥建成的西尔斯 110层,高 443m,在1966年马来西亚石油大厦(高45om)建成前的22年中,它一直是世界最高建筑。这个时期高层建筑技术的进步很大,高效率的高层建筑结构已经成熟,特别是钢筋混凝土结构技术取得很大发展。如 1971年建成的休斯敦市贝壳广场大50层,钢筋混凝土套筒式结构,高218m

1976年在芝加哥建成的水塔广场大厦共74层,2层地下室,高度262m,是世界最高钢筋混凝土建筑。1976年建成的波士顿汉考克大厦,60层,建筑体形为简洁的长方体,外墙采用当时最先进的全隐框反射玻璃幕墙。在建筑的周围有古典教堂、图书馆等重要建筑,镜面玻璃使建筑体量减小,并反射了周围景色.开创现代建筑新的亲现手法。从此以后.高层建筑设计思潮开始转变,也有人把它称为最后一栋现代主义高层建筑。

 

第四次高层建筑时期(1980年~现在)

现代主义高层建筑的反思

世界各地大同小异的玻璃盒子式高层建筑使城市失去特色,使市民感到厌烦。为了使这种单调冷漠的六面体变得丰富多彩,建筑师们开始进行新的设计探索。

70年代,一些建筑师在发掘新技术、新材料的表现力,也有的在探索几何形态的无穷潜力,更多的建筑师开始注意建筑的环境质量、宜人的尺度。

80年代,后现代主义企图完全否定现代主义,他们从历史的式样中找灵感,设计了新哥特式、新Are Deco等带有传统意味的高层建筑。代表人物如建筑师菲利普· 约翰逊等。

90年代以后,东南亚国家经济起飞,高层建筑迅速发展,成为新的高层建筑热点;在高层建筑内容、风格等方面具有明显的地方特色,成为一种新的景观。目前这种探索和争论仍在进行之中,高层建筑正处在新古典、新技派、生态观、解构主义等多元并存的发展时期。

 

 

 

 

 

 

 


宋欣怡  2003010175

总结高层建筑结构的主要的结构类型、受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史。

1、受力特点

    多层与高层房屋有许多优点,如占地面积小、节约用地、城市建筑密度相对提高。但是,房屋层数增多以后,整个建筑物受水平风力和地震力影响很大,引致附属设备增加、施工技术要求高、房屋的造价增高等,这又是其不足之处。

高层建筑的受力特点是承受直荷载和水平荷载的作用。在低层结构中,水平荷载产生的内力很少,结构以抵抗垂直荷载产生的轴力为主;弯矩和剪力的影响较小、侧向位移很小,通常可以忽略。随着建筑高度的增加,水平荷载(风或地震力)产生的内力和位移迅速增加。

 

2、 结构类型:

1) 框架结构    

框架是由横梁和柱通过结点而组成。框架的横梁或柱,既承受垂直荷载、也承受水平荷载。在多层和高层房屋中,根据房屋的平面布置及垂直高度空间的要求,有的是单跨多层框架,而更多的是多层多跨框架;框架可以是等跨的或不等跨的。层高可以是相同的,也可以是不相同的;个别还有错层的。

框架横梁的内力,主要是剪力和弯矩,轴力较小可以忽略不计,柱的内力,主要是轴力和弯矩,而剪力较少可以忽略不计

框架结构的主要优点是:建筑平面布置灵活、可形成较大的空间、且在立面处理上,也易于表现建筑艺术的要求

 

2) 剪力墙结构

剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力。因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其身平面内有很大的侧向刚度,属于刚性结构,能承受较大的水平荷载(剪力)、“剪力墙”即由此而得名。实际上,在水平荷载作用下,剪力墙是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁,主要是因墙肢的拉、压而产生“弯曲型”变形。

剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间,建筑布置和使用都受到一定的限制,故多用于仅需小开间的住宅、公寓、旅馆等居住性建筑,在工业建筑中很少采用。                  

剪力墙结构的侧向刚度大,在水平荷载作用下的侧移量少,故能适用于较高(1535层)的高层房屋。

剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的,主要是剪力墙间距不能太大、平面布置不灵活、不能满足公共建筑的使用要求、结构自重较大。此外,由于剪力墙结构刚度大、吸引的地震力也大。若在配筋和构造上处理不当,在强烈地震下,可能出现整体倾复或在受力大的部位产生严重破坏。

 

3) 框架――剪力墙结构(简称框――剪结构)

所谓框架-剪力墙体系,是指由框架和剪力墙共同承受竖向荷载的高层建筑结构承重体系。在高层建筑中,若由框架来承受水平力,显然不够经济合理,而采用剪力墙体系又难以满足使用上大开间的要求,采用框架-剪力墙体系,则二者可兼顾。它可以使建筑平面布置比较灵活,也可以满足结构在强度上和抗侧移刚度方面的要求,所以,框架-剪力墙体系在高层建筑中广为应用。

在框架-剪力墙体系中,竖向荷载主要由框架承受,而风荷载等水平荷载则主要由剪力墙承受,在一般情况下,剪力墙要承受70~90%的水平荷载。

剪力墙的布置应满足使用上的要求,尽量与隔墙位置相吻合。除此之外,剪力墙宜放在恒载较大处,并宜尽量均匀对称,否则,在风荷载作用下,房屋将会发生扭转。为墙强房屋的抗扭能力,剪力墙宜布置在房屋各区段的两端、在平面形状或刚度有变化处,以加强该薄弱环节。

 

4) 筒体结构

所谓筒体结构,是指由一个或几个筒体作竖向承重结构的高层屋结构体系。筒体体系适用于层数较多的高层建筑。采用这种体系的建筑,其平面最好是正方形或者接近正方形。

筒体体系的建筑,按筒体的形式、布置和数目上的不同,通常分下面的几种:

1) 如果利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载,利用建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载,或利用建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构,均称为"单筒体结构"

2) 如果外筒体和内核心筒体同时存在并共同抵抗水平荷载的结构称为"筒中筒结构"(包括双筒体、三重筒体等)。                                                                                                    

3) 整个建筑物的外墙由刚度很大的窗裙深梁和间距很近的密排柱形成空间网络所组成的直立多孔筒体,称为"框筒结构"                                                     图四  筒体结构

综上所述,目前设计中究竟采用哪种结构体系,要经过方案比较确定,这主要要看拟建建筑物的高度、使用要求、施工条件和经济比较而定。

框架结构――如果拟建建筑物为宿舍,高度又比较高,就选择剪力墙结构,因为居住建筑要有足够的隔墙。

框-剪结构――当建筑物的底部需要设商店和大开间的门厅、餐厅时,则采用框支剪力墙结构;再如建建筑为高层办公楼或公寓,当高度不太高时,宜采用框-剪结构。

简体结构――当高度较高时,宜采用外框架、内核芯筒结构;再高时,则最好采用筒中筒结构,即采用外框架筒和内核芯筒结构。这类结构外框架筒可以开窗,以满足采光要求,在内筒中布置电梯井、管道竖并及生活间等。

 

2、新技术

目前高层建筑结构中新技术的应用主要有高强混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土、预应力、钢筋连结、隔震与制振技术、轻混凝土等。

 

3、发展历史

第一次高层建筑时期(18901900年)

一、工业革命后建筑技术成就

18世纪末至19世纪末,欧洲和美国的工业革命带来了生产力的发展与经济的繁荣。这时期,城市化发展迅速,城市人口高速增长。为了在s较小的土地范围内建造更多的使用面积。建筑物不得不向高空发展。另一方面,钢结构的发展和电梯的出现则促成了多层建筑的大量建造。

19世纪初,英国出现铸铁结构的多层建筑(矿井、码头建筑),但铸铁框架通常是隐藏在砖石表面之后。1840年之后的美国,锻铁梁开始代替脆弱的铸铁梁。熟铁架、铸铁柱和砖石承重墙组成笼子结构,是迈高层建筑结构的第一步。

19世纪后半叶出现了具有横向稳定能力的全框架金属结构。幕墙概念产生,房屋支撑结构与围护墙分离。在建筑安全方面,防火技术与安全疏散逐步提高。六十年代,美国已出现给排水系统、电气照明系统、蒸汽供热系统和蒸汽机通风系统,1920年代出现空调系统。由于乘客电梯的出现,建筑突破5层的高度限制(徒步可行的登高距离)。1845年奥迪斯在纽约举办安全电梯展览。奥迪斯令人信服地演示他的发明,切断缆绳,电梯箱仍安全地悬挂在半空中。1857年在纽约城百货公司安装了第一台蒸汽驱动安全电梯。18世纪70年代,蒸汽电梯被更快的水力电梯取代。1890年奥迪斯发明了现代电力电梯。

1870年后,高层建筑的技术发展进入了新的阶段。纽约公正生命保险大厦被认为是高层建筑的早期版本,因为除了高度和结构外,它采用了几乎全部必需的高层建筑技术元素。建筑采用装饰性的法国双重斜坡屋顶,虽只有5层,但高度达到130英尺,并且在办公楼中首次使用电梯。可以说它是电梯建筑或原始高层建筑的最早实例。1871年芝加哥发生火灾,建筑中铁部件的失败教训促成了建筑防火设计的进步。建造者开始在铁梁和铁柱外面覆盖面砖,并应用空心砖楼板,提高金属骨架的耐火性能。1879年,威廉·詹尼设计第一拉埃特大厦,这个七层货栈是砖墙与混凝土混合结构。1880年巴黎建起高312m的埃菲尔铁塔,1889年工程师埃菲尔在铁塔的斜腿上使用了双轿箱的水力电梯,其中一部能到塔顶。终于在1885年,真正的高层建筑诞生了--10层高的芝加哥家庭生命保险大楼建成。从此高层建筑经历了一个多世纪的蓬勃发展。                                           图五  埃菲尔塔

 

二、高层建筑发源地--芝加哥

1820年芝加哥只是一个遥远的湖边小镇。但在南北战争后城市迅速发展,40年后成为美国开发西部的前哨和航运与铁路枢纽,铁路延伸1.77万公里,每天进出75趟客运列车。这时期城市人口高速增长,城市发展恶性膨胀,规划、建筑质量低劣。

然而,1871108日夜,芝加哥的城市发展戏剧化地停止了。当晚8时左右,芝加哥郊区的一个农家牛篷里,一只母牛踢倒了一盏油灯,牛篷随即起火,在风力作用下,火势不断扩大、漫延,最终越过两道河流,一直烧到芝加哥的市中心。48小时之内,烧毁房屋18000幢,使10万人无家可归,300人被烧死。大型商业建筑和政府建筑中的所谓防火构造设施成为悲剧性的笑话。火灾中,外露的铸铁被熔化,熔化的铁水使火焰不能到达的地方起火。火灾后芝加哥的建筑防火变得谨慎和严密,重建计划开始考虑使用防火材料和技术,而不是从前的木材和裸露的铸铁。大火过后,城市重建十分迫切,因而也创造了难得的发展机遇。大规模的重建有利于合理规划,有利于发展新的建筑技术和材料,也有利于电梯的发明与改良。由于城市土地昂贵,建筑向高空发展比购买更多的土地更为经济。在建筑技术上,由于采用钢框架结构,结构自重减轻,稳定性提高在筑可以建得更高。电梯广泛使用,使5层以上的建筑成为实用。以上各种因素结合起来,促成了高层建筑的诞生和发展。

1880年后的十余年间,芝加哥取得高层建筑发展史上的辉煌成就。与此同时,美国其它城市由于受1873年起持续多年经济萧条的影响而无重大建设。大量的建筑设计任务吸引了一批有才华的建筑工程师(也是建筑师)聚集到芝加哥,如:·詹尼(设计第一栋高层建筑--家庭生命保险公司大楼)·布思海姆(设计信托大楼一第一个采用大面积玻璃外墙)·鲁特(设计蒙纳诺克大楼--世界最高砖结构建筑)·沙里文(高层建筑之父)在这一批巨将的不断努力下,形成了影响深远的"芝加哥学派"。这时期的建筑有一个革命性的建筑技术:放弃传统的石头承重墙,采用一种轻型的铸铁结构和石头或陶砖外墙,框架与外墙分离。

 

三、第一栋高层建筑

1885年建成10层高的家庭生命保险大厦(詹尼设计,1931年被拆除),通常被认为是世界第一栋高层建筑。结构上没有承重墙,整个建筑的重量由金属框架支撑,圆形铸铁柱子内填水泥灰,16层为鍛铁工字梁,其余楼层用钢梁。标准的梁距5英尺,支撑砖拱楼板。砖石外立面,窗间墙和窗下墙为砖石构造,象幕墙一样挂在框架之上。建筑史称它为"钢铁结构进化中决定性的一步".

 

四、高层建筑形式的探索

尽管当时的建筑技术(结构、设备等)已取得很大进步,但建筑师们仍在为寻找恰当的高层建筑形式而奋斗。一方面,工程师在创造性地发明新的科学技术,他们高效地建造桥梁、火车站、展览厅;

另一方面,建筑师们却束缚在传统风格中不能自拔。他们需要寻找一条道路跳出进退两难的处境,在维护传统价值的同时不得不反映全新的爆炸性的城市环境一一过速发展的芝加哥先驱精神和新的房屋建造方法。

19世纪末流行的文艺复兴时期的府邸风格可作为高层建筑的原型,但随着建筑不断升高,府邸风格已很难实现,因而必须探寻新的设计构图方法。设计者试验在不同楼层坡上各种文艺复兴的风格(如罗马式、古典式、安娜皇后式等)。通常依靠几何处理,把府邸式堆放在建筑顶部,或者拉长府邸的中部,因此得到巨人的秩序(例如罗马式的拱和往式垂直伸长)。

 

第二次高层建筑时期(19001935年)

一、社会背景与建筑高度竞争

1893年以来,芝加哥经济持续萧条,纽约方面有建筑工程,而芝加哥则无事可作,芝加哥的建筑工程师(如伯恩海姆等)纷纷跑到纽约谋求发展。这时期纽约的人口超出芝加哥的一半,主要人口是从芝加哥及其附近内陆迁入的。移民人口比例增大出现移民风格影响,外来文化占了主导地位。19141918年爆发第一世界大战。英国、法国、俄国等为一方,德国、奥地利、匈牙利等为另一方,进行了长达4年之久的战争。欧洲各国在战争中经济严重削弱,只有美国在战争中经济实力急剧膨胀,世界经济重心从欧洲转向美国。战后美国建筑活动十分兴旺,城市中的高楼大厦象雨后春笋般建造起来。第二次世界大战结束到1929年经济崩溃是美国建筑投资的繁荣时期。直接反映在大城市的轮廓、高层建筑的爆发、高速公路增长、郊区的蔓延等。由此对城市产生的影响是统治性的,但对机械化危机的理解远超出多数建筑师的想象。

18952I层的纽约美国担保大厦,也被认为是第一栋独立塔楼建筑超过20层的新哥特式的卡匹托大厦时,高度的竞赛从芝加哥转移到了纽约。如果说19世纪是技术限制建筑高度发展,那么到第一次世界大战时,短时期内众多的高层建筑发展起来,说明技术不再是限制建筑高度发展的因素。为出售而建造的建筑,一夜之间获得巨大声誉。请广告商绘制出建筑设计方案图形进行宣传,各种豪华大楼的夸张式图形,造成引人注目的声势。其实这是芝加哥早已用过的把戏。47层的歌手大厦,达到614英尺的高度。一年后,50层的大都会人寿保险大厦,以675英尺领先。191357层的伍尔沃思大厦,高度达792英尺,保持世界最高纪录达17年,直到77层的克莱斯勒大厦建成。仅                 

一年后,1931年,102层的帝国大厦建成,标志美国摩天楼的黄金时代达到顶点,建筑高度为1250英尺。这一时期美国的高层建筑经过两个发展阶段:119001920年,折中主义阶段;2.19201940年,艺术装饰时期。

 

二、折中主义高层建筑风格

1893年哥伦比亚世界展览会上,东部受过巴黎美术学院教育的建筑师们,大力宣传欧洲古典建筑风格,美国人被感动,他们向往希腊的神庙、罗马的银行、文艺复兴和哥特式高层建筑。芝加哥高层建筑的技术成就在纽约得到应用和发扬,但"商业风格'"的高层建筑受到冷遇甚至唾弃。芝加哥学派认为形象要表现功能的观点并没有被纽约的设计师们认同。他们坚持把传统风格(主要是古典和哥特式)的装饰系统连接到钢框架之中,并把钢框架隐藏起来。当沙里文努力捍卫装饰和建筑不能分离之时,纽约学派设计者们通过学院派的技巧直接从折衷形式的构图装饰中,演化出建筑的整体形象。当建筑物继续向上增长,宫殿式不再适应,设计者探寻新的历史先例。高塔楼代替了芝加哥时期的较低的板块楼,建筑冲向云霄,成为天际线和美国城市轮廓的重要符号。真正的摩天楼诞生了,连接天空和大地。然而,摩天楼的象征意义更大--它被想象为是一个美丽的、有力的美国公司形象。

19291933年美国经济产生严重危机。1939年第二次世界大战全面爆发,交战各国的民用建筑活动几乎全部停止。但这时期的建筑思想空前活跃,革新派与学院派之间进行着激烈的斗争。在柯布西埃的努力下,现代主义者们在1933年通过雅典宪章。欧洲前卫派艺术在美国的影响逐渐增大。密斯、格罗皮乌斯等一批欧洲现代主义建筑的创史人先后到美国从事建筑设计和教学工作。

 

(一)   密斯与理性主义高层建筑

密斯是现代主义高层建筑的奠基人。早在1921年,在一个高层建筑设计竞赛方案中,密斯向人们首次展示了全新的高层建筑构想:将高层建筑的一切装裱全部剥去,只留下最基本的结构框架,外面覆盖纯净透明的玻璃幕墙。这是典型的理性主义观点,用最小化、最纯化来处理建筑元素。当时这种激进的主张自然不能被业主接受,直到对年后SOM设计的利华大厦建成,密斯的理想才成为现实。密斯强调建筑要忠实于现代结构和材料,表现钢和玻璃的纯净、透明与施的精确。在外形上他强调净化建筑形式,使之成为不附加任何多余东西的、只有直线、直角组成的规整和纯净的钢和玻璃方金子;在建筑内部地主张以不变应万变,即先造出实用和经济的空间,而后配置使用功能。他设计的芝加哥湖滨公寓双塔、                      西格拉姆大夏等高层建筑对当代高层建筑发展影响巨大,在世界的任何城市都能看到密斯式的方形玻璃办公大楼。                                                                

 

(二)勒·柯布西埃和高层建筑                                   

柯布西埃认为摩天楼是"人口集中、避免用地日益紧张、提高城市内部效率的一种极好手段"。他觉得摩天楼朝气蓬勃、坚固、雄伟和反应时代精神。就象过去高耸的大教堂是形象地宣布对上帝和教会权力的信仰一样,柯布西埃认为由钢、混凝土和玻璃组成的五光十色的摩天楼是宣告对大规模的工业社会的信仰。摩天楼首次出现在1920年他的"塔楼城市"方案和1922年的共有300万居民的"现代城市"的住宅区里。

