高層建筑結構體系的確定與布置

廈門大學土木工程系

本節內容高層建筑結構性能需求評價高層建筑結構性能控制和要求如何確定高層建筑結構體系高層建筑高度社會的進步和技術的發展，人們對建筑高度的感受和接受程度在不斷提高。過去50多米高的建筑可能就感覺很高，而目前100多米的建筑隨處可見，都不會感覺高大。整個世界范圍的建筑平均高度都在迅速增高。

高層建筑高度計算高層建筑的高度對結構的內力、變形和動力反應有很大的影響，底部彎矩隨高度按倆次方增長，而變形按四次方關系增加。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3自室外地面至房屋主要屋面的高度。《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ99確定的建筑高度為室外地坪到建筑檐口高度。《建筑抗震設計規范》GB50011房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂的高度(不包括局部突出屋頂部分)高層建筑高寬比高寬比是對結構剛度、整體穩定、傾覆、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。高寬比實際上反映了建筑物的“苗條”程度。隨著高寬比的增大，結構的側向變形能力也相對越強，傾覆力矩也越大。高層建筑高寬比計算最小投影法

加權平均寬度

面積法

剛度法高層建筑高度和高寬比限值高層建筑高度和高寬比限值高層建筑長寬比當建筑物的高度一定時，隨著長寬比的加大，考慮偶然偏心作用對內力的影響也在加劇；當長寬比一定時，隨著建筑物高度的增加，考慮偶然偏心作用對結構效應的影響在減少。高層建筑長寬比的計算長寬比越大建筑越窄，樓板變形會增大、結構整體性連接降低、振動不協調增加。高層建筑規則性平面布置平面宜簡單、規則、對稱、減少偏心；

平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長.平面布置不規則平面布置不規則判斷平面布置不規則判斷高層建筑規則性--結構豎向布置結構豎向布置的原則是剛度均勻連續，避免剛度突變。在結構豎向剛度有變化時要做到由上到下剛度逐漸變化，盡量避免在結構的某個部位出現薄弱層。避免結構頂部的局部突起引起“鞭梢效應”。豎向不規則高層建筑5個性能需求指標高層建筑5個指標高低的判斷高層建筑結構體系應符合的要求結構性能影響因素高層建筑結構體系確定方法計算確定結構體系結構方案的技術關鍵大量的統計數據和實踐都表明，項目策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計等前期策劃和設計階段影響整個建設項目投資的可能性在80%以上。結構成本占到建安成本的40%至60%。結構成本還常常由于策劃及設計管理的好壞出現非常大的波動。結構體系設計成功實例馬那瓜美洲銀行

實例-馬那瓜美洲銀行

1972年12月23日尼加拉瓜首都馬那瓜發生罕遇的強烈地震，5000多人死亡，市區1萬多棟樓房靈為平地。而馬那瓜當時最高的建筑，林同炎教授于1963年設計的18層、61m高的美洲銀行——一棟鋼筋混凝土塔樓，雖位于震中，在樓前的街道上出現了13mm寬的地裂縫，承受著比當時設計規范(UBC，美國統一建筑規范)所要求的地面運動水平加速度0.06g大6倍的地震強度(0.35g，相當于里氏6.3～6.5級)而未倒塌，甚至未嚴重破壞。馬那瓜中央銀行大廈試問：那一幢破壞嚴重呢？馬那瓜美洲銀行大廈1）平面不規則4個樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻。4層以上的樓板僅為5cm厚，擱置在高45cm長14m小梁上。

2）豎向不規則塔樓上部（4層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（間距9.4m）。上下兩部分嚴重不均勻，不連續。主要破壞：第4層與第5層之間(豎向剛度和承載力突變),周圍柱子嚴重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿3層以上的所有樓板(有的寬達1cm),直至電梯井東側；塔樓西立面、其他立面窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其它非結構構件均嚴重破壞或倒塌。震后計算分析結果:1.結構存在十分嚴重扭轉效應;2.塔樓3層以上北面和南面大多數柱子抗剪能力大大不足,率先破壞；3.水平地震作用下,柔而長的樓板產生可觀的豎向運動等。

馬那瓜中央銀行大廈

結構是均勻對稱的，基本的抗側力體系包括4個L形的桶體，對稱地由連梁連接起來，這些連梁在地震時遭到剪切破壞，是整個結構能觀察到的主要破壞。分析表明：1.對稱的結構布置及相對剛強的聯肢墻，有效地限制了側向位移，并防止了明顯的扭轉效應；2.避免了長跨度樓板和砌體填充墻的非結構構件的損壞；3.當連梁剪切破壞后，結構體系的位移雖有明顯增加，但由于抗震墻提供了較大的側向剛度，位移量得到控制。美洲銀行實例----馬那瓜美洲銀行馬那瓜美洲銀行大樓分析

美國ATC規程編制者RonaldSharpe所言：“到目前為止，抗震設計尚不能稱之為一門科學，而是一門藝術，很多問題的解決要靠工程判斷”。伯克利加州大學的教授V．Bertero在震后對這幢建筑作了動力分析。當核心筒連梁破壞后，四個L型角筒獨立作用時，結構的自振周期和頂部位移明顯加大，而基底剪力和傾覆力矩卻明顯減小。馬那瓜美洲銀行大樓分析

四個角筒共同作用四個角筒分別獨立作用自振周期(s)基底剪力(t)傾覆力矩(t·m)頂部位移(mm)1.32700930001203.3130037000240正確的判斷力對結構起著重要作用現今的設計雖受規范條文的限制，但設計者必須通過思考和判斷去了解其內容、吃透其中的實質含義，而不是僅僅去滿足允許的最低限值。[英國]ChasE．Reynolds工