19461957年相继设计建造的"马赛公寓",为他提供了实际建设大量性高层住宅建筑的机会。建筑安置在大片绿地间,底部架空,底层空间能自由畅通,住宅平面布置不受结构限制;在建                 筑物内有商店、旅馆和其它设施,在屋顶上有幼儿园、体育馆、电影院、剧场和跑道。同密斯的主张一样,柯布也强调忠实现代的结构和材料,只不过密斯是忠于钢和玻璃的轻巧与纯净,柯布是忠实于混凝土的粗糙和沉重。建筑特点是表现不加任何伪装的毛糙混凝土、沉重有力的支撑构件和它们粗鲁的组合,因而也被称为"粗野主义"。粗野主义主要在欧洲流行,在日本也有较大影响,美国相对较少。此外,柯布还指导了巴西的教育卫生部办公大楼、联合国秘书处大厦的设计工作。70年代法国巴黎德方斯的新城建设实践了柯布半个世纪前。

三、国际式高层建筑(1950198O年)

第二次世界大战结束之后,现代主义运动取得了全面胜利。现代主义的高层建筑在某些方面是芝加哥学派的延续。它反对外部包装、建筑含义和历史风格,强调形式追随功能和技术,技术上升到艺术层次。平顶的高层建筑被建在世界各地,没有明显的差别,所以称为"国际式风格"1950年建成的纽约联合国秘书处大厦可算是最早的国际式高层办公建筑。它由一个国际设计委员会共同设计,建筑提供了3500名联合国雇员的办公空间和联合国秘书长寓所,体形为简洁的板式,长边为带形玻璃窗,短边为光洁的大理石实墙面。

1952年,密斯设计湖滨公寓,立面完全暴露钢结构框架,建筑在经济上非常成功,对后来的高层建筑产生很大影响力。同年SOM建筑事物所设计的纽约利华大厦建成,开创全玻璃幕墙的高层建筑先例,首次实现了密斯20年代提出的玻璃摩天楼的梦想。

1958年密斯·凡·德·罗设计的纽约西格拉姆大厦建成,再次证明钢铁玻璃摩天楼在艺术上的完美性。由于战后铝材过剩,钢板幕墙在高层建筑上得到广泛的应用。尽管轻型的构造在三、四十年代经济萧条时期已经出现,但直到1952年密斯的湖滨公寓建成才完全实现。为减少高层风力的影响,出现圆塔形建筑。最早的圆形塔楼是1965年建成的芝加哥玛利那城大厦大厦高60层,177m,是两座多瓣形平面的公寓。1976年建造的亚特兰大桃树中心广场旅馆,柳层,是圆形玻璃幕墙高层建筑。

 

四.超高层建筑(1965l975年)        

 

60年代后期到70年代中期,是美国高层建筑最辉煌的时期。由于建筑技术的成熟与美国整体经济实力的强盛,这时期的高层建筑无论在高度、咖团提微量方面都取得谅人有增长。1968年芝加哥建成100层的约翰·汉考克大厦,高344m,多功能综合建筑,包括700套公寓、8万多平方米办公空间和餐厅、健身房、游泳池、溜冰场等配套设施。1971年在匹茨堡建成64层的美国内陆钢铁公司大厦。                 

文本框: 图十  石油大厦1973年在纽约建成世界贸易中心大厦设计人(MinoruYamasaky),两座并立的110层塔式办公综合体,高417m,当时是世界最高建筑。综合体包括几个较低的建筑:街景酒店、地下广场、商场、餐厅以及连接见路地铁线路。建筑用传统的美学法则来使现代的材料和结构产生规整、端庄和典雅的庄严感。底部处理使用了带有哥特风格的尖券,但并不是纯粹的装饰,而是建筑与结构形式的再创造。这类手法被称为典雅主义,在当时有一定影响。1973年建成芝加哥艾莫科大厦,8O336m,是芝加哥第二高楼。l974年在芝加哥建成的西尔斯110层,高443m,在1966年马来西亚石油大厦(高450m)建成前的22年中,它一直是世界最高建筑。这个时期高层建筑技术      的进步很大,高效率的高层建筑结构已经成熟,特别是钢筋混凝土结构技术取得很大发展。如1971年建成的休斯敦市贝壳广场大50层,钢筋混凝土套筒式结构,高218m                                 

1976年在芝加哥建成的水塔广场大厦共74层,2层地下室,高度262m,是世界最高钢筋混凝土建筑,也是著名的综合体建筑。底部商业中心包括两个百货公司、几百个商店和一个大型的中庭,上面是44层的豪华公寓和22层的酒店。1976年建成的波士顿汉考克大厦,60层,建筑体形为简洁的长方体,外墙采用当时最先进的全隐框反射玻璃幕墙(在1973年建造过程中,三分之一的玻璃被大风吹掉,引起一场风波)。在建筑的周围有古典教堂、图书馆等重要建筑,镜面玻璃使建筑体量减小,并反射了周围景色.开创现代建筑新的亲现手法。从贫以后.高层建筑设计思潮开始转变,也有人把它称为最后一栋现代主义高层建筑。

                                                              图十  汉考克大厦

第四次高层建筑时期(1980年~现在)

现代主义高层建筑的反思

现代主义高层建筑为了表现它的理智和超脱,越来越多地依赖于简单的几何形式,使高层建筑设计走向了极端,理智也变成了偏执。世界各地大同小异的玻璃盒子式高层建筑使城市失去特色,使市民感到厌烦。为了使这种单调冷漠的六面体变得丰富多彩,建筑师们开始进行新的设计探索。70年代,尽管国际式高层建筑仍然大量建造,但一些建筑师在发掘新技术、新材料的表现力,也有的在探索几何形态的无穷潜力,更多的建筑师开始注意建筑的环境质量、宜人的尺度。80年代,后现代主义企图完全否定现代主义,他们从历史的式样中找灵感,设计了新哥特式、新AreDeco等带有传统意味的高层建筑。代表人物如建筑师菲利普·约翰逊等。如90年代以后,太平洋西岸的东南亚国家随着经济的起飞,高层建筑迅速发展,成为引人注目的新的高层建筑热点;在高层建筑内容、风格等方面具有明显的地方特色,成为一种新的景观。目前这种探索和争论仍在进行之中,高层建筑正处在新古典、新技派、生态观、解构主义等多元并存的发展时期。

 

一、高层建筑发展情况

我国高层建筑的发展与国外类似,经过一段从低到高,从单一到复杂的发展阶段。1977年广州白云宾馆的建造,使我国高层建筑的高度突破了100m33层),此后广州花园酒店、北京饭店、南京金陵饭店以及广州白天鹅宾馆等相继出现。深圳、珠海特区的建设,从一开始就给人们以全新的概念和面貌,高层建筑在这些新兴城市几乎成了主调,深圳国贸中心大厦的建设(50层、160m)是它的代表作。以后的深圳发展中心大厦(43层、165m、钢和钢筋混凝土框剪结构)、深圳中国银行(38层、134m、现浇钢筋混凝土框筒结构)等,都反映了我国高层建筑发展的速度和水平。1986年以后,超高层建筑迅速增长,1990年在9个城市建成29栋超高层建筑。1991年开始受压缩基本建设的影响,有所下降,但仍保持一定规模。到1994年末,据不完全统计全国已经建成高度在100m以上的建筑152栋(包括结构封顶22栋,分布在29个城市,其中上海38栋、北京24栋、深圳24栋、广州17栋,其它49栋分布在25个城市。在已建成的超高层建筑中,旅馆40栋、多功能建筑50栋、办公楼15栋、专业性建筑(电力、电信、广播、电视、邮政等建筑)17栋、公寓30栋,其中多功能建筑呈现增长较快的势头。从选用的结构材料看,钢筋混凝土143栋,占主体;其它有钢结构5栋;钢—钢筋混凝土结构4栋。从结构类型分析,筒体和框架—简体有72栋为数最多;其次为框架—剪力墙35栋。剪力墙和框支剪力墙多用于住宅、旅馆和商住楼,筒体、框架—简体和框架—剪力墙多用于多功能综合楼和办公楼、专业楼等需要更大空间的建筑;剪力墙和框支剪力墙有45栋。

20世纪末,处于世界前100名的高层建筑中,采用全钢结构的有46栋,采用钢筋砼结构的有17栋,采用钢-钢筋砼混合结构的有34栋;国内已建的前100名高层建筑中,采用全钢结构的有2栋,采用钢筋砼结构的有80栋,采用钢-钢筋砼混合结构的有18栋;从以上统计中看到:全钢结构建筑在国外用的较多,特别是早期的高层建筑几乎全部采用全钢结构,钢筋砼结构在国内用的较多;而近年来,不少设计采用了钢-钢筋砼混合结构,同样具有全钢结构的自重轻、施工速度快的特点,这是优于砼结构的重要方面;在造价方面又低于全钢结构。也就是说,钢-钢筋砼混合结构充分发挥了钢结构及砼结构各自的优点,适合目前我国经济与技术发展的水平,在我国高层建筑结构中的应用日益增多,并逐渐成为当今我国高楼建设中的主导结构类型,已建成和正在筹建中的高度超过150m的高楼近20栋。

 

二、高层建筑的结构体系发展状况

高层建筑结构由于承受垂直荷载与水平风荷载及地震的共同作用,其高度越高,水平作用的影响就越大,对结构设计来讲选用一种具有适当刚度的结构体系则是设计的关键,从国内现有的设计与施工水平的实际状况来看,如下几种结构体系有可能在设计中被采用:钢筋砼结构、钢结构、钢-钢筋砼混合结构(这类结构日本称为钢骨钢筋混凝土结构,苏联称为劲性混凝土结构,我们简称为钢混结构)。现就这几种结构体系各自特点,通过比较结构的受力特点与结构刚度的大小,所采用结构技术的先进性等综合因素及每种结构体系对建筑使用功能的适用性,特作如下分析:

从结构体系上看,早期多采用钢筋砼纯框架结构。由于它平面布置灵活,空间大,能适应较多功能的需要,因此成为高层建筑的主要结构形式。如早期的北京饭店、上海的国际饭店等,以及后期的长城饭店等。但是,这种结构的侧向刚度较小,在一般节点连接情况下,当承受侧向的风力或地震作用时,将会有较大的侧向变形。因此,限制了这种结构形式的高度和层数。

为了满足更高层数的要求,结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求,出现了较高层数的剪力墙结构,如广州的白云宾馆和前三门工程,都采用了这种结构形式。剪力墙结构以良好的侧向刚度和规整的平面布置,按照功能要求,设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙,无疑它对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的,因此,它所允许建造的高度可以远远高于纯框架结构。剪力墙结构的不足之处在于,平面布置的灵活性较差,使用上亦须受到一定限制。因此,它的适应范围较小,仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。

建筑功能要求有较大的灵活性,但同时又能满足风和地震作用的考验,取纯框架和剪力墙结构两者之长,形成了框架—剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点,而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力,结合后的结构体系可广泛满足一般建筑功能要求,在适当位置设置一定数量的剪力墙,既是建筑布置需要,又是结构抗侧力需要。因此,框架—剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽,是一种较好的结构体系。如北京饭店东楼、北京国际大厦、上海展览中心北馆、上海扬子江大饭店等。

钢筋砼筒体结构的出现主要是为了满足高层建筑更高层数的要求。筒体结构可以是内筒(以封闭的钢筋混凝土剪力墙形成空心悬臂梁)外框(以密排柱形成框架),因此亦称框筒结构。也可以是内筒和外框架筒(以密排柱和梁形成框架筒),又可称筒中筒结构。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能,在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势。筒体结构所具有的刚劲的抗侧力刚度,使其为众多高层和超高层建筑结构所采用。如北京国贸中心大厦、北京新华社大楼、深圳国贸中心大厦、上海电信大楼以及广东国际大厦等。

文本框: 图11  地王大厦钢结构具有承载力高,自重轻,占地面积小,      使用空间大,工业化程度高,施工速度快,抗震性能好,基础费用省等优点。国内采用钢结构的高层建筑有1996年建成的上海世界广场(42层),为框架-支撑结构, 1991年建成的京城大厦(39层)为框架-剪力墙结构。

为了发挥钢结构和钢筋混凝土结构各自的优越性,由两者结合形成的钢-钢筋砼混合结构成为超高层建筑的重要发展趋势。这一结构体系发挥了钢结构自重轻、强度高、使用空间大、施工速度快与钢筋砼结构刚度大、造价低等优点,是一种很好的结构体系,在高层建筑结构设计中得到了越来越广泛的应用,这种结构体系适合目前我国经济发展水平。深圳1996年建成的地王大厦(81层)由钢框架-钢筋砼筒体组成的钢-钢筋砼混合结构,上海1988年建成的希尔顿酒店(43层)由钢框架-钢筋砼芯筒组成的钢-钢筋砼混合结构。

 

 


张东旭  2003010200

高层建筑目前还没有一个明确而统一的标准,有人认为六层以上,还有人认为要在九层以上才算是高层建筑。不管怎么说,高层建筑结构是十分复杂的。高层建筑结构要满足以下基本要求:强度要求、变形要求、倾覆要求(包括抵抗风荷载引起的倾覆弯矩和地震荷载引起的倾覆弯矩)。建筑随着由底层向高层发展,建筑物承受的水平侧向荷载迅速增大,以致成为结构设计的控制因素。

那么高层建筑的结构形式都有哪些?各自都有什么受力特点?发展历程和新技术的应用情况如何?下面就针对所涉及的问题作一简单回答。

一、             高层建筑的发展简史

1、古代高层建筑

高层建筑可以追溯到中国古代的塔:绝大多数为多层建筑,有的可以成为高层建筑,但使用功能很少。虽然在规模上比不上现代高层,但一样雄伟、壮观

               

 

 

 

 

 

 

 

那个时候其它国家的高层建筑基本上就是城堡、教堂,高度也不是很高:

 

  

 

 

 

 

 

 

 

古代的高层建筑中,建筑材料基本上是砖、石、木等,那时的结构工程师没有数学和力学理论指导,全靠经验积累。受此限制,当时的人们也不可能造出很高的高层甚至超高层建筑出来。

2、近代高层建筑

 

(1)工业革命推动科学技术进步

此时由于钢铁制造业的发展,钢材被应用到了建筑上

18017层铸铁棉纺厂

1883年建造11层铁结构

18899层钢结构

1889年埃菲尔铁塔超过1000英尺

与此同时,科学技术包括数学、力学知识在结构上也有了很大的发展,因此在1891年的时候人们造出了16层的砖石结构。

 

(2)电梯、给排水、供热、空调技术解决

了高层建筑的运输和生活问题,钢结构

和建筑抗风体系得到了发展风体系得到了发展

190550层,191160Woolworth(234m)

1929Charysler (319m,埃菲尔铁塔被超过)

1931102层帝国大厦(381m)

 

3、现代高层建筑

由于新材料、新结构体系,结构抗风、抗震技术,隔震减震技术,计算机技术的突破,高层建筑不再是神话:

1972110层世贸双塔(412m)

1974110Sears大厦(443m)

199688Petronas大厦(450m)

2003101层台北101(480m)

 

 

3、中国高层建筑的发展

 

(1)30年代旅馆饭店

192110层和平饭店

193224层国际饭店

82m,远东第一高楼)

 

 

 

 

 


(2)改革开放前

1968年广州宾馆 (27)

1974年北京饭店 (17)

1976年白云宾馆(108m3333层)

 

 

 

(3)改革开放后,第一高楼不断刷新

1983年金陵饭店 (33,110m)

1990年京广中心(57,208m)

1996

地王大厦(68,328m)

金茂大厦(88,420m,世界第三)

 

 

 

 

(4)欲穷千里目,更上一层楼

 

北京国贸三期(330m)

大连国贸中心(78层,420m)

上海环球金融中心(101, 492m,世界第一)

 

 

 

 

 

(5)中国已成为超高层建筑大国

                                    

 

 

 

 

 

 

二、             高层建筑的受力特点

高层建筑结构主要受水平荷载和竖向荷载的作用,竖向荷载与一般结构相类似,只是随着层数的增加底部承受的荷载会越来越大,因此高层建筑都出现了金字塔式的造型(上面小下面大);而高层建筑要着重考虑的是侧向水平荷载,又包括风荷载和地震作用。

风荷载:

处于风流场中的高层建筑物,会受到迎风面的压力;由于建筑一般是非流线型的,在背风面、屋面、和侧面角等部位会形成一定涡旋,从而产生吸力,这些压力和吸力,在建筑物表面的分布往往是不均匀的,他随建筑物体型、高度、建设地点的风向、风速和邻近已有建筑物的影响而变化,而短周期的风还会有风振等的危害,而风荷载的标准值,可按下式计算:

高度Z处的风振系数           体型系数     风压高度变化系数(地面粗糙程度)

基本风压 (由50年一遇的最大风速推算 空旷平地离地10高、10分钟平均风速,kN/

而且当达到一定的高度后,各层的集中风压会随着层数的增加而线性上升,在建筑顶部产生最大位移值,因此在设计中还要有合适的高宽比来控制好位移变形。

在按照建筑的不同功能和不同层数,考虑其最佳高度比以外,必须选择有利于抗风抗振的体型。平面为圆形的建筑承受水平风力的性能最好,它比平面为方形或矩形的建筑风压值可减少40%;比平面为六角形或八角形的建筑风压值可减少20%。圆形塔楼外墙面积最小,有效面积最大,往往可以获得较好的经济效果,外观也显得轻巧活泼,适用于旅馆、公寓等高层建筑;矩形和方形塔楼比较端庄、施工方便,适宜于办公及公寓类型的高层建筑。

地震作用:

由于地震的破坏性极大而且又难以预见,尤其在高层建筑中显得尤为可怕,实际的地震是相当复杂和随机的,很多结构在不断出现的地震中的表现往往并非像所预料的那样,但是高层建筑的重要性和价值很大,一旦破坏损失极其严重,因此结构抗震是要着重哦功能考虑的。

地震力可根据实际情况采用不同的计算方法。

当高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的高层建筑结构,可采用反应谱底部剪力法;高度超过40m,刚度沿高度分布不均匀的高层建筑结构宜采用反应谱振型组合法;当高度大于80m,地震烈度为7度、8度的Ⅰ、Ⅱ类场地,或高度大于60m,地震烈度为8度的Ⅲ、Ⅳ类场地,或地震烈度为9度的高层建筑结构,宜采用时程分析法作为补充计算。

结构的总体布置是影响建筑抗震性能的关键问题。建筑各结构单元的平面形状应当力求简单规则;立面体型应当避免过大的伸出或收进;结构布置应当均匀对称。这些基本要求对提高结构的抗震性能是非常有利的。抗震结构在总体布置上有两大忌:一是上部刚度大,底部仅有柱的鸡腿建筑;二是平面刚度极不均匀,产生大扭转的建筑。

三、             高层建筑的主要结构类型

从材料上讲,大体可分为混凝土结构、钢-砼混合结构、钢结构

总的来说,世界100栋超高层主要为钢或钢-砼混合结构,混凝土结构仅十余栋:

高层建筑的主要结构形式:

1框架结构

多梁柱组成。空间灵活,但抗风、抗震能力弱,多用于公共建筑,且大多为多层建筑高层超高层建筑中并不常见

受力体系由梁和柱组成,用以承受竖向荷载是合理的,在承受水平荷载方面能力很差。当房屋层数不多时,风荷载的影响很小,竖向荷载对结构的设计起控制作用,但层数较多时,水平荷载将起很大的影响,会造成梁、柱的截面尺寸很大,在技术经济上不如其他结构体系合理。在高层建筑中如果要采用框架结构,工程一般为全现浇钢筋混凝土框架,在某些部位会采用剪力墙或钢结构。现在还出现了钢框架结构。

典型例子:    东方广场

工程为全现浇钢筋混凝土框架+部分剪力墙结构,地下4层,地上20层。

2框架+支撑结构、异型柱框架结构

抗风、抗震性能好、又具有适当的大空间

上海锦江饭店

 

高度153、层数1+46、建筑面积4.8万平、结构形式:钢框架-钢支撑及钢板剪力墙

另外还有:

世界广场         上海  238m  钢框架一钢支撑
九州大厦         厦门  225 m  钢框架一钢支撑
大连森茂大厦     大连  224m  钢框架一钢支撑
中国工商银行总行 北京  310m  钢框架一钢偏心支撑

 

3剪力墙、框架-剪力墙结构

剪力墙即为一段钢筋混凝土墙体,其抗剪能力很强。剪力墙在一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性,这种体系一般用于办公楼、旅馆、住宅等。在框架-剪力墙结构中,框架与剪力墙协同受力,剪力墙承担绝大部分水平荷载,框架则以承担竖向荷载为主,这样可以大大减少柱子的截面。

深圳发展中心

地上41层,地下1层,高度165.3m

框-剪结构体系

 
 

 

 


4筒体(框筒、桁架筒、筒中筒、成束筒)

 

Sears Tower(美国芝加哥右图)

最典型的成束筒体系,150层由九个小方筒连组成一个大方形筒体,在5166层截去对角线上的2个筒,6790又截去另一对角线上的2个筒,91层以上只保留2个筒,形成立面的参差错落,是立面富有变化和层次,简洁明快。这种束筒结构体系是建筑设计与结构创新相结合的成果。

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


“筒中筒”

北京国贸I期 高度155.2m  内外钢框架钢支撑筒体

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5框架-核芯筒(钢框架-混凝土核芯筒)

利用电梯井,抗风抗震,核心筒为主要承重构件,框架构成大空间,发挥了各自优势。

 

 

 

 

 

北京国贸II

高度438m

混凝土核心筒,外框钢结构

 

 

6巨型支撑、异型柱加斜支撑结构

这种巨型支撑对于抗风抗震较框架筒体更为经济、有效

7巨型柱

8悬挂结构

以筒体、刚架、拱等为主要承重构件,悬挑或悬挂楼板。这种结构体系,自重小,使用面积大,抗震性能好,造价相对较高。

 

四、             高层建筑中新技术发展简况

结构理论的发展:结构抗风、抗震技术,隔震减震技术,计算机应用技术的突破。

新结构体系:    钢框架-混凝土核芯筒、巨型支撑、巨型柱、悬挂结构。

新材料:        新混凝土工艺,钢骨、钢管混凝土,钢结构;金属、玻璃、新型塑料、复合材料等的广泛应用。

信息技术的应用:随着信息技术的发展,建筑技术与信息技术日益相互渗透结合。智能建筑的出现,以它先进的楼宇自动化系统、通讯自动化系统、办公自动化系统、业务管理自动化系统、报警自动化系统,为人们提供了一个高效舒适的建筑环境,也为建筑设计在现代高科技的应用方面,展现了新的科技领域。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

复查人:刘辉(建管3


    2003010656

作业三:总结高层建筑结构的主要的结构类型、受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史。

 

答:高层建筑结构的发展是一个长期积累,逐渐进步的过程。它的反展主要分为以下两个阶段:

1、古代房屋建筑

(1)古代的宫殿、民居,绝大多数为单层或两层建筑。

(2)古代的塔,绝大多数为多层建筑,但使用功能少。

(3)其它国家的城堡,教堂都是比较低的建筑 。

这时候的建筑在材料受到很大的限制,只有砖、石、木等比较天然的材料,并且没有数学和力学上的理论指导,也无法从高度上发展。

 

2、近现代房屋建筑

(1)工业革命推动科学技术进步。

(2)电梯、给排水、供热、空调技术解决了多高层建筑的运输和生活问题,,钢结构和建筑抗风体系得到了发展。

(3)新材料、新结构体系,结构抗风、抗震技术,隔震减震技术,计算机技术的突破

这些方面的明显进步,围高层建筑的飞速发展提供了技术上的有力支持。

 

世界 100 栋超高层主要为钢或钢-砼混合结构,混凝土结构仅十余栋。高层建筑结构的主要的结构类型、受力特点分为:

1, 框架结构

多梁柱组成。空间灵活,公共建筑,抗风、抗震能力弱,多层建筑。如东方广场

2, 框架+支撑结构

抗风、抗震性能好。如上海锦江饭店。

3,剪力墙 、框架+剪力墙结构

抗风、抗震性能好,,受建筑平面布置限制。如深圳发展中心。

4, 筒体(框筒、桁架筒、筒中筒、成束筒)结构

这种多筒结构可更充分发挥结构空向作用,其刚度和强度都有很大提高,可建造层数更多、高度更高的高层建筑。如北京国贸I期。

5, 框架-核芯筒结构

在框架结构中,设置核芯筒,使框架和核芯筒两者结合起来,取长补短,共同抵抗水平荷载。可以利用电梯井,抗风抗震。如北京国贸I期。

6、巨型支撑结构

    内部形成无柱的开敞空间,具有跨度大,层高大。如中国银行大厦。

7,巨型柱结构

8,悬挂结构

 

附图:

框架结构

框架+支撑结构

剪力墙 、框架+剪力墙结构

筒体结构

框架-核芯筒结构

巨型支撑结构

巨型柱结构

悬挂结构

 


   2003010092

总结高层建筑结构的主要结构类型受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史

一、高层建筑发展历史

一般认为国际高层建筑最早为1885年建成的Home Insurance 10层铁-钢框架结构房屋(见右图)。有认为世界第一座高层建筑应为约建于公元120年的也门霍姆丹宫,20层,高约100m,为于萨那东南纳格姆山麓,可能系砂、细石和铅溶在一起砌筑成的。610年也门成为阿拉伯帝国一部分,693年曼·本·阿法夫任第一任哈里发,他看到该宫雄伟壮丽,嫉妒气愤,下令拆除,另建一座大清真寺。现在寺内看到的3m多高整石柱,据说为霍姆丹宫的楼柱。

《左传·昭公七年》(按鲁昭公七年为公元前535年)“楚子成章华之台,愿与诸侯落之”,《水经·沔水注》“台高十丈,甚广十五丈”。这当按周制则高度约为22m,接近我国现时高层建筑标准。较也门霍姆丹宫早600多年。

国外混凝土高层建筑发展大致是:1903年在美国OhioCinicinnati建成第一幢16层、高64mIngalls建筑;1955年在波兰华沙第一次用混和材料建成42层、高241m I Palac Kultury I Nauki 建筑;1963年在美国夏威夷建成27层、高79mIlikaii预应力高层见着;1968年在美国芝加哥建成第一幢70层、高196m公寓建筑Lake Point Towers1970年在美国休斯顿建成52层、高218m轻混凝土建筑One Shell Plaza, 是第一次进行复杂的徐变分析的高层建筑;1970年在澳墨尔本建成31层、高90m预制的高层建筑(苏联1929年开始在工业建筑中采用装配式结构,后来也用以建筑多层房屋;我国1964年在北京建成的15层民航局大楼,高61m,即采用了预制构件)。

20 世纪20年代, 我国开始建设了一些1020 层的高层建筑,包括旅馆、办公楼和住宅。解放后自行设计建造的高层建筑始于50 年代末, 随着我国国际交往、旅游和居民住宅的迅速发展, 80 年代起, 开始由少数大城市发展到全国很多大中城市, 相继兴建了为数众多的高层住宅、办公楼和宾馆等。1980 1984 5间兴建的高层建筑相当于解放后30的总和, 而且层数增多, 高度加大, 外观新颖, 体型复杂, 结多样。

 

二、高层建筑结构受力特点

对于低层建筑结构, 通常以重力为代表的竖向荷载控制结构设计, 但随着建筑物高度的增加, 高宽比的加大, 尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响, 但水平荷载(风荷载及地震作用) 对结构产生的影响愈来愈大, 将成为结构设计时的主要控制因素,起着决定性的作用。建筑物自重和楼屋面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩数值, 仅与楼房高度一次方成正比, 对某一定的高度的楼房, 竖向荷载大体上是定值, 而水平荷载的数值是随着结构的动力特性不同而有较大幅度的变化, 并且它对结构产生的倾覆力矩以及在竖向构件中所引起的轴力是与建筑物高度的二次方成比例, 结构内力明显加大,结构侧向位移增加更快, x图是结构内力(N M )、位移 与建筑物高度(H ) 的关系。弯矩和位移都成指数曲线上升。

 

 

 

 

所以对于高层建筑, 结构除了承受重力荷载外,还要负担较大的水平荷载, 而且随着建筑物高度的增加, 水平作用愈益成为结构设计中的控制因素, 并将成为确定结构体系的关键性因素。在水平作用中,地震作用是动力作用, 而风力作用则包含静力作用(风压) 和动力作用(风振)。高层建筑对风的动力作用比较敏感, 风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区, 高层建筑结构往往受地震作用控制, 所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑结构分析的重要内容。总之, 对于高层建筑结构, 作用的动力效应显著。另外, 对于超高层建筑, 温度内力和温度位移以及建筑物的整体稳定, 抗倾覆能力等问题, 也将变得突出, 在结构设计时, 必须予以重视。

 

三、高层建筑结构类型、特点及采用新技术

高层建筑抵抗侧向荷载的结构体系有框架体系、剪力墙体系、芯筒和外伸结构体

系、筒式体系和混合体系。

1 框架体系

1. 1 支撑框架

纯框架结构由于其侧向刚度较小, 在高层建筑的主楼中应用较少(如:北京长富宫中心饭店、北京长城饭店和广州华厦百货大楼)。为了增加框架的侧向刚度, 往往加设支撑。加支撑的框架为竖向悬臂桁架, 主要通过框架各构件的轴向刚度承受侧向荷载。

支撑框架的几何形式根据它们的延性特征分组, 或为中心支撑(CBF) 或为偏心支撑(EBF)。在中心支撑中, 所有支汇于一点的构件将使构件中的力为轴心, 它们具有大的刚度、低的延性。因为在低地震活动区, 高的延性并不是主要的, 因此工程师首先选择CBF 用以抵抗侧向荷载。另一方面, EBF 利用轴线的偏离, 在框架中引起弯曲和剪切而降低刚度对重量的比率, 但增大延性。

支撑框架常用结构钢制造, 因其易于施工。根据斜向力、长度, 需要的刚度和净空, 用结构钢的斜向构件可用双角钢、槽钢、T 形钢、钢管或宽翼缘钢制造。除性能外, 斜杆的形状常根据接头考虑。

工程举例

北京燕京饭店北京长城饭店

 

1. 2 抗弯框架

钢抗弯框架可用螺栓或全焊接头制成。高层钢框架结构往往侧向刚度不够。如美国在纽约建造的一些这种大楼, 在大风的日子里, 103上面楼层由于摇晃而使工作人员因患病不得不脱离工作。

钢筋混凝土框架具有整体构造节点的优点, 是理想的抗弯框架体系。近年来在混凝土抗弯框架中的发展, 包括改善混凝土的特征, 配筋细部以提供增大的延性和框架构造技术。

在抗弯框架中最新的进展为钢- 混凝土组合结构。将钢和混凝土混合应用, 广泛的变革可能成为现实。典型的体系组合包含能使框架很快架立起的轻钢构件, 这些构件后来被埋固在混凝土中而成为配筋, 为完成的结构提供必需的刚度和强度。钢和混凝土的优点可组合成一优越的体系。阻尼和轴向强度借增加混凝土于钢框架而得到改进。将型钢浇注在混凝土中可改进混凝土框架的可靠度和延性。在组合抗弯框架中, 仍保持混凝土的有利特性而并不牺牲钢的架设优点。

1. 3 框架- 桁架共同作用体系

根据体系的高宽比, 垂直桁架对约达20 层的建筑可单独提供侧向抵抗。抗剪桁架当和抗弯框架联合可产生一种框- 桁共同作用体系。抗弯框架的线性风侧移, 当和框架悬臂抛物线侧移组合时产生增强的侧向刚度。桁架在上部为框架所约束, 而下部桁架则约束了框架, 这牵涉到从建筑的顶部到底部一项剪力的传递。

北京京城大厦(见右图)地下4, 地上52 , 183. 50m , 平面尺寸为37. 6 ×5716, 带锯齿菱形。采用刚性框架+ 剪力桁架+ 周边外伸桁架体系, 井筒部分安装斜撑后, 配置钢筋并浇灌混凝土, 故最后成为组合结构: 1 3 层、28 层和顶层(设备层) 设周边桁架和外伸桁架。

 

2 剪力墙体系

在宾馆和居住建筑中, 由于横墙较密近, 往往采用剪力墙结构体系。

 

我国最早建造的广州白云宾馆(见左图), 主楼平面呈矩形, 东西长70m , 南北宽18m , 地上33 , 地下1 ,地面上总高度为112. 45m , 采用钢筋混凝土剪力墙体系, 1976 年建成, 是我国第一座超过100m 的高层建筑。

 

当纵向中间只有一道剪力墙, 外纵墙取消, 而横向有多道剪力墙时则构成“鱼骨式”剪力墙体系, 这在居住建筑中有时采用, 如北京煤建总公司商住楼结构为“鱼骨式”剪力墙体系, 地上18 , 地下2 ,地面上总高度为52. 9m , 底部2 层为大空间商店。

现代高层建筑应是多功能的, 例如上层为小开间的居住和办公房屋, 下层为大空间的商店、舞厅等, 因此必须设置转换层以承托上部框架柱或剪力墙。转换层结构可为梁式、板式、桁架式或空腹桁架式。国内建造的94 幢有转换层的高层建筑中采用梁式的占87%。转换层结构可采用钢筋混凝土、预应力混凝土、劲性钢筋混凝土、钢或钢和混凝土的组合结构, 而以采用钢筋混凝土最多(85% 或以上)

我国设计规范JGJ3- 89 允许用框架支承上部剪力墙, 即构成框支剪力墙体系。由于在转换层上部和下部刚度差别很大, 在连接处墙中和柱中应力分布是很复杂的, 如建造裙房可在一定程度上改善这一现象。

新加坡财政部大楼这种上部刚性和下部柔性结构并不具有所期望的隔震抗震能力, 下部框架柱不能承受过大的变形,1964 年前南斯拉夫斯可比耶地震和1978 年罗马尼亚布加勒斯特地震表明这类房屋严重破坏或倒塌。

 

3 内芯和外伸体系

3. 1 历史来源

外伸结构是在近25 年内被引入高层建筑的, 而它作为结构构件已有很长的历史。在大的帆船中就采用外伸结构帮助抵抗作用于帆上的风力; 在高层建筑中, 内芯相当于船的桅杆, 外伸结构作用象撑杆, 外柱则象拉杆或桅索。和帆船一样, 这些外伸结构减小内芯中的倾覆力矩, 使其象纯悬臂一样作用,借拉- 压力偶利用内芯外边柱之间的增大力臂长来传递减小的倾覆力矩于这些柱。除了减小桅杆尺寸外, 有外伸结构时也减轻桅杆安装于龙骨梁上接头的困难。在高层建筑中, 也相同地有利于减小内芯底部的倾覆力矩, 同时降低内芯中的可能上举力。通过迎风拉索和桅杆间的力偶传至帆船预拉系杆上的相同倾覆力矩, 在高层建筑中将传至重力荷载预压柱中。

3. 2 外伸结构的效益

对很多建筑, 问题的解答和限制单独内芯或筒体结构是引入一或几层外伸结构。典型的外伸结构组织为由用桁架或墙式构件连接一高层建筑内芯于一或几个建筑面上的外柱组成。外伸结构体系可以形成钢、混凝土或组合结构的任意组合。当适当地和有效地利用时, 外伸结构可对一建筑总体设计提供下列结构上和功能上的效益:

(1) 内芯倾覆力矩和它们相应引起的变形可通过在每一外伸结构交接处作用到内芯上的“反”力矩而减小。这一力矩在与外伸结构连接的外柱内的力偶引起, 它可能将结构体系的有效深度从仅为内芯几乎增加到整个建筑。

(2) 显著减小和可能完全消除贯通柱和基础体系中的上举力和净拉力。

(3) 外柱间距不是由结构考虑而确定的, 而是很方便地按美学和功能上考虑来布置。

(4) 外框架可由“简单”的梁柱框架组成而不需刚性框架形式的接头, 因而经济。

(5) 对矩形建筑, 外伸结构可在较危险的方向的风载作用下约束建筑长的面上的中间柱。在单独内芯和筒式体系中, 这些承受很大重力荷载的柱或者是不包括进去或者利用不足。在某些情况下, 外伸结构体系可有效地几乎将每一根重力柱包括到抵抗侧向荷载的体系中, 其经济性是明显的。

4 简式体系

41 历史回顾

高层建筑筒式体系第一代的发展可追溯在二战后与钢筋混凝土结构的发展同时产生。在60 年代前期, 钢筋混凝土主要用于很少层数的低层结构。这些建筑的特征是在构件间有很大间距的平面梁和柱的排列。超过约15 层的钢筋混凝土建筑和框架体系基本为低效率, 这将引起构件尺寸过大和结构材料费用的增加, 因此这一体系是不经济的。布置在建筑内部的剪力墙体系可予应用, 但是它们对刚度和抗倾覆要求往往是尺度不够。对较高的建筑, 将导致朝向抵抗侧向荷载的高度有效结构体系发展。一个利用整个结构惯性矩抵抗侧向荷载, 完全三向的结构体系概念在那时即开始形成。这一设计倾向的主要支持者为Fazlur Khan, 他系统地探讨了高层建筑结构体系的合理发展。当时扩大国际风格的建筑手法, 包括采用有大跨度的大空间, 一个很好设计的内芯, 以及一个明显可看到的内- 外柱格。在这种建筑和经济的气氛中, 钢筋混凝土框筒体系可视为在高层体系中自然的和改革的发展。

4. 2 框筒体系

框筒体系的组成通常是许多密近的外柱和深的裙梁(窗间柱之间的梁) 刚性连接, 后者沿整个结构每面并环绕建筑的角部连续围箍起。这一体系是抗弯框架的合理延伸, 因此梁和柱的刚度由于净跨尺寸减小和构件截面高度增大而大大增加。钢筋混凝土结构的整体性是理想地适合这一体系, 包括框架结构完全连续的相互连接。

框筒在侧向荷载下的分布越相似于在基底悬伸的完全刚性的箱形结构, 体系将越有效。对实体墙筒的情况, 轴向力在迎风和背风墙的分布可期望其为均匀的, 而沿侧墙的分布则为线性的。当筒墙开洞时,造成梁- 柱框架, 将由于筒式构件中的剪切和弯曲面引起剪力框架变形以及构件节点旋转。这将降低体系作为一个悬臂的刚度。实际轴向荷载在筒柱中的分布偏离理想的程度称为“剪力滞后效应”( shearlag effect)。用性能术语, 朝向翼缘中部柱内的力滞后于靠近角部柱内的力, 因而不能充分利用。限制剪力滞后现象对筒式体系优化发展是很重要的。合理的目标是争取使在风载下整个体系悬臂挠度部分至少占75% 的有效性。

工程举例:

    我国1984 年建成的深圳国际贸易中心地上50, 地下3 , 地面上高度为158. 65m。采用钢筋混凝土筒中筒体系。

广东国际大厦, 地上63 , 地下3 , 地面上总高度为200. 18m ,  属钢筋混凝土筒中筒体系。

 

 

4. 3 桁架式筒体

当筒体概念在60年代中期发展时, 很明显有一定建筑高度范围, 在此框筒可有效地被采用。对很高建筑, 密的梁柱构件格子对面墙建筑艺术有着决定性的影响。需要控制剪力滞后和改进体系的效率仅能借在筒墙中开相对小的孔洞来实现。在建筑的底层, 问题变得特别突出, 在此建筑设计典型地需要敞开的通道以便从周围的底部结构进入建筑内部, 而要求尽可能小的障碍从外框架结构进入。大量优秀的解决方案, 涉及到转换和移动建筑底层外柱已被定型下来, 其特点包括材料费用的增加。

桁架式筒体系是一项典型的解决筒体方案, 特别适合于结构钢的性质和特征。理想的筒式体系是连接所有外柱以形成刚性箱形, 它能借体系中的构件内轴向力而不是通过弯曲来抵抗侧向剪力。这是用在建筑每面设置最小数量斜杆来达成, 斜杆则交汇于角柱上相同点, 体系是筒式的, 其中面上的斜杆不仅在平面中形成桁架, 而且和垂直面上的桁架共同作用而影响筒的性能。这在每面角柱间造成一X型。

对这种形式的建筑有一点是清楚的, 即结构学科确定了整个外部建筑造型的基础与框筒体系比较, 桁筒式体系的显著优点是可采用相当大的柱距。这时窗子造成大的净空, 是钢建筑一个特征。

筒体的典型连系由一个包括柱、斜撑和裙梁在斜撑与柱在楼面相交的水平处拉结的基本体系组成。主要结构需要发挥连续性和传递轴向荷载。侧向荷载80% 由悬臂承受, 20%由框架作用承受, 这是由于斜撑创造了一个沿翼面几乎均匀的柱荷载分布;只有很小的剪力滞后现象。结构效率用仅145kg/m 2钢重来很好说明。

在它们的最单纯的形式中, 筒式体系通常应用于棱柱形垂直剖面。对于变化的剖面和建筑, 包含明显的偏离垂直立面。配合形状的筒式框架的不连续性具有严重的低效率。但是这种体系迅速用于非直线构成的、闭合的平面形式的变化, 包括圆形、六边形、三角形和其他多边形。最有效的形状是方形, 而三角形筒具有最低的固有的效率, 外筒体高的抗扭刚度特征在不对称形状的结构中具有优点。

44 成束筒

成束筒概念在筒墙中采用较大柱距较可能仅用外框筒形式创造了条件。这样的间距使可能设置内框架线而没有严重损害内部空间设计。原则上, 任一闭合式形状可用以创造成束形式, 垂直地调整单元筒可创造多种形状的变化方案。因此成束筒的原则在很高建筑的建筑设计中提供很大的活动余地。

在它们的最单纯的形式中, 筒式体系通常应用于棱柱形垂直剖面。对于变化的剖面和建筑, 包含明显的偏离垂直立面。配合形状的筒式框架的不连续性具有严重的低效率。但是这种体系迅速用于非直线构成的、闭合的平面形式的变化, 包括圆形、六边形、三角形和其他多边形。最有效的形状是方形, 而三角形筒具有最低的固有的效率, 外筒体高的抗扭刚度特征在不对称形状的结构中具有优点。

工程举例:美国纽约Carnegie Hall 塔楼(见右图) , 地上62 , 地下1 层。地上高度为230. 7m , 采用并立的混凝土筒体结构。北立面宽15. 2m , 南立面宽22. 9m

 

5 混合体系

高层建筑曾被传统设计成采用单一的抵抗侧向荷载体系—— 最初为简单抗弯框架, 而后为剪力墙体系和框筒。直到出现经济的、便于使用的和高容量的计算机硬件和软件前, 结构体系不得不用手算解决或用容量有限的机器进行计算机分析。现在计算机容量已不是问题, 而结构体系将根据其对建筑的外观和功能效果以及建筑的可建造性来决定。这不是提出任何事物都是可接受的——工程师必须清楚在建筑刚度上造成突变, 不同的轴向缩短的长期影响, 以及采用混合体系(hybrid system ) 和多种材料的影响。

混合体系的一个优秀例子是新加坡海外联合银行中心(Overseas Union Bank Center) , (见右图)在此采用钢框架, 这是因为它轻, 能跨越大跨, 构件尺寸小, 没有徐变收缩, 并和剪力墙组合, 因后者很经济有效地提供侧向刚度。

另一获得普及的混合结构形式是钢管混凝土柱, 它能保持钢桁架的易于建造, 而高强混凝土承受轴向荷载能力是经济有效的, 钢管对混凝土提供约束较普通配筋约束有效, 而且它是在最外面, 在此是最有效的。当然防火必须考虑, 如果钢管考虑在火灾中“牺牲”, 内部配筋足以承担对防火极限状态正常规定降低的荷载, 这将是安全的。如果提供外部防火, 则可不需内部配筋。如果混凝土可以从每次浇注的基地泵送到柱内, 则许多层可同时浇注且不需混凝土的振动。例如美国西雅图双联合广场塔楼即是采用4 根直径为3105m 的钢管混凝土柱。

随着高强混凝土(50M Pa 以上的混凝土) 的出现,“超级柱”阶段已经到来, 在此大型混凝土构件的刚度和减震能力与钢框架的轻巧和易于建造相结合。含有硅粉和高效减水剂的高强混凝土表现出明显低的徐变和收缩, 因而很快地适应于混合框架。高强混凝土相对的廉价和大型构件不需要大型起重机(如果泵送, 任何起重机费用全然不需) 意味着柱子可以经济地按刚度而不是按强度设计。

混合结构作为一种能动的设计方法是值得考虑的。用钢筋混凝土构件控制高层钢结构的位移和动力性能提供一个有效的可供选择的结构体系, 它将使设计者在其它支撑体系为无效的或在建筑学上为不能接受时, 能充分利用高屈服点钢的容许应力。混合结构体系可用同一种材料——钢或混凝土或钢筋混凝土组合材料建造, 也可用混合材料建造。

5. 1 支承重力体系

深圳地王大厦68 , 屋顶1 , 地下室3 , 到楼板顶高325m , 到桅杆顶高384m68 层塔楼由中心钢筋混凝土芯墙和在4 个水平上与刚性的钢外伸结构连接以及在每层上与次梁连接的周边刚性钢框架组成。楼板采用密排的钢梁和单向板。竖向结构由中心芯墙和建筑周边的刚性钢框架组成。中心芯墙承受部分重力荷载。而在中心成对钢柱中其余重力荷载传至第3 层水平则由巨型钢桁架承受, 这种钢桁架则支承在A 2型钢支撑和刚性的钢筋混凝土门架上。巨型钢筋混凝土门架和A 型钢支撑从地上到第3 层直接传递全部竖向荷载于沉箱基础。全部钢柱从第3 层上的上部结构逐步结束于巨型钢筋混凝土门架和基础与第3 层间的柱中。典型的办公楼面, 板厚120mm , 在临时铺板上建造。因为机械和电的设备将安装在某避难层上, 这些楼板必要时将加厚。

5. 2 抗侧力体系

芯墙和刚性钢框架将联合抵抗由风和地震引起的侧向作用。各层楼板作为刚性横隔传递水平剪力于抗侧构件。通过楼面水平处的刚性横隔, 引起的水平剪力作用于芯墙和在每层上带有带式桁架的刚性框架上。由层间剪力引起芯墙的倾覆力矩由于在4个水平上的外伸钢桁架而显著降低。大部分倾覆力矩通过外伸体系作为轴向力传递至周边柱内。巨型钢筋混凝土门架和A 型钢支撑从地面上至第3 层直接传递轴向力和由侧向荷载引起的弯矩于基础。中心芯墙传递侧向荷载引起的轴向力和弯矩于基础。但是由侧向荷载引起的作用于塔楼的总水平剪力通过地面上水平的800mm 厚刚性板传至地下室墙。

6 总结

高层建筑在结构体系上的倾向是充分利用塔楼的质量、宽度和潜在的效率。举例说明在这些建筑体系中的相似性在很多不同条件下工作的设计概念。下面列出其共同特点:

(1) 组合构件。

(2) 对超级柱采用高强混凝土和组合结构。

(3) 为侧向刚度而设的支撑或芯墙。

(4) 采用主动和被动减振体系。

(5) 应用较好的分析工具和试验设备。

今天有一种较大的倾向, 即采用混合体系和混合材料(m ix material) , 特别是混凝土和钢。在所有的项目中采用组合钢和混凝土楼面体系除有效利用材料外, 体系的自支撑适合快速施工要求。高强混凝土的改进已使重柱得到广泛的应用,证明这是获得轴向强度和刚度以及进一步获得抗弯刚度的经济途径。

利用设支撑的框架或剪力墙代替抗弯框架的倾向也是显然的。这些体系本身是较刚性的, 因而采用它们来满足位移和加速度极限的要求是较经济的。支撑和墙体较框架局部地受到限制, 特别是当支撑伸入内部空间时。但支撑和芯墙有发展其它灵活性机会。一个这样例子是支撑式塔楼外墙, 此处柱可能较框架筒需要粗大的截面小很多。

另一在高层建筑性能上的改进是应用减震体系。主动减震体系已首次在美国改型的波士顿汉考克塔楼中(60 , 241m , 钢结构, 1973 年建成) 应用。而在1972 年建成的纽约世界贸易中心则是首次采用被动减震体系。现在应用这些体系正变得较为普通了。拟议中的日本清水建设塔楼则建议采用一种主动减震体系(HMD)。改进分析工具,即以能承受的价格采用较大功率的计算机, 振动台和风洞两种试验设备的改进也有助于了解这些新体系的性能及其实用性。对地震运动, 基础隔离体系,以及控制风运动的调频质量阻尼器体系现在在国外发达国家已是普通的设计考虑。另一些体系, 例如用先进的微信息处理机的建筑结构的主支用。

 

 

 

参考文献:

1高层建筑结构设计特点 王守忠 (中交一航院 天津 300222)

2高层建筑结构体系 丁大钧  (东南大学  210096)

3】混凝土结构发展 丁大钧 中国建筑工业出版社 1994

 

 

 

 

 

 


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高层建筑结构类型及受力

高层结构的主要结构形式有:框架结构,框架—剪力墙结构,剪力墙结构,框支剪力墙结构,筒体结构等。

一、框架结构

框架结构因其受力体系由梁和柱组成,用以承受竖向荷载是合理的,在承受水平荷载方面能力很差。因此仅适用于房屋高度不大、层数不多时采用。因当房屋层数不多时,风荷载的影响很小,竖向荷载对结构的设计起控制作用,但层数较多时,水平荷载将起很大的影响,会造成梁、柱的截面尺寸很大,在技术经济上不如其他结构体系合理。

 

 

采用框架结构的建筑如北京的长富宫饭店,地下2层,地上26层,地面上总高度为90.85m。(右图)

 

 

 

北京长城饭店

 

 

还有长城饭店主楼,地下2层,地上22层,地上总高度为82.85m。(右图)

 

 

 

二、框架—剪力墙结构

中天大厦 效果图,点击看大图剪力墙即为一段钢筋混凝土墙体,因其抗剪能力很强,故称为剪力墙。在框架—剪力墙结构中,框架与剪力墙协同受力,剪力墙承担绝大部分水平荷载,框架则以承担竖向荷载为主,这样,可以大大减小柱子的截面。

剪力墙在一定程度上限制了建筑平面布置的灵活性。这种体系一般用于办公楼、旅馆、住宅以及某些工艺用房。

 

 

框架剪力墙结构抗八级  地震层。(左图)

 

 

 

广州中天大厦(办公楼)为80层的框架—剪力墙结构。(右图)

 

三、剪力墙结构

当房屋的层数更高时,横向水平荷载已对结构设计起控制作用,如仍采用框架—剪力墙结构,剪力墙将需布置得非常密集,这时,宜采用剪力墙结构,即全部采用纵横布置得剪力墙组成,剪力墙不仅承受水平荷载,亦用来承受竖向荷载。

剪力墙结构因剪力墙的存在,其空间分隔固定,建筑布置极不灵活,所以一般用于住宅、旅馆等建筑。

广州的白云宾馆(建于1976年),地上33层,地下一层,高112.45m,采用钢筋混凝土剪力墙结构,是我国第一座超过100m的高层建筑。

 

 

 

 

四、框支剪力墙结构

现代城市的土地日趋紧张,为合理利用基地,建筑商常常采用上部为住宅楼或办公楼,而下部开设商店。这两种建筑的功能完全不同,上部住宅楼和办公楼需要小开间,比较适合采用剪力墙结构,而下部的商店则需要大空间,适合采用框架结构。为满足这种建筑功能的要求,必须将这两种结构组合在一起。为完成这两种体系的转换,需在其交界位置设置巨型的转换大梁,将上部剪力墙的荷载传到下部柱子上。这种结构体系,称之为框支剪力墙体系。

框支剪力墙结构中的转换大梁一般高度较大,常接近于一个层高。因此,该层常常用做设备层。上部的剪力墙刚度较大,而下部的框架结构刚度较小,其差别一般较大,这对整体建筑的抗震是非常不利的,同时,转换梁作为连接节点,受力亦非常复杂,因此设计时应予以充分考虑,特别是在抗震设防要求高的地区应慎用。

 

 

五、筒体结构

筒体结构是由一个或多个筒体作承重结构的高层建筑体系,适用于层数较多的高层建筑。

筒体在侧向风荷载的作用下,其受力类似于刚性的箱型截面的悬臂梁。迎风面将受拉,而背风面将受压。

筒体结构可分为框筒体系、筒中筒体西,行架筒体系、成束筒体系等。

1、框筒体系

指内芯由剪力墙构成,周边为框架结构的筒体,如深圳的华联大厦(建于1989年),地上26层,地下1层,高88.8m。(右图)

2、筒中筒体系

当周边的框架柱布置较密时,可将周边框架视为外筒,而将内芯的剪力墙视为内筒,则构成筒中筒体系,如广东国际大厦(建于1990年),地上63层,地下3层,高200.18m

3、行架筒体系

在筒体结构中,增加斜撑来抵抗水平荷载,以进一步提高结构承受水平荷载的能力,增加体系的刚度。这种结构体系称为行架筒体系。如香港中国银行大厦(建于1990年),平面为52mX52m的正方形,70层,高315m,至天线顶高为367.4m。上部结构为4个巨型三角形行架,斜腹杆为钢结构,竖杆为钢筋混凝土结构。钢结构楼面支承在巨型行架上。4个巨型行架支承在底部三层高的巨大钢筋混凝土框架上,最后由4根巨型柱将全部荷载传至基础。4个巨型行架延伸到不同的高度,最后只有一个行架到顶。

4、成束筒体系

成束筒体系是由多个筒体组成的筒体结构。最典型的成束筒体系建筑应为美国芝加哥的西尔斯塔楼(建于1974年),地上110层,地下3层,高443m,加两根电视天线高475.18m,采用钢结构成束筒体系。1~50层由9个小方筒连组成一个大方形筒体,在51~66层截去对角线上的2个筒,67~90层又截去另一对角线上的另2个筒,91层以上只保留2个筒,形成立面的参差错落,使立面富有变化和层次,简洁明快。

 

高层建筑新技术及其发展历史

人类自古不但有建造高层建筑的愿望,而且有建造高层建筑的实践。上古时期,巴比伦城的巴贝尔塔(高约)和亚历山大港的灯塔(高约),古罗马时期马城中的高层建筑,以及遍布我国各地的各种木塔、石塔、砖塔和铁塔等就是它们的代表。不过这些高层建筑大多不是出自于居住或商业交往的需要而建造,采用的建筑材料主要是砖块、石料或木材,而且缺乏现代化的垂直交通运输工具和防火、防雷设备,因而使它的发展受到很大限制。随着工业的迅速发展和经济的繁荣,城市人口迅猛增加,城市用地日趋紧张,人类才有了建造高层建筑以满足居住以及商业交往的真正需要。科学技术的发展、钢铁和水泥的问世,电以及电梯 的发明,为高层建筑的发展提供了有利的条件。因此,出现了以钢铁和混凝土为建筑材料,采用框架结构或剪力墙结构承重的近代高层建筑。

以下主要以我国的高层建筑展开叙述。

一、高层建筑发展概况

解放前,在上海、广州、天津等城市,由国外设计建造了少量高层建筑。新中国成立后,五十年代我国开始自行设计建造高层建筑,如北京的民族饭店(14 层)、民航大楼(16层)等。六十年代建成的广州宾馆(27层),其高度与解放前最高的上海国际饭店相同。七十年代北京、上海、广州等地建成了一批剪力墙结构住宅和旅馆。1975年广州白云宾馆(剪力墙结构33层、112)的建成,标志着我国自行设计建造的高层建筑高度开始突破100。八十年代我国高层建筑发展进入兴盛时期,十年内全国(不包括香港、澳门、台湾)建成10层以上的高层建筑面积约4000万平方米,高度100以上的共有12幢。 1985年建成的深圳国际贸易中心(筒中筒结构、50层、160)是八十年代最高的建筑。九十年代我国高层建筑进入飞跃发展的阶段。截至1998年末,全国(不包括香港、澳门、台湾)建成的10层以上高层建筑面积约2亿5千万平方米,高度100以上的高层建筑达200幢,其中150以上的100幢, 200以上的20幢,300以上的3幢,最高的上海金茂大厦88层、365、塔尖高度4201995年发布的世界最高的100栋建筑中上海金茂大厦、深圳地王大厦(81层、325)和广州中天广场(80层、322)分别列为第41314名。另有460高的上海环球金融中心正在建造中。特别值得提及的是,我国的超高层建筑绝大多数建于地震区。

二、高层建筑结构体系的多样化和复杂性

七十年代以前,我国的高层建筑多采用钢筋混凝土框架结构、框架剪力墙结构和剪力墙结构。

进入八十年代,由于建筑功能以及高度和层数等要求,筒中筒结构、筒体结构、底部大空间的框支剪力墙结构以及大底盘多塔楼结构在工程中逐渐采用。

九十年代以来,除上述结构体系得到广泛应用外,多筒体结构、带加强层的框架筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等也逐渐在工程中采用。

为适应结构体系的多样化,结构材料向多样性发展,八十年代以前高层建筑主要为钢筋混凝土结构。进入九十年代后,由于我国钢材产量的增加,钢结构、钢混凝土混合结构逐渐采用。如金茂大厦、地王大厦都是钢混凝土混合结构。此外,型钢混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建筑中也正在得到广泛应用。高层建筑结构采用的混凝土强度等级不断提高,从C30逐步向C60及更高的等级发展。预应力混凝土结构在高层建筑的梁、板结构中广泛应用。钢材的强度等级也不断提高。

我国高层建筑早期多为单一用途,为适应建筑功能需要,向多用途、多功能发展,高层建筑平面布置和立面体型日趋复杂。

结构平面形式多样,如三角形、梭形、圆形、弧形,以及多种形式的组合等亦多采用。高层建筑立面体型亦有丰富的变化,立面退台、部分切块、挖洞、尖塔、大悬臂等,使高层建筑的刚度沿竖向发生突变。

由于建筑功能的改变,使结构体系、柱网发生变化,因此主体结构要发生转换,即由上部剪力墙结构到下部筒体框架或框架剪力墙结构的转换;或主体结构由上部小柱网、薄壁柱到下部大柱网的转换。

结构体系的转换及立面体型变化丰富的结构在地震区建造难度较大,还有待于进一步深入研究,并经历强震的检验。

三、高层建筑结构设计方法不断创新

高层建筑结构的分析计算已基本告别传统的手工计算而采用计算机程序计算,基本上都采用三维空间结构分析计算程序。常用的计算分析模型有,空间杆薄壁杆件分析模型、空间杆墙组元模型及空间杆壳元分析模型。

有些程序可考虑楼板变形进行结构分析计算,能更真实反映复杂结构的受力特点。除可进行钢筋混凝土结构计算外,有些计算分析软件还可进行钢结构、钢混凝土混合结构的计算。

弹性动力时程分析的程序已相当成熟,一般以层模型进行动力时程分析,可输入各种类型的地震波,求得结构的位移与内力。

弹塑性分析计算近几年已开始进行,已初步开发出一些可应用于工程设计的程序,包括弹塑性静力分析、层模型动力分析、杆模型平面结构动力分析等程序。

对结构体系进行了大量的研究工作。从1974年开始对剪力墙结构进行了大量的试验研究,逐步形成了高层剪力墙结构体系;为适应高层住宅底部设置商业服务设施等要求,从1980年开始进行了底层大空间,上层为大开间剪力墙结构体系的研究。进入八十年代,为完善筒体结构的计算方法与设计,我国进行了一些复杂的筒中筒结构的有机玻璃模型试验。近年来对复杂体型的高层建筑如带有转换层、刚性层的结构错层结构、连体结构等进行了一批模型振动台试验。为了解钢混凝土混合结构的抗震性能,进行了带有转换层、刚性层的钢筋混凝土内筒、周边为钢框架的模型试验。另外对复杂体型的高层建筑进行了风洞试验。通过试验研究与分析,提出了相应的设计建议,并作为规范条文修订的依据。

在总结科研、设计、施工的基础上,1980年颁布施行了我国自行编制的《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定(JZ102-79)》,通过实践应用又积累了更多的经验,在1991年修改为《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)》。九十年代以来由于钢结构、钢混凝土混合结构的兴建,1998年我国编制了《高层民用建筑钢结构技术规程 (JGJ99-98)》。最近由于体型复杂的高层建筑增多及超过200的超高层建筑的出现,需要对《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3- 91)》进行修订,修订后名称为《高层建筑混凝土结构技术规程》,内容将包括:总则、荷载和地震作用、常规高度结构设计的一般规定、结构计算分析、框架结构设计、剪力墙结构设计、框架剪力墙结构设计、筒体结构设计、复杂高层建筑结构设计、混合结构设计、超高层建筑结构设计、基础设计、高层建筑结构施工等,将更适合高层建筑结构的设计应用。其中按建筑物的高度、结构体系、抗震设防烈度可确定各类构件的抗震等级,从而按各类构件的延性要求,确定各构件的截面配筋设计及构造要求,以确保其良好的抗震性能。

四、高层建筑结构施工技术迅速发展

高层建筑由于对抗震、抗风的要求高,且建筑多样化,层数、高度日益提高,九十年代以来国内高层建筑的施工方法是以全现浇钢筋混凝土施工为主体,另外由于钢结构和钢混凝土混合结构的兴建,需辅以此类结构的预制安装方法和多种混合施工方法。

高层现浇钢筋混凝土施工技术着重解决了模板、混凝土、钢筋3个方面的施工新技术。九十年代国内采用4种类型支模方法:即采用中、小模板、大模板、滑模、爬模,各种模板均有其优缺点和适用范围,今后要向标淮化、工具化方向发展。

高层建筑采用的混凝土强度等级已由常用的C30 C40逐步向 C50C60C80及更高的强度等级发展。高强高性能混凝土的生产要有严格的质量控制与管理措施,应由工厂预拌生产。国内预拌商品混凝土近年发展很快,约占全部混凝土总量的21%.高层建筑还需要解决泵送混凝土问题,1997年可用国产混凝土拖式泵一次泵送到200以上高度。

在普及C50C60级混凝土的工程应用,扩大 C70C80级的工程试点的同时,开发配制C100级高强混凝土。主要手段是在常规水泥、砂石的基础上,依靠化学外加剂和矿物掺合料来降低混凝土用水量和改善微观结构,使混凝土更加致密并获得高强。1995年以来C80混凝土已在辽宁、上海、北京、广州个别工程中局部试用。1997年国内建筑业应用高强混凝土776万立方米,占全部混凝土总量的4.6%.

在高层建筑基础采用大体积混凝土施工技术方面取得了经验,其主要措施为:减少水泥水化热,采用较低水化热水泥,掺粉煤灰和减水剂,提高砼抗拉强度;采用泵送预拌混凝土、分段、分层连续作业的合理浇捣方法,并及时养护及进行测温监控。新上海国际大厦基础底板76×72,主楼底板厚3.5,裙楼底板厚3,不设结构缝,采用C30混凝土斜面分层浇筑,每层厚度不超过50厘米17000立方米混凝土共用64小时,一次浇筑到顶,刮平养护后未发现裂缝。

对于14—40毫米粗钢筋的连接,从八十年代至今研究开发了4种连接技术;电渣压力焊,套筒挤压连接、锥螺纹连接、直螺纹连接,均在工程中得到应用,并迅速推广。

从五十年代到八十年代,主要对混凝土预制装配框架、装配式大板、升板、盒子结构等预制安装技术进行了研究,取得了一定成效。从八十年代至今由于钢结构、钢混凝土混合结构的兴建,钢结构安装技术有了新的发展。主要以塔式起重机为主机进行安装,高强螺栓连接已取代铆接和部分焊接。钢结构还需解决防火、防锈、防腐等问题。深圳佳宁娜友谊广场两座33层公寓楼相距25.2,在其顶部由8层高钢结构连成整体,总重8500KN,采用卷扬机高空平移法施工,获得成功。

高层建筑施工技术在迅速发展,在即将跨入的21世纪将继续保持这种发展趋势。

 

 

 

 

 

 


附:一些高层建筑

★莫斯科世界第一摩天大楼,高度600(俄罗斯的莫斯科市政府计划在不久的将来在市区内修建一座高度为600米的世界第一摩天大楼)
★韩国国际商务中心(IBC),高度580(韩国将开始建设一座高达580的超高层建筑,这座世界上最高的大楼将于2008年落户汉城。大厦名为“国际商务中心(IBC)”,占地面积1.2万坪,总建筑面积18万坪。大楼130层,。)
★亦庄“世界第一高楼”, 高度520米(暂无名称)(这座世界第一高楼将建在北京亦庄经济技术开发区,高520米,120层,成为首都的标志性建筑。)
★上海环球金融中心,高度492,加上天线的高度将超过540?(地上101层、地下3层,将于2007年年底建成,可提供商业办公、酒店、美术馆等多种功能;世界各国和地区计算楼高的方法不一,比如台湾目前在建的“台北国际金融大厦”,它的508是把顶层天线60的高度算了进去,“我们一般按照美国的算法,不计算天线高度,因此上海环球金融中心是世界第一”。)
★北京世贸中心,高度510米(或“北京世贸大厦(500)”,规划于奥运村中的世贸中心,510米
★台北国际金融中心,高度508(台北101大楼,台北国际金融大厦,20044月建成后将写下全世界第一高楼的新纪录?“台北101508的高度中还包括60高的天线。按照国际上“建筑高度算到屋顶”的惯例,应该是448
★佩重纳斯大厦,高度452(12号大厦,即石油双子塔/石油大厦,俗称“国油双峰塔”,楼高95层,位于马来西亚吉隆坡)现位列第一
★西尔斯大厦,高度443(位于美国芝加哥,1973年竣工,由9座塔楼组合而成,地上110层,地下3层,在第103层有一个供观光者俯瞰全市用的观望台。它距地面412)现位列第二
★上海金茂大厦,高度420.5(地上88层,第88层是中国最高最大的观光厅)现位列第三
★香港中环国际金融中心,高度420(在繁华的中环交易广场附近、新近落成的国际金融中心第二期工程,以其楼高420米、88层的高度雄居香港各类建筑物之首,成为此间新地标建筑。 据悉,该建筑高度仅次于马来西亚的双子塔楼和美国芝加哥的西尔斯大楼,与上海金茂大厦一样位居全球第三高摩天大厦。)现位列并列第三
{[
世界贸易中心大厦,高度417(12号大厦或纽约“双子星座”,位于纽约;在9.11恐怖分子袭击事件中倒塌)]} 原位列第四
★广州中信大厦,高度391(即中信广场,华南第一高楼,广州市标志性建筑物,由一幢楼高80层的商业大楼和两幢38层的酒店式公寓组成)现位列第十一?
★深圳地王大厦,高度383.951996年建成)现位列第十?
中国建筑战绩辉煌。在世界排名前十的摩天大楼中,中国(包括香港、台湾)有其四。如果考虑到位列11的深圳地王和第12名的广州中信,世界最高的一打建筑,中国占一半。
★帝国大厦,高度381(位于纽约,102层)现位列第四
★中环广场大厦,高度374(位于香港)现位列第五
★中国银行大厦,高度369(中银大厦,位于香港)现位列第六
TC大厦,高度374(位于高雄)现位列第七
★阿摩珂大厦,高度346(位于芝加哥)现位列第八
★约翰·汉考克大厦,高度344(位于芝加哥)现位列第九
★上海世茂国际广场,高度333(浦西第一高楼,上海世茂集团投资30亿元,该工程预计于20044月完成,其-110层定位为南京路上全新高档购物中心,涵括餐饮、娱乐等功能,1160层为五星级世茂皇家艾美酒店)
★北京国贸三期,高度330(如果三期建成,我们的规模就会超过美国纽约的世贸中心,在全世界的贸易中心中排第一位。)
★望京大厦,高度300多米(规划于北京卫星城望京新城)
  排名第四的纽约“双子星座”毁于“9.11”恐怖事件。但随着预定高度492的上海环球金融中心的建设完成,世界范围内的超高层建筑排名将重新改写。

 

 

校核:徐延昊

 


李肖肖  2003010094

总结高层建筑结构大的主要结构类型、受力特点以及采用的新技术,并简述其发展历史。

A概况及发展历史:

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物,是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。城市人口集中,用地紧张,以及商业竞争的激烈化,促使近代高层建筑的出现和发展。随着经济和技术的发展,建筑物逐渐向空中发展,发展速度很快,特别是近20年来,各式各样的高楼,在世界各的拔地而起,其规模之大,数量之多,技术之先进,造型之别致,令人叹为观止。

科学和技术的发展动力来源于社会的需求。高层加注之所以有如此强大的生命力,其原因在于社会需求是其“能源”,社会需求正在推动着它高速发展。

高层建筑结构由于承受垂直荷载与水平风荷载及地震的共同作用,其高度越高,水平作用的影响就越大,对结构设计来讲选用一种具有适当刚度的结构体系则是设计的关键,从国内现有的设计与施工水平的实际状况来看,如下几种结构体系有可能在设计中被采用:钢筋砼结构、钢结构、钢-钢筋砼混合结构(这类结构日本称为钢骨钢筋混凝土结构,苏联称为劲性混凝土结构,我们简称为钢混结构)。现就这几种结构体系各自特点,通过比较结构的受力特点与结构刚度的大小,所采用结构技术的先进性等综合因素及每种结构体系对建筑使用功能的适用性,特作如下分析:
从结构体系上看,早期多采用钢筋砼纯框架结构。由于它平面布置灵活,空间大,能适应较多功能的需要,因此成为高层建筑的主要结构形式。如早期的北京饭店、上海的国际饭店等,以及后期的长城饭店等。但是,这种结构的侧向刚度较小,在一般节点连接情况下,当承受侧向的风力或地震作用时,将会有较大的侧向变形。因此,限制了这种结构形式的高度和层数。

为了满足更高层数的要求,结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求,出现了较高层数的剪力墙结构,如广州的白云宾馆和前三门工程,都采用了这种结构形式。剪力墙结构以良好的侧向刚度和规整的平面布置,按照功能要求,设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙,无疑它对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的,因此,它所允许建造的高度可以远远高于纯框架结构。剪力墙结构的不足之处在于,平面布置的灵活性较差,使用上亦须受到一定限制。因此,它的适应范围较小,仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。

建筑功能要求有较大的灵活性,但同时又能满足风和地震作用的考验,取纯框架和剪力墙结构两者之长,形成了框架剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点,而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力,结合后的结构体系可广泛满足一般建筑功能要求,在适当位置设置一定数量的剪力墙,既是建筑布置需要,又是结构抗侧力需要。因此,框架剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽,是一种较好的结构体系。如北京饭店东楼、北京国际大厦、上海展览中心北馆、上海扬子江大饭店等。
钢筋砼筒体结构的出现主要是为了满足高层建筑更高层数的要求。筒体结构可以是内筒(以封闭的钢筋混凝土剪力墙形成空心悬臂梁)外框(以密排柱形成框架),因此亦称框筒结构。也可以是内筒和外框架筒(以密排柱和梁形成框架筒),又可称筒中筒结构。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能,在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势。筒体结构所具有的刚劲的抗侧力刚度,使其为众多高层和超高层建筑结构所采用。如北京国贸中心大厦、北京新华社大楼、深圳国贸中心大厦、上海电信大楼以及广东国际大厦等。

钢结构具有承载力高,自重轻,占地面积小,使用空间大,工业化程度高,施工速度快,抗震性能好,基础费用省等优点。国内采用钢结构的高层建筑有1996年建成的上海世界广场(42层),为框架-支撑结构,1991年建成的京城大厦(39层)为框架-剪力墙结构。
为了发挥钢结构和钢筋混凝土结构各自的优越性,由两者结合形成的钢-钢筋砼混合结构成为超高层建筑的重要发展趋势。这一结构体系发挥了钢结构自重轻、强度高、使用空间大、施工速度快与钢筋砼结构刚度大、造价低等优点,是一种很好的结构体系,在高层建筑结构设计中得到了越来越广泛的应用,这种结构体系适合目前我国经济发展水平。深圳1996年建成的地王大厦(81层)由钢框架-钢筋砼筒体组成的钢-钢筋砼混合结构,上海1988年建成的希尔顿酒店(43层)由钢框架-钢筋砼芯筒组成的钢-钢筋砼混合结构。

B受力特点:

整体工作特性、水平和在影响较大、构件需要考虑多种变形的影响

C结构类型:

(a)框架结构

框架结构是同一平面内由水平横梁和竖柱通过刚性节点连接在一起,形成矩形网格的形式。框架结构体系是指沿房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件所形成的结构体系。

框架结构平面布置灵活,可以提供较大的内部空间,建筑立面容易处理,结构自重较轻,构建简单,施工方便,计算理论比较成熟。但是框架结构本身的柔性大,抗侧力能力比较差,风荷载作用下会产生比较大的位移;地震荷载作用下,非结构部件破坏严重,应控制建筑物的层数和高度。

受力特点:框架在水平力作用下,在竖向构件的柱和水平构件的梁内均引起剪力、轴力和弯矩,使梁、柱产生变形。当框架的层数不太多时,框架的侧移主要是有整体的剪切变形引起的,整体的弯矩影响甚小。

附图如下:

采用框架结构体系的建筑

框架结构体系

民用建筑的柱网布置

框架结构典型平面

(b)剪力墙结构体系

钢筋混凝土剪力墙结构是指用钢筋混凝土墙板来承受竖向荷载和水平荷载的空间结构,墙体亦同时作为维护和分隔构件,由于墙板街面惯性矩较大,整体性能好,因此剪力墙体系的侧向刚度很大,能够承受相当大的水平荷载。剪力墙结构体系抗侧力能力强,变形小,抗震能力好。

剪力墙结构体系中的纵墙和横墙,在水平荷载作用下,工作状态犹如一根底部嵌固于基础顶面的悬臂深梁,墙体是在压、弯、剪的负荷状态下工作的。水平力通过与力平行的、如同水平隔板一样作用的楼面板分配到剪力墙。这些剪力墙引起刚度很大,犹如深梁,可通过剪力和受弯来抵抗倾覆。

附图如下:

钢筋混凝土剪力墙结构

剪力墙结构体系中墙体的受力状态

框架结构典型平面

 

(c)框架—剪力墙结构

框架—剪力墙是一种在框架结构中,适当位置布置适当数量剪力墙形成的结构体系。各榀框架和各片剪力墙是抗侧力构件,在竖向荷载下二者(框架及剪力墙,此处指抗侧力构件)承担各自传递范围内的楼面荷载。

两种结构受力特点和变形性质不同,在水平力作用下,剪力墙是竖向悬臂弯曲结构,变形呈弯曲形;框架变形曲线为剪切形。通过平面内刚度无限大的楼板连接起来,水平位移协调一致。

附图如下:

框架结构典型平面

框架剪力墙结构

(d)框架—核心筒结构

与框架—剪力墙结构无本质区别。框架—筒体结构实际上就是在框架内的一定位置上,设置剪力墙内筒,外周为一般框架,其平面形状较为自由、灵活多样。但为了尽可能减少水平力作用下的扭转,还是应尽可能采用具有对称轴的简单、规则平面。

(e)框筒结构

将建筑物的外围钢筋混凝土墙体做成一个大筒体,它具有很大的抗侧刚度,由于需要开窗,在墙体上开洞而形成了“梁”和“柱”,外形与框架相似,但高度大(即窗裙梁),柱的间距小,形成密柱深梁组成的空腹筒结构,称之为框筒。

框筒结构体系

行架式筒体结构

(f)筒中筒结构

同种筒结构是由两个筒体作为竖向承重和抗侧力结构的高层结构体系,是框筒结构与核心筒的结合。一般而言内部核心筒是利用电梯间、楼梯间和设备间等墙体构成。

另外还有在建筑平面内设置多个RC筒的多筒结构,和由多个筒体并联而成,具有很大刚度,可建造很多层数和很大高度的建筑物的成束筒结构。

附图如下:

筒体结构底部柱的转换

西尔斯大厦1

西尔斯大厦2

筒中筒结构

 

(g)悬挂结构

悬挂结构是以核心筒、刚架、拱等作为主要承重结构,全部楼面均通过钢丝束、吊索牢牢挂在上述承重结构上所形成的一种新型结构体系。

悬挂结构充分利用了支撑精通的混凝土抗压性能和刚吊杆的抗拉性能,具有自重轻,用钢量小,有效面积大等优点。

对于震区高楼结构,采用多筒悬挂体系,可以减小地震作用,有利于提高结构的抗震可靠度。

附图如下:

悬挂式结构

香港汇丰银行的悬挂式结构

(h)巨型框架结构

举行框架结构是一种“大”框架与“小”框架的组合体,“大”框架(即举行框架)利用筒体做柱子,“大框架”的梁即为巨型梁(巨型梁的间距为几个楼层或十几个楼层,举行亮的截面高度为一个楼层或几个楼层高),筒体和巨型梁组成巨型框架结构,即“大”框架,在“大”框架内部套有“小”框架,所谓小框架,既有普通尺寸的梁、柱构成普通层高的次框架,“小”框架不抵抗侧向力,只承受竖向荷载并将它传给巨型框架梁。

(i)巨型行架结构

由巨型斜杆组成巨型行架,作为高层建筑的主体结构。

(j)刚性横梁或刚性行架结构

见附图。

以上三种结构形式附图如下:

巨型框架结构

巨型行架结构

刚性横梁或刚性行架结构

D按材料分:

(a)钢结构

发展趋势:构件立体化,巨柱周边化,结构支撑化,体型圆锥化,材料高强轻型化,动力反应智能化。

(b)钢筋混凝土结构

钢筋—混凝土结构体系是采用钢结构和混凝土结构的组合建筑物,共同作用以抵抗全部水平荷载和竖向荷载。

高层建筑合理高度:

高层钢筋混凝土结构体系可能达到的楼层高度

高层钢结构体系可能达到的楼层高度

 

注:因“木行”无法输入,本文中“行架”中“行”代替“木行”。

 

参考资料:

《建筑工程抗裂堵漏》  河南科学技术出版社  张廷荣 贡浩平 芮永升 孙世龙

《高层建筑钢结构》  中国建筑工业出版社  土木工程专业系列选修课教材编委会

《高层钢—混凝土组合结构》  华南理工大学出版社  钟善梧

《高层建筑结构设计》  黑龙江科学技术出版社  原长庆主编 李小倩主审

《多高层建筑结构设计》  重庆大学出版社  宋天齐

《高层建筑结构设计原理》  西南交通大学出版社  彭伟

其它部分资料摘自Internet:网易建筑/土木在线  http://co.163.com/

 


 

 

 

 

高层建筑概述

徐延昊  2003013269

 

 

 

 

 

 

 

                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

一、高层建筑的发展历史

 

1.高层建筑诞生   

     18世纪末至19世纪末,欧洲和美国的工业革命带来了生产力的发展与经济的繁荣。这时期,城市化发展迅速,城市人口高速增长。为了在较小的土地范围内建造更多的使用面积。 建筑物不得不向高空发展。另一方面,钢结构的发展和电梯的出现则促成了多层建筑的大量 建造。
      19
世纪初,英国出现铸铁结构的多层建筑(矿井、码头建筑),但铸铁框架通常是隐藏在砖石表面之后。1840年之后的美国,锻铁梁开始代替脆弱的铸铁梁。熟铁架、铸铁柱和砖石承重墙组成笼子结构,是迈向高层建筑结构的第一步。
       19
世纪后半叶出现了具有横向稳定能力的全框架金属结构。幕墙概念产生,房屋支撑结构与围护墙分离。在建筑安全方面,防火技术与安全疏散逐步提高。六十年代,美国已出现给排水系统、电气照明系统、蒸汽供热系统和蒸汽机通风系统,1920年代出现空调系统。由于乘客电梯的出现,建筑突破5层的高度限制(徒步可行的登高距离)。1845年奥迪斯 在纽约举办安全电梯展览。奥迪斯令人信服地演示他的发明,切断缆绳,电梯箱仍安全地悬挂在半空中。1857年在纽约城百货公司安装了第一台蒸汽驱动安全电梯。18世纪70年代,蒸汽电梯被更快的水力电梯取代。1890年奥迪斯发明了现代电力电梯。
      1870 
年后,高层建筑的技术发展进入了新的阶段。纽约公正生命保险大厦被认为是高层建筑的早期版本,因为除了高度和结构外,它采用了几乎全部必需的高层建筑技术元素。建筑采用装饰性的法国双重斜坡屋顶,虽只有5层,但高度达到130英尺,并且在办公楼中首次使用电梯。可以说它是电梯建筑或原始高层建筑的最早实例。 1871年芝加哥发生火灾,建筑中铁部件的失败教训促成了建筑防火设计的进步。建造者 开始在铁梁和铁柱外面覆盖面砖,并应用空心砖楼板,提高金属骨架的耐火性能。1879年,威廉·詹尼设计第一拉埃特大厦,这个七层货栈是砖墙与混凝土混合结构。1880 年巴黎建起高312m 的埃菲尔铁塔,1889年工程师埃菲尔在铁塔的斜腿上使用了双轿箱的水力电梯,其中一部能到塔顶。 终于在1885年,真正的高层建筑诞生了--10层高的芝加哥家庭生命保险大楼建成。结构上没有承重墙,整个建筑的重量由金属框架支撑,圆形铸铁柱子内填水泥灰,16层为鍛铁工字梁,其余楼层用钢梁。标准的梁距5英尺,支撑砖拱楼板。砖石外立面,窗间墙和窗下墙为砖石构造,像幕墙一样挂在框架之上。建筑史称它为"钢铁结构进化中决定性的一步" 从此高层建筑经历了一个多世纪的蓬勃发展  

 

220世纪初高层建筑的发展  

20 世纪初,由于美国经济中心的转变,高层建筑的建设中心,也从芝加哥转移到了纽约。社会经济实力的发展,人口的集中,攀比心理和商业广告效应的做崇,都促使美国的高层建筑竞赛大大加快,建筑高度大幅攀升。纽约的大都会人寿保险公司大楼 Metropolitan Life Tower 50 层, 206m 1909 年)是世界上第一幢高度超过 200m 的摩天大楼,也是人类有史以来,第一座超过古代埃及金字塔和乌尔姆教堂塔楼的实用性建筑物。

但是,好景不长,这一记录只保持了 4 年,便又被渥尔华斯大楼( Woolworth Building 52 层, 241m 1913 年建成)打破。而 1929 年建成的克莱斯勒大楼( Chrysler Building 77 层, 319m )又再破建筑的高度记录,成为超过 300m 的建筑,而此时高层建筑的出现才仅仅半个世纪,然而建筑高度的升幅却超过了已往。至 1931 年帝国大厦( Empire State Building 120 层)建成,建筑高度更达到了 381m ,超过了埃菲尔铁塔成为世界第一高楼,而这一世界纪录一直保持了 40 余年,美国也成为继欧洲之后的世界建筑高度纪录保持者。

与美国相对,这段时间世界其它地区高层建筑的建设却少得多,甚至一些国家还限制高层建筑的建设,对高层建筑多少都有一些抵触情绪。

欧洲由于城市建设早在工业革命之前就已经基本完成,并形成了与之相应的建筑理论,深厚的文化底蕴,使得人们对传统城市风貌的保护意识十分强烈,从而导致了许多国家在很长的时间内都用建筑法规来限制建筑物的高度。同时,第一次世界大战的破坏,也使得整个欧洲缺少发展高层建筑的经济刺激。只是到了 20 世纪 20 年代,在德国的汉堡和杜塞尔多夫,才出现了一些体量较为高大的多层建筑,然而最高的也不过 9 层,而且还建在远离传统建筑的地方。

在亚洲太平洋地区,当时经济实力最强的二个国家日本和澳大利亚,也开始对高层建设加以限制,日本是一个地震多发的国家,由于当时结构抗震理论尚未成熟,所以政府部门只有通过控制高度,来确保建筑物的安全。日本 1920 年颁布的法规规定建筑物的高度最高不得超过 31m 100 尺),这项法规在日本一直延用了 45 年。澳大利亚曾在 20 世纪初尝试过兴建高层建筑,当时最高的建筑是澳大利亚财产和投资公司大楼 Australia Property and Investment Company Building )高 12 层, 45.7m 。但是由于消防和日照等原因,很快便又对建筑物的高度加以限制。 1912 年悉尼率先实施 45.7m 150 英尺)的限高,此后墨尔本也实行了 40.2m 132 英尺)的限高制度,到 1920 年,澳大利亚的其它地区也都相继实施了对建筑高度的限制。

就在世界上大多数国家都对高层建筑加以限制的时候,我国却成了继美国之后的又一个积极探索高层建筑建设的地区。当时,中国的上海、天津、广州等地,利用西方的技术、材料,甚至直接聘请欧美建筑师进行设计,建造了一批接近当时世界水准的高层建筑。特别是上海,截至二次世界大战之前,已建有 10 层以上的建筑 28 座。 1929 年第 1 座超过 10 层的高层建筑沙逊大厦落成,高 77m 13 层,由公和洋行设计。 1934 四行储蓄会大厦(现上海国际饭店)建成,高 86m 23 层,是二次世界大战之前,中国乃至整个远东地区最高的建筑。另外,除了外国建筑师在中国设计的高层建筑之外,中国的建筑师也设计了一些很有影响的高层建筑,如 76m 高的中国银行大楼(陆谦受设计, 17 层, 1937 年建成)和 68.4m 高的广州爱群大厦(陈荣技设计, 14 层, 1937 年建成)。

 

3.二战以后世界性的高层建筑建设热潮

二次世界大战之后,随着世界经济的复苏和相关技术的日趋成熟,高层建筑的建设,在世界范围内进入了兴盛时期,世界各地的许多主要城市都建起了摩天大楼,一些主要发达国家的建筑高度都达到了 100m ,至 70 年代中期又突破了 200m

美国在此次世界性的高层建筑建设热潮中,仍然处于统领地位。这不仅是因为在高度竞赛中又再次打破了人类建筑的高度记录,突破了 400m (纽约世界贸易中心, 1973 年建成, 110 层, 417m ),而且,高层建筑的建造数量也大大增加,从几个主要城市发展到遍及美国各地。同时,在建筑设计理论,建筑材料和建筑技术等方面,美国也仍然走在世界的前列。 1974 年在芝加哥建成的西尔斯大厦 Sears Tower 110 层),又以 443m 的高度成为世界最高的建筑,并称雄世界 22 年。

在欧洲,高层建筑主要出现在一些经济中心城市,如法国的巴黎、英国的伦敦、德国的法兰克福和意大利的米兰等地。高层建筑在保守派的反对声中,突破了教堂的尖塔,成为控制城市天际线的新型标志。 1952 年在德国杜塞尔多夫建成的塞森·阿德姆大楼 Thyssen Adm Building 30 层, 160m ),是欧洲第一座高度超过 100m 的现代高层建筑,而法国的梅因·穆特帕萨斯大楼 Maine Montparnasse 64 层, 229m 1973 年建成),则是欧洲第一幢高度突破 200m 的建筑。此一时期,加拿大和澳大利亚也修改了建筑法规,成为高层建筑建设的热点地区之一,而南美的巴西在 1940 年,便已经建造出 30 120m 高的高层建筑。

日本也在解决了结构抗震这一最为辣手的问题之后,大力兴建高层建筑。建筑高度发展的速度之快,超过了欧洲各国。至 1978 阳光大厦 Sunshine 60 60 层)又以其 226.3m 的高度成为亚洲第 1 高楼。就 100m 以上高楼的建设数量而论,到 70 年代末,日本已建成 40 余座,位居世界第三,成为仅次于美国和加拿大的拥有大量高层建筑的国家。

 

4.八十年代至今亚洲的崛起

20 世纪 80 年代以后,欧美经济持续萧条,建筑业发展缓慢,高层建筑的建设处于稳定发展时期。建设的侧重点也从数量的增多,高度的增加,转化为质量上的提高。而此时 , 亚洲太平洋沿岸国家的经济发展速度 , 却开始领先于世界,尤其是该地区的人口密度极大,这就促使这一地区成为当今世界新一轮高层建筑建设的热点地区。而随着亚洲经济实力的不断增强,建筑高度的竞赛,也开始由美国转向亚洲。

继日本之后,新加坡、香港、中国、韩国、马来西来、台湾等亚洲太平洋沿岸的国家和地区,都相继出现了大规模的高层建筑建设热潮。在短短的二、三十年间,新加坡、日本的东京、中国的香港、上海、深圳等城市便已成为高层建筑的密集之地,同时高层建筑建设的数量也已经远远超过了欧美,建筑高度急起直追。

1985 年建于槟城的 Kompleles Tun Abdul Razak 大厦以 245m 的高度,打破了日本保持 7 年的亚洲第一记录。仅仅相隔 1 年,新加坡的海外联合银行中心 Overseas Union Bank Center 66 层),便又以 280m 的高度再破亚洲记录,而 1989 年在香港建成的中银大厦 Bank of China 70 层)更成为亚洲首次超过 300m 的建筑。至 1996 年吉隆坡建成佩重那斯大楼 Petronas Towers 452 m 88 层),高度突破 450m ,超过了美国的西尔斯大厦 Sears Tower )成为世界上最高的建筑。

这就说明,自高层建筑出现以来,一直由美国保持了一百多年的高度记录,已于 20 世纪未转由亚洲国家所取代。据世界高层建筑与城居委员会” 1999 年统计 ,世界上超过 400m 的高层建筑共有 6 座,其中 3 座位于亚洲,超过 300m 的高层建筑共有 20 座,也有 10 座位于亚洲,而 20 年前,亚洲却没有一幢超过 300m 高的大楼。我们可以明显地看出,亚洲地区高层建筑发展的速度之快,已经超过了历史上的任何时期。所以有人曾预言, 21 世纪的亚洲,将会成为世界高层建筑发展的中心和高度纪录竞争的热点地区。

 

二.高层建筑的受力特点和结构类型

 

高层建筑的受力特点是承受直荷载和水平荷载的作用。在低层结构中,水平荷载产生的内力很少,结构以抵抗垂直荷载产生的轴力为主;弯矩和剪力的影响较小、侧向位移很小,通常可以忽略。随着建筑高度的增加,水平荷载(风或地震力)产生的内力和位移迅速增加。高层建筑中水平荷载和自振作用将成为控制因素,高层建筑设计不但需要较大的承载能力,而且需要较大的刚度,使水平荷载产生的侧向变形限制在一定范围内,这是因为:
1)过大侧向变形会使人不舒服,影响使用。这主要是指在风荷载作用下,必须保证人在建筑物内正常工作与生活。

2)过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出裂缝或损坏,也会使电梯轨道变形。非结构性的损坏会使修复费用很高,而且填充墙等倒塌也会威胁人的生命及设备安全,因此,对地震作用下产生的侧向变形也要加以限制。
3)过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝。甚至损坏。
4)过大的侧向变形会使结构产生附加内力,甚至引起倒塌。

由于高层建筑高度较大,地震作用对它的影响也较大,在地震区,应使结构具有一定的延性。这样设计可以降低材料消耗,经济而安全。由于上述特点,高层建筑结构设计中,抗侧力结构的设计成为关键。欲使抗侧力结构具有足够的承载能力和刚度,又有好抗震性能,还要尽可能地提高材料利用率,降低材料消耗,节约造价,必须从选择结构材料、结构体系、基础形式等各方面着手,采用合理而可行的计算方法和设计方法,现代高层建筑设计主要有以下几种结构类型:

1) 框架结构

  框架是由横梁和柱通过结点而组成。框架的横梁或柱,既承受垂直荷载、也承受水平荷载。在多层和高层房屋中,根据房屋的平面布置及垂直高度空间的要求,有的是单跨多层框架,而更多的是多层多跨框架;框架可以是等跨的或不等跨的。层高可以是相同的,也可以是不相同的;个别还有错层的。

  随着房屋层数的增多和总高度的增加,水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量的控制作用就愈大,在框架结构中更加突出,因而在非地震区,框架结构最多可用到15层左右、一般控制在10层。

  框架横梁的内力,主要是剪力和弯矩,轴力较小可以忽略不计,柱的内力,主要是轴力和弯矩,而剪力较少可以忽略不计。

  框架结构的主要优点是:建筑平面布置灵活、可形成较大的空间、且在立面处理上,也易于表现建筑艺术的要求

2) 剪力墙结构

  剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力。因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其身平面内有很大的侧向刚度,属于刚性结构,能承受较大的水平荷载(剪力)、“剪力墙”即由此而得名。

  实际上,在水平荷载作用下,剪力墙是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁,主要是因墙肢的拉、压而产生“弯曲型”变形。

  剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间,建筑布置和使用都受到一定的限制,故多用于仅需小开间的住宅、公寓、旅馆等居住性建筑,在工业建筑中很少采用。

  剪力墙结构的侧向刚度大,在水平荷载作用下的侧移量少,故能适用于较高(1535层)的高层房屋。

  剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的,主要是剪力墙间距不能太大、平面布置不灵活、不能满足公共建筑的使用要求、结构自重较大。

  此外,由于剪力墙结构刚度大、吸引的地震力也大。若在配筋和构造上处理不当,在强烈地震下,可能出现整体倾复或在受力大的部位产生严重破坏。

3) 框架――剪力墙结构(简称框――剪结构)

  所谓框架-剪力墙体系,是指由框架和剪力墙共同承受竖向荷载的高层建筑结构承重体系。

  在高层建筑中,若由框架来承受水平力,显然不够经济合理,而采用剪力墙体系又难以满足使用上大开间的要求,采用框架-剪力墙体系,则二者可兼顾。它可以使建筑平面布置比较灵活,也可以满足结构在强度上和抗侧移刚度方面的要求,所以,框架-剪力墙体系在高层建筑中广为应用。

  在框架-剪力墙体系中,竖向荷载主要由框架承受,而风荷载等水平荷载则主要由剪力墙承受,在一般情况下,剪力墙要承受70~90%的水平荷载。

  剪力墙的布置应满足使用上的要求,尽量与隔墙位置相吻合。除此之外,剪力墙宜放在恒载较大处,并宜尽量均匀对称,否则,在风荷载作用下,房屋将会发生扭转。为增强房屋的抗扭能力,剪力墙宜布置在房屋各区段的两端、在平面形状或刚度有变化处,以加强该薄弱环节。

  框架-剪力墙结构方面:由于近年层数越来越多、高度加大,使得底层的墙柱内力迅速增大,如广州《广东国际大厦》钢筋混凝土结构――63层的底层柱截面达到1.8×2.2,增加了建筑布置困难、使用上亦很不方便。

  如果改用"钢管高强混凝土柱",则柱的直径减至1~1.3左右、用钢量省、造价亦可降低。现在,上海、广州及深圳新设计的超高层建筑已多采用。例如:广州的《好世界广场》就是采用了"钢管高强混凝土柱",使柱的直径大为减少。

4) 筒体结构

  所谓筒体结构,是指由一个或几个筒体作竖向承重结构的高层屋结构体系。

  筒体体系适用于层数较多的高层建筑。采用这种体系的建筑,其平面最好是正方形或者接近正方形。

  筒体体系的建筑,按筒体的形式、布置和数目上的不同,通常分下面的几种:

  1) 如果利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载,利用建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载,或利用建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构,均称为"单筒体结构"

  2) 如果外筒体和内核心筒体同时存在并共同抵抗水平荷载的结构称为"筒中筒结构"(包括双筒体、三重筒体等)。

  3) 整个建筑物的外墙由刚度很大的窗裙深梁和间距很近的密排柱形成空间网络所组成的直立多孔筒体,称为"框筒结构"

  在高层建筑平面尺寸过长,也需要设置变形缝。

下表对高层建筑各种结构的各方面进行比较:

类型

框架

框剪

剪力墙

筒体

满足建筑功能要求

灵活

灵活

有限制

较灵活

承载能力

一般

较高

一般

较高

变形

较大

较小

较大

较大

抗震评价

较好

用钢量

较多

一般

较少

一般

工期

较长

较短

较短

一般

施工方法

较复杂

方便

较方便

较复杂

施工工艺

较复杂

较简便

较简便

较复杂

造价

较高

较低

较低

较高

 

 

三、高层建筑的新技术浅谈

随着建筑技术的发展,高层建筑数量的激增,新技术新方法也在人们的探索实践中不断涌现。比如说高强混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土、预应力、钢筋连结、隔震与制振技术、轻混凝土等。下面简单介绍几种。

 

【高强混凝土】

我国在60年代初开始研制高强混凝土,并已试点应用在一些预制构件中。那时的高强混凝土为干硬混凝土,密实成型时需强力振捣,故推广比较困难。80年代后期,高强混凝土在现浇工程中采用,主要在北京、上海、辽宁、广东等一些高层和大跨(桥梁)工程中应用,强度等级相当于C60或600号。其中,辽宁省已有十余幢高层或多层建筑采用高强混凝土,深圳市92、93两年已有贤成大厦等2五个工程采用C60级高强泵送混凝土,总量已达两万立方米

高强混凝土有三大优越性:

在一般情况下,混凝土强度等级从C30提高到C60,对受压构件可节省混凝土30-40%;受弯构件可节省混凝土10-20%。虽然高强混凝土比普通混凝土成本上要高一些,但由于减少了截面,结构自重减轻,这对自重占荷载主要部分的建筑物具有特别重要意义。再者,由于梁柱截面缩小,不但在建筑上改变了肥梁胖柱的不美观的问题,而且可增加使用面积。以深圳贤成大厦为例,该建筑原设计用C40级混凝土,改用C60级混凝土后,其底层面积可增大1060平方米,经济效益十分显著。

由于高强混凝土的密实性能好,抗渗、抗冻性能均优于普通混凝土。因此,国外高强混凝土除高层和大跨度工程外,还大量用于海洋和港口工程,它们耐海水侵蚀和海浪冲刷的能力大大优于普通混凝土,可以提高工程使用寿命。

高强混凝土变形小,从而使构件的刚度得以提高,大大改善了建筑物的变形性能。

 

【轻骨料混凝土】

轻骨料混凝土是以高强轻骨料代替天然石子的一种新型的建筑材料,轻骨料混凝土由於自重轻,弹性模量低,因而抗震性能好.用它建造的建造物,在地震荷载作用下,所承受的地震力小,振动波的传递也较慢,且自振周期长,对冲击能量的吸收快,减震效果好,所以抗震性能比普通混凝土好.1976,中国河北的唐山大地震,北京和天津地区的几十栋轻骨料混凝土的工业和民用建筑都基本上完好无损.即使其周围的砖混结构遭受严重破坏和倒塌,它们仍安然无恙,说明其抗震性能非常好。

轻骨料混凝土因导热系数低,使耐火性能好.在高温作用下,可保护钢筋不遭受破坏.对于同一耐火等级,轻骨料钢筋混凝土板的厚度,可以比普通混凝土减薄20%以上。由于轻骨料混凝土具有上述一列系优点,其应用范围在工业与民用建筑中日益广泛,不仅可用作围护结构,也可用作承重结构.由于结构自重小,可减少地基荷载,因此特别适用于高层和大跨度结构

 

【预应力混凝土】

预应力混凝土是在第二次世界大战后迫切要求恢复战争创伤、从西欧迅速发展起来的。半个世纪以来,从理论、材料、工艺到土建工程的各种应用,都取得了极其巨大的发展与成就。尤其是随着部分预应力概念的逐步成熟,突破了混凝土不得受拉与开裂的约束,大大扩展了它的应用范围。目前预应力混凝土已成为国内外土建工程最主要的一种结构材料,而且预应力技术已扩大应用到型钢、砖、石、木等各种结构材料,并用以处理结构设计、施工中、用常规技术难以解决的各种疑难问题。

我国预应力混凝土的起步比西欧大约晚10年,但由大规模建设的需要,不仅发展快,而且应用数量极为庞大。据1995年的不完全统计:采用预制预应力混凝土构件建造的各种单层工业厂房总面积达10亿㎡,建造的城镇住宅和农村房屋超过30亿㎡,建造的40m跨径以内的铁路桥梁达30000孔,新建的公路和城市桥梁中,20m跨以上的占到 85%以上。上述成就既对我国过去几个五年计划的基本.建设做出了巨大贡献,又为国家节约了大量钢、木材料。

改革开放以来,我国高强钢材生产好转,为发展高效预应力混凝土追赶国际水平,创造了条件。近十几年来,在应用高效预应力混凝土方面取得了较大的进展。各种桥梁结构的型式、跨径和施工方法都有了很大进步。预制预应力混凝土简支架的经济跨度:铁道桥架已扩大到40m;公路与城市桥梁扩大到50m;预应力混凝土连续钢构桥最大达270m;大跨度斜拉桥的跨径:预应力混凝土桥面的达432m(铜陵长江大桥),钢与混凝土结合桥面的最大达602m(杨浦大桥)。桥梁结构当前面临的问题主要是如何提高质量,特别是耐久性问题,而不再经济不经济、用与不用的问题了。高效预应力混凝土在房屋建筑中的应用由于房屋建筑本身的特殊性,目前仍处于由低强钢材向高强钢材、向高效预应力混凝土过渡的阶段,出现现浇后张热、预制先张冷的现象,发展很不平衡,前景也不太明朗。

 

【钢管混凝土】

在钢管柱中填满混凝土既能提高柱子的承重能力,又能提高它的耐火能力,而采用预应力混凝土会比纯混凝土填充效果更好。这一技术近来越来越受到设计师和建造商的青睐。

钢管柱的抗压强度高,压缩受力方面性能好,在工业建筑上被广泛用在框架结构的建造上,但钢的耐火性很弱。建筑规范对钢柱有很高的设计耐火要求,大大限制了建筑师们用裸露的钢铁来进行设计的范围。

工程师们经过10多年的检测研究表明,用混凝土来填充钢铁柱,能大大提高它的承重能力和耐火能力,对钢铁的外部耐火层的需要减少了,建筑师们就可以随心所欲地在他们的设计中让钢铁的本色显现出来——而耐火性能未减分毫,同时还能增加建筑物的可用空间,降低耐火费用。目前,华盛顿、西雅图的新航空博物馆——世界上最具影响的大飞行器收藏地,它的著名的透明性和开放性,部分得益于混凝土钢管的使用。

研究表明,预应力混凝土的填充与纯混凝土的填充相比,具有使混凝土合成物有更好的张力、减少正常使用环境下裂缝的出现、更能阻止由于材料的老化、冲击、收缩和高温压力而出现损坏现象等优点。

 

【型钢混凝土】

型钢混凝土(SRC)结构是钢——混凝土组合结构的一种主要形式,由于其承载能力高、刚度大及抗震性能好等优点,已越来越多地应用于大跨结构和地震区的高层建筑以及超高层建筑。SRC结构比钢结构可节省大量钢材,增大截面刚度,克服了钢结构耐火性、耐久性差及易屈曲失稳等缺点,使钢材的性能得以充分发挥,采用SRC结构,一般可比纯钢结构节约钢材50%以上。与普通钢筋混凝土(RC)结构相比,型钢混凝土结构中的配钢率可比钢筋混凝土结构中的配钢率要大很多,因此可以在有限的截面面积中配置较多的钢材,所以型钢混凝土构件的承载能力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件的承载能力一倍以上,从而可以减小构件的截面积,避免钢筋混凝土结构中的肥梁胖柱现象,增加建筑结构的使用面积和空间,减少建筑的造价,产生较好的经济效益。

型钢混凝土结构在施工上,钢骨架可作为施工的自承重体系,获得很好的经济和社会效益,同时,由于SRC结构整体性强,延性性能好等优点,能大大改善钢筋混凝土受剪破坏的脆性性质,使结构抗震性能得到明显的改善,即使在高层钢结构中,底部几层也往往为SRC结构型式,如上海的第一高楼金茂大厦和深圳的地王大厦。据日本l978年宫城县冲地震的统计显示,在调查的95幢层数为7—17层的SRC建筑中,仅有13(12)发生结构轻微损坏。因此日本抗震规范规定:高度超过45的建筑物不得使用钢筋混凝土结构,而型钢混凝土结构则不受此限制。我国也是一个多地震国家,绝大多数地区为地震区,甚至位于高烈度区,因此在我国,推广SRC结构就具有非常重要的现实意义。到目前为止,我国采用SRC结构的建筑面积还不到建筑总面积的千分之一,而日本在六层以上的建筑物中采用SRC结构的建筑物占总建筑面积的628%。因此,SRC结构在我国有着非常广阔的市场和应用前景。

 

【钢筋连接新技术】

近年来,钢筋机械连接新技术的出现极大地促进了工程质量的提高。下面介绍几种钢筋机械连接新技术。

1、钢筋挤压连接技术:是用挤压设备挤压钢套筒而将两根钢筋连接在一起。其优点是:接头强度高、性能可靠、工艺简单、速度快、环保等,主要缺点是细的钢筋接头成本较高。该技术于1987年开始应用于工程,是目前各种连接方法中最为成熟、可靠度最高的方法。

2、钢筋锥螺纹连接技术:是先将钢筋端部加工出锥形螺纹,然后用带有内锥螺纹的套筒将两根钢筋连接在一起。其优点是:速度快、成本较低、环保、可水下作业等,但缺点也较明显:削弱了钢筋强度;质量控制环节多。该技术关键在螺纹的加工精度和套筒精度。

3、钢筋滚压直螺纹连接技术:是利用专用钢筋滚丝机滚压出直螺纹丝头,然后用带有相应内螺纹的套筒将两根钢筋连接在一起。该技术具有以上螺纹连接的所有优点,其缺点是:螺纹表面质量较差;对钢筋截面有一定的削弱。该技术目前在国外还没有,但在国内应用势头较好,今后要进一步解决因钢筋截面尺寸公差较大导致接头质量不稳定和在钢筋弯头处拧不紧的问题。

 

 

【高层建筑节能技术】

高层建筑高空环境和一般低层建筑所处的环境差异较大,设计时必须采取额外的措施来满足高空环境下使用者对舒适度的需求。一般的高层建筑都投资高昂、能耗巨大。随着经济的发展,能源的消耗越来越大,人们也越来越意识到节约能源的重要性,节约能源、创建一个可持续发展的未来同样是每一个设计师不可逃避的责任,因此,高层建筑的节能意义重大。

目前我们全国房屋数量有400亿平方米左右,房屋建筑规模看来已超过所有发达国家,仅去年一年房屋竣工面积是19亿7千万平方米,这几年差不多都是接近这个数字。但在每年近20亿平方米的竣工面积当中,只有五、六千万平方米是节能建筑,只占3%左右,也就是说有97%属于高耗能建筑。

中国目前存在建筑耗能大、能效低、围护结构的保温隔热性能差等问题,并具有夏季空调用电量大、冬季采暖能耗高的特点。

1996年中国建筑年消耗3.3亿吨标准煤,占能源消耗总量的24%,到2001年已达到3.76亿吨,占总量消耗的27.6%,年增长比例千分之五。有关研究认为,从2000年到2015年是民用建筑发展鼎盛期的中后期,预测到2015年民用建筑保有量的一半是2000年以后新建的。随着建筑业的高速发展和人民生活质量的改善,建筑能耗占全社会总能耗的比例还会继续增长。

目前中国建筑能耗有50%是供热和空调,北方城市集中供热的能源主要以锅炉为主,锅炉的单台热供率普遍较小,热效率低,污染严重;供热输配管网保温隔热性能差,因此整个供热系统的综合效率仅为35%到55%,远低于先进国家80%左右的水平,而且整个系统的耗电耗水也高,公共建筑中央空调系统的综合效率较低。

此外,中国的建筑围护结构保温热性能普遍较低,外墙和窗户的热导系数为同等发达国家的三到四倍,外墙的单位建筑面积耗能要差四到五倍,门窗空气渗透率要高出三到六倍。

建筑用能逐渐成为中国能源消费的主体之一,建筑能耗是中国可持续发展必须研究解决的重大问题。

 

  

(上图为我校建筑节能研究中心的成立仪式)


朱春雪  2003010183

1通过查阅资料,举出3个以上因非荷载作用而导致结构破坏的工程实例。(除课堂上讲的)

1 清华一教的维修(由于基础下原来是泥塘,导致一教建成后出现结构破坏,使用了多种材料进行加固)。

2 天津海河挡潮闸的闸体下降(天津地面沉降导致)。

3 武昌某花园小区地下室不均匀上浮(连日暴雨导致地下水位上涨)

4 美国9·11事件世界贸易大楼的倒塌(飞机撞击,着火导致温度上升)

2总结高层建筑结构的主要的结构类型、受力特点和采用的新技术,并简述其发展史。(图文并茂)。

高层结构的发展史:

1简述

高层建筑

高层建筑在19世纪末就已出现,但真正在世界上得到普遍的发展还是20世纪中叶的事,尤其是近二十年来,它如雨后春笋,逐渐遍及到世界各国。

高层建筑得到发展的原因:资本主义国家城市人口高度集中,市区用地紧张,地价昂贵,建筑不得不向高空发展;高层建筑占地面积小,在既定的地段内能最大限度地增加建筑面积,扩大市区空地,有利城市绿化,改善环境卫生;同时由于城市用地紧凑,可使许多相互有关的机构放在一座建筑物内,便于联系;在建筑群布局上,高低相间,点面结合,可以改善城市面貌,丰富城市艺术;特别是电子计算机与现代先进技术的应用,为高层建筑的发展提供了科学基础。因此,高层建筑成为了目前国外建筑活动的重要内容。

关于高层建筑的概念,各国并不统一,过去一般是指七层以上的建筑,1972年国际高层建筑会议规定按建筑层数划分为四类:

第一类高层:9-16层(最高到50);

第二类高层:17-25层(最高到75);

第三类高层:26-40层(最高到100);

第四类高层:超高层建筑,40层以上(100以上)。

高层建筑的发展过程

高层建筑的发展是和垂直交通问题的解决分不开的。自从1853年奥帝斯在美国发明了安全载客升降机以后,高层建筑的实现才有了可能性。此后,高层建筑的发展过程大致可以分为二个阶段:

 

 

 

 

帝国大厦

第一阶段 十九世纪中叶到二十世纪中叶。随着电梯系统的发明与新材料新技术的应用,城市高层建筑不断涌现。到十九世纪末,美国的高层建筑已达到29层(118)。

二十世纪初,美国高层建筑的高度继续大幅度上升,1911-1913年在纽约建造的渥尔华斯大厦,高度已达52层(241)。1931年在纽约建造号称120层的帝国州大厦,高381,在七十年代前一直保持着世界最高的记录。二战的发生使高层建筑的发展受到一定的影响。

 

第二阶段 二十世纪中叶以后,特别是六十年代以后。随着资本主义经济的上升,以及发展了一系列新的机构体系,使高层建筑的建造又出现了新的高潮,并且在世界范围内逐步开始普及,从欧美到亚洲,非洲都有所发展。总的来看,最近二十年来,高层建筑发展的特点是:高度不断增加,数量不断增多,造型新颖。

 

当代的高层建筑活动

美国在五十年代以后,高层建筑发展了板式的风格,1950年在纽约建成的39层联合国秘书处大厦就是早期板式的高层建筑实例之一。1952年史欧姆建筑事务在纽约建造的利华大厦,高22层,又开创了全部玻璃幕墙板式高层建筑的新手法。成

为当时风行一时的样板。

密斯···罗在1919-1920年设想的玻璃摩天楼方案到这是的纽约西格姆大厦是

他所做的玻璃摩天楼的代表.

 

 

纽约,西格拉姆大厦

芝加哥 ,汉考克大厦

 

应用铝材或钢板作外墙的塔式高层建筑,如1965-1970年在芝加哥建成100层的纽约汉考克大厦,高3371968-1971年在匹茨堡市建成的美国钢铁公司大厦;1969-1973年在纽约建成的世界贸易中心大厦,两座并立的110层的塔式摩天楼,高411楼;1970-1974年在芝加哥建成的西尔斯大厦,110层,稿443,是当代世界最高的塔式摩天楼。

在欧洲,高层建筑也得到发展,其中以意大利米兰城在1955-1958年建成的皮瑞利大厦可作早期欧洲代表,平面为梭型。

 

纽约,世界贸易中心大厦

米兰,皮瑞利大厦

世界贸易中心大厦

芝加哥 , 西尔斯大厦

 

2详述

国外高层建筑的发展

50年代以前的高层建筑

高层建筑是近代经济发展和科学进步的产物。城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化,促使了近代高层建筑的出现和发展。美国芝加哥家庭保险公司大楼,10层,55高,建于1884-1886年。它采用铸铁框架承重的结构,标志着区别于传统结构的新结构体的诞生。

由于第二次世界大战的影响,高层建筑在20世纪30-40年代停顿了10年。

50-70年代高层建筑的发展

以简单的几何体、大面积的金属和玻璃墙为代表的“玻璃盒子”作为现代化的标志,成了这一时期高层建筑的主流。

这一时期高层建筑的发展具有如下特点:

1高层建筑迅速增加,层数和高度都有大幅度的突破。

2结构体系新颖多变,建筑材料丰富多彩。

3高层建筑结构抗震设计水平大幅度提高。

80年代的高层建筑

高层建筑的风格有了新的变化,建筑物的体型由单纯追求“简洁就是美”而转向多样化,在色彩、线条、质感上更为丰富多变。

90年代的高层建筑

高层建筑虽然在高度上未有新的突破,但是各国都在酝酿着更高的建筑。美国、日本都在研究设计500以上高度的建筑。

目前已经建成的世界最高建筑是马来西亚吉隆坡的彼得罗纳斯大厦。

目前国外高层建筑的发展趋势

1高强混凝土、钢管混凝土的使用

2复杂体型的高层建筑不断兴建

3新结构体系广泛采用

我国内地的高层建筑

我国内地高层建筑从50年代开始自行设计和建造,1059年建的民族饭店14层,民航大楼16层。60年代的广州宾馆27层,高8770年代发展更为迅速的是高层住宅建筑,它成为高层建筑中数量最多的类型。80-90年代,我国高层建筑迅猛发展。

目前我国高层建筑发展的几个特点:

1层数增多,高度加大

目前我国内地建成的高层建筑前100名在150-420不等。

2高层建筑向多用途、多功能发展

3布面布置和立体体形日益复杂

4结构体系日趋多样化

高层建筑结构的结构类型:

钢筋混凝土超高层建筑:

剪力墙结构:有很大刚度,但是室内空间小,结构自重大,目前国内应用很少。

框架-剪力墙结构:有较大的刚度,也有较灵活的空间,可用于150-200范围内的办公建筑和综合建筑。

筒体结构:是超高层建筑最常用的结构形式,目前绝大多数超高层办公、旅馆和综合性建筑采用这种结构体系。

巨型结构、悬臂结构等。

 

钢结构和钢-混凝土混合结构

框架结构、筒体结构、成束筒结构、支撑框筒结构、悬挂结构等。

高层结构的受力特点:

1空间整体作用

实际的房屋建筑都是空间结构,是空间受力的,简化为平面框架计算只适用于最简单的情况。因此,次梁的端弯矩、梁的扭矩在设计中都应考虑,柱和墙的轴力不能简单按照荷载面积计算。

2水平力起控制作用

高层建筑由于地震和风产生的内力往往大于竖向荷载产生的内力,因此组合内力分布不同于低层建筑。如梁的端部正弯矩可能大于跨中弯矩,梁的剪力要考虑上、下方向,上层柱可能出现大偏心受压情况等等。

3柱、墙的轴向变形影响

由于层数多、高度大,墙、柱轴向变形逐渐积累,对内力产生明显影响,设计人员必须决定是否考虑施工过程模拟的问题。


高层结构采用的新技术:

1地基基础和地下空间工程技术

1.1桩基新技术

1.1.1灌注桩后注浆技术

1.1.2长螺旋水下灌注成桩技术

1.2地基处理技术

1.2.1水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基成套技术

1.2.2夯实水泥土桩复合地基成套技术

1.2.3真空预压法加固软基技术

1.2.4强夯法处理大块石高填方地基

1.2.5爆破挤淤法技术

1.2.6土工合成材料应用技术

1.3深基坑支护及边坡防护技术

1.3.1复合土钉墙支护技术

1.3.2预应力锚杆施工技术

1.3.3组合内支撑技术

1.3.4型钢水泥土复合搅拌桩支护结构技术

1.3.5冻结排桩法进行特大型深基坑施工技术

1.3.6高边坡防护技术

1.4地下空间施工技术

1.4.1暗挖法

1.4.2逆作法

1.4.3盾构法

1.4.4非开挖埋管技术

2.高性能混凝土技术

2.1混凝土裂缝防治技术

2.2自密实混凝土技术

2.3混凝土耐久性技术

2.4清水混凝土技术

2.5超高泵送混凝土技术

2.6改性沥青路面施工技术

3. 高效钢筋与预应力技术

3.1高效钢筋应用技术

3.1.1HRB400级钢筋的应用技术

3.2钢筋焊接网应用技术

3.2.1冷轧带肋钢筋焊接网

3.2.2HRB400钢筋焊接网

3.2.3焊接箍筋笼

3.3粗直径钢筋直螺纹机械连接技术

3.4预应力施工技术

3.4.1无粘结预应力成套技术

3.4.2有粘结预应力成套技术

3.4.3拉索施工技术

4.新型模板及脚手架应用技术

4.1清水混凝土模板技术

4.2早拆模板成套技术

4.3液压自动爬模技术

4.4新型脚手架应用技术

4.4.1碗扣式脚手架应用技术

4.4.2爬升脚手架应用技术

4.4.3市政桥梁脚手架施工技术

4.4.4外挂式脚手架和悬挑式脚手架应用技术

5.钢结构技术

5.1钢结构CAD设计与CAM制造技术

5.2钢结构施工安装技术

5.2.1厚钢板焊接技术

5.2.2钢结构安装施工仿真技术

5.2.3大跨度空间结构与大型钢构件的滑移施工技术

5.2.4大跨度空间结构与大跨度钢结构的整体顶升与提升施工技术

5.3钢与混凝土组合结构技术

5.4预应力钢结构技术

5.5住宅结构技术

5.6高强度钢材的应用技术

5.7钢结构的防火防腐技术


    2002010339

 

高层建筑的结构类型

 

钢和钢筋混凝土两种材料都是建造高层建筑的重要材料,但各自有着不同的特点。

 

钢结构的优点是:

1.    钢材强度高、韧性大、易于加工,钢构件可在工厂加工,有利于缩短施工工期,且施工方便

2.    高层钢结构断面小,自重轻,抗震性能好

 

钢结构的缺点是:

1.    高层钢结构用钢量大,造价高

2.    钢材耐火性能不好,需要用大量防火涂料,增加了工期和造价

 

钢筋混凝土结构的优点是:

1.    造价低,且材料来源丰富,并可浇注成各种复杂断面形状,组成各种复杂结构体系

2.    节省钢材,经过合理设计可获得较好的抗震性能。

 

钢筋混凝土的缺点是:构件强度低,截面大,自重大。

 

当然还有一种就是钢与钢筋混凝土的组合结构,可以同时拥有二者的优点。

 

受力特点:

1.    承受的荷载

高层建筑和低层建筑一样,承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中,水平荷载产生的内力和位移很小,通常可以忽略;在高层结构中,水平荷载的效应(内力和位移)随着高度的增加而逐渐增大,可以说在高层建筑中,水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。

 

2.    受力特性

垂直荷载方向不变,随着房屋高度增加,仅仅引起量的增加,但由于高层建筑需要将水平荷载考虑在内,因为水平荷载可以来自任意方向,反向的荷载就有可能使内力反向。

 

3.    侧移

侧移主要由水平荷载产生,与高度呈四次方变化。

 

4.    受自重影响较大,因而高层结构设计时一般要减轻自重。

 

5.    轴向变形影响明显

发展历史:

 

高层建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物。高层建筑虽然在19世纪末就已出现,但真正在世界上得到普遍发展还是20世纪中叶的事,尤其是近30年来,它犹如雨后春笋,已逐渐遍及到世界各国。

 

高层建筑的发展同时是和垂直交通问题的解决分不开的。回顾19世纪中叶以前,欧美城市建筑的层数一般都在6层以内,这就明显地反映了垂直交通的局限性。自从1853年奥蒂斯在美国发明了安全载客升降机以后,把楼层高度从人体能攀登的高度限制中解放出来,高层建筑的实现才有了可能性。

 

1885年美国兴建第一幢高层建筑——芝加哥人寿保险公司大楼(10层,55)算起,至今已有100多年的历史。

 

在这期间,美国的高层建筑的高度几乎是以每10层提高10层的速度增长。19世纪末已达29层,1181911-1913年在纽约建造的伍尔沃斯大厦,高度已达52层,2411931年在纽约建筑的帝国大厦,在20世纪70年代以前都保持着世界最高的记录。

 

由于出现了轻质高强材料、新的结构体系和高速电梯,150-200层的建筑在技术上已成为可能。因此,近年来高层建筑又向新的方向发展。如美国计划的电视城大厦,150层,509,日本大成建筑公司计划的X-CEED40004000m高。

 

我国自20世纪50年代初开始设计、建筑高层建筑,虽然是有40余年的历史,但是发展是很快的。特别是在钢筋混凝土高层方面。

20世纪60年代,建成广州宾馆(27层,88

20世纪70年代,建筑北京饭店新楼(19层,87

20世纪80年代,我国高层建筑发展进入全盛时期,全国30多个大中城市都兴建了一批高层建筑。

进入20世纪90年代以来,我国高层建筑更是迅猛发展,1996年建成的深圳地王大厦,81层,325m1998年建成上海金茂大厦,88层,420m,是目前世界第三高楼。

正在施工的上海环球金融中心,95层,460m,将是世界最高的建筑物。

 

 

 

采用的新技术

 

目前,在高层建筑施工中运用现代科学技术已日趋广泛。例如,采用激光技术作为导向进行对中和测量,使施工的精确度得以提高;采用计算机编制施工网络进度计划,使数据的输入和修改、时间参数的计算、关键线路的确定更方便;利用相关的软件,能迅速完成清晰完整的网络图;在钢结构施工中,应用磁粉探伤(MT)、渗透探伤(PT)和超声波探伤(UT)等无损检测技术检验其焊接质量,已取得成功。

 

超声波检测技术:一般把频率在200千赫兹到25兆赫兹范围的声波叫做超声波。它是一种机械振动波,它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性,例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化,可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等,因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术。例如用于医疗上的超声诊断(如B超)、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定……等等。

 

磁粉探伤技术:铁磁性材料在磁场中被磁化时,材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化,即磁阻增大,使得磁路中的磁通相应发生畸变,除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外,还有一部分磁通会离开材料表面,通过空气绕过缺陷再重新进入材料,从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。当采用微细的磁性介质(磁粉)铺撒在材料表面时,这些磁粉会被漏磁场吸附聚集从而显示出缺陷所在,这种方法就是磁粉探伤技术。如果不是使用磁粉,而是直接使用特殊的测磁装置(例如磁带、检测线圈、磁敏元件等)探查并记录漏磁通的存在来达到检测目的,则称为漏磁检测技术。目前主要应用于工业上检查铁磁性材料及零部件上的表面和近表面缺陷。

 

渗透探伤技术:通过喷洒、刷涂或浸渍等方法,把渗透能力很强的渗透液施加到被检查的物体上,当物体表面存在开口性缺陷时,渗透液因毛细管作用原理而深入到缺陷中去,将物体表面多余的渗透液擦拭或冲洗干净后,再在物体表面均匀施加显像剂,显像剂能将已渗入缺陷内的渗透液引导到物体表面上来,由于显像剂本身提供了与渗透液形成强烈对比的背景衬托,因此反渗出的渗透液将显示出缺陷的状况图像,它可以是以颜色对比而在白光下用肉眼观察(称作着色渗透探伤),也可以是因具有荧光作用而在紫外光下观察(称作荧光渗透探伤)。主要应用于检查材料及工件表面开口性缺陷,其灵敏度已经达到可以检查出开口宽度仅有微米级的缺陷。

 

 

实例1

 

深圳海洋馆海豚表演池

 

 

由于海水作用,导致钢筋的锈蚀

由以下几个图可以看出

 

 

 

 

 

 

 

实例2

西直门桥冻融破坏

 

主要引起的是骨料的剥落,钢筋的锈蚀

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

实例3

沈阳山海关高速公路,主要是由于每天冬季,为防止路面结冰而撒的大量的除冰盐所致。致使路面凹凸不平


刘文景  2002010434

 

一、

 

西安城墙因沉降造成的裂缝

宁波象山台宁闸工作桥大梁破坏情况

深圳海洋馆海豚表演池外壁混凝土开裂,盐析出

 

二、

l        高层建筑结构类型

1、框架结构

    由梁、柱组成的结构单元称为框架全部竖向荷载和侧向荷载由框架承受的结构体系,称为框架结构

平面抗侧力结构,只能在自身平面内抵抗侧向力刚度小,适用高度比较低的房屋可以设计成延性好的抗震结构

2、剪力墙结构 用钢筋混凝土剪力墙承受竖向荷载和抵抗侧向力的结构称为剪力墙结构。用于抗震时也称为抗震墙结构。

 

3、框架-剪力墙结构     

框架和剪力墙(筒)共同承受竖向荷载和侧向力 剪力墙承担大部分层剪力框架承担一定的层剪力。

4、板柱-剪力墙结构 无梁楼板和柱组成的结构

5、框架-支撑结构、

 框架中设置支撑斜杆一般为钢结构,由框架和支撑框架共同承担竖向荷载和水平荷载的结构,称为框架-支撑框架结构。

 水平力变成杆件的轴力杆件轴向拉伸或压缩其侧移曲线的形状呈弯曲型侧向刚度比框架大得多。在水平力作用下,框架和支撑框架侧移协调,结构的整体侧移曲线呈弯剪型框架承担一定比例的地震层剪力

6、筒体结构左图为纽约世贸中心 4榀框架都参与抵抗水平力层剪力主要由腹

板框架抵抗倾覆力矩由腹板框架和翼缘框架共同抵抗

7、框架-核心筒结构

加大外框筒的柱距,减小梁的高度,周边形成稀柱框架,与内筒一起,组成框架核心筒结构

8、巨型结构也称主次框架结构,水平荷载由巨型框架或巨型框架和核心筒承担次框架仅承受竖向荷载竖向荷载由巨型框架传至基础。

·高层建筑结构发展史现代高层建筑是商业化、工业化和城市化的产物,一定程度上反映了一个国家、一个地区的社会、经济发展水平。

现代高层建筑的历史始于18世纪末的工业革命,英、法的冶金工业成功地生产出熟铁和铸铁,并用于房屋建筑。19世纪40年代,铁被官方认可作为建筑材料。英法最早建造铁框架房屋建筑,但停留在低层建筑。

现代高层建筑起源于美国,其中心是当时的商业轴心纽约和芝加哥。纽约芝加哥商贾云集,对办公、仓库、旅馆的需求,促成了现代高层建筑的出现。 1856 年,Elisha Graves Otis 第一部商用电梯安全成功运营,为高层建筑创造了条件

1884-1885年,美国芝加哥,11层的家庭保险大楼(HomeInsurance Building )建成,熟铁梁铸铁柱框架结构,砖墙自承重。 1890年,芝加哥Manhattan Building,世界上第一幢16层的住宅建筑铸铁柱 1895 年芝加哥Reliance Building ,早期全钢框架结构 1897年纽约Gillender Building 20层,高宽比大 发展期:20世纪上半叶 1908 年纽约Singer Building47层,187m 高,世界上第一幢比埃及金字塔高的现代高层建筑 1931年,纽约帝国大厦,102层,381m高,世界最高建筑达40年之久。钢框架结构,柱内填充炉碴混凝土。19457月,278m高处遭B25运输机撞击,局部损坏

我国高层建筑:解放前:1896 年:上海使用混凝土浇筑楼板(工部局市政厅) 1901 年:钢骨混凝土结构(华俄道胜银行) 1908 年:现浇钢筋混凝土多层框架结构(上海电话公司) 1913 年:大型钢结构厂房(杨树浦发电厂一号锅炉间) 1917 年:多层钢框架结构(天祥洋行大楼) 1929 年:第一栋超过10层的高层建筑(沙逊大厦,今和平饭店,13层,房顶尖端高77m1934 年:国际饭店(22层,83.8m ),百老汇大厦(上海大厦,21层,76.6m) 解放后: 老北京饭店,京奉铁路的正阳门车站大厦 北京民族饭店,50年代最高建筑,12层,47.4m高 海河饭店,13层,高约60m,建于1922年 人民大楼,12层,高约50m,建于1923年 百货大楼, 6层,高33m,建于1925年,现浇钢筋混凝土框架结构 上海金茂大厦(1998年) 88层,420m高 深圳赛格广场大厦(1999年)72层,291.6m高 中银大厦,70层,368.5m1989年建成

·现代高层建筑结构的发展

高层建筑的抗侧力体系是高层建筑结构是否合理、安全而经济的关键,它随着建筑高度及功能的发展需要而不断发展变化。由最初的框架、剪力墙结构等基本体系,发展为框架-剪力墙体系,继而又发展了框架-筒体体系、框架-筒体-伸臂体系、框筒体系、筒中筒体系、巨型框架体系、空间桁架体系等等。随着建筑功能及形式的不断发展,还会有更多、更新的结构体系出现。

 


 

 

 

 

 

 

 

大跨空间结构


大跨空间结构

    2003010205

 

一、    综述

随着人类对自然科学领域进军的不断开拓和深入,以及人类快速膨胀的生活需求,近现代的建筑科学日新月异,其技术更新速度越来越快,建筑样式丰富多彩,不断创新。大跨建筑和高层建筑是建筑科学的两朵奇葩,齐头并进,共同引领着一场气势宏伟的空间革命。它们融合了建筑技术的精华,一个向天索取生活空间,一个问地索要自由视野,通过它们,最能感受到人类改造大自然的强大力量和雄浑气魄。

近二十余年来,各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。可以这样说,大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。大跨度建筑的发展,一方面是由于社会的需要,另一方面则是新材料与新技术的应用所促成的。大跨度结构由于其特点常应用于以下建筑领域:公共建筑(剧院,展览馆,体育场馆,车站等)专门用途的建筑 (飞机库,汽车库等)生产性建筑(飞机制造厂装配车间,造船厂等)。由于其技术含量高,外观宏伟,个性化等原因,许多大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。

二、    大跨度空间结构分类

大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,根据不同标准有不同的分类,这里根据其受力特点分为三大类:

u  平面结构

由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成

纵向构件层层重复传递荷载,并不分担荷载

如:梁式,框架式和拱式结构

u 空间结构

加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构,共同承载克服荷载层层重复传递,经济性好,整体刚度大,抗震性能好

如:钢筋混凝土薄壳结构;平板网架结构;网壳结构;悬索结构;膜结构和索-膜结构

u 空间作用

利用其他的力学特性支撑整个跨度结构,如:充气结构

这里分别分析各种结构的受力及其他特点:

       梁式结构

梁式结构即是通过一系列的钢梁来作为纵向荷载的支撑构件,各梁之间再布置檩条来支撑屋面荷载,其受力特点是不产生水平推力,但为了提高其水平方向的刚度,钢梁要支承于墙壁,砖石或混凝土柱上,其制作和安装都比较简单。

跨度较小时,可采用实腹式梁 (常用工字形截面),跨度在50~70m及更大时,宜采用桁架形式(吊顶与下弦设间隙),桁架外形及腹杆体系取决于跨度,屋面形式和吊顶结构。桁架高跨比一般为1/8~1/6(注:跨度大于50m时,运输超限)。常用梯形桁架;屋面坡度大时,宜用平行弦;吊顶可作弧线形(设拉杆)

图二 梁式结构复杂布置

 

图三 结构形式

 
 


       框架结构

其结构形式和梁式结构相似,只是将梁换成了刚性更好的框架,但是与梁式相比,框架结构可降低建筑物高度,结构上比梁式结构经济。

根据跨度不同采用不同的结构布置和结构形式:

            结构布置:

·横向框架布置(跨度)60m时,应增大框架间距,常导致复杂布置)

            ·纵向框架布置(跨度较小时,特别有利,可向外悬伸,用于机库等)

            结构形式:

            ·跨度在50~60m时,常用双铰实腹式框架(常用工字形截面)

             减轻基础负担;结构可外露;横梁高度可取跨度的1/20~1/12

             设置预应力拉杆减少跨中弯矩,横梁高度可取跨度的1/40~1/30

           

·跨度较大时,常用双铰格构式框架

            跨度超过100m时,宜采用无铰格构式框架

            ·格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/20~1/12范围选取

             格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度

            ·折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能

             常用于高度相对较大(跨度约40~50m,高度约15~20m)的建筑物

        横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/25~1/15范围选取

       拱式结构

拱式结构受力时能产生水平推力,其比以上两种平面结构受力要合理,而其经济指标在跨度较大的工程实例里要明显比梁式和框架好。

在跨度较小时采用单拱式,较大时采用拱对(如下图)。

拱的结构型式有以下几种:

            ·双铰拱(最常见,制作安装方便,较经济,温度应力低)

            ·无铰拱(最经济,须设强支座,温度应力高)

            ·三铰拱(应用不广,拱钥铰使结构复杂化)

 

双铰型式

 

三铰型式

 

无铰型式

 

单拱结构

 

拱对结构

 

       网架结构

该结构区别于以上几种结构,它是多向传力的,空间的刚性大大增强,抗震性能好。

按其构成方式分三大类:

l         由平面桁架构成:两向正交正放;两向正交斜放;两向斜交正放;两向斜交斜放;

l         由四角锥体构成:三向网架;正放四角锥;正放抽空四角锥;斜放四角锥;拱盘形四角锥;

l         由三角锥体构成:三角锥;抽空三角锥;蜂窝形三角锥;

网架结构的纵向荷载由网架下的点支承承担,点支承的设置原则:

                通过正弯矩和挠度减小,使整个网架的内力趋于均匀

            对于单跨多点支承,悬挑长度宜取中间跨的1/3 (下图a)

                对于多跨多点支承,悬挑长度宜取中间跨的1/4(下图b)

点支承和网架之间的连接柱帽有如图的三种形式:

网架表示法

 

两向正交正放

 

两向正交斜放

 

两向斜交斜放

 
 

 


 

三向网架

 

正放抽空四角锥

 

正放四角锥网架

 

棋盘形四角锥网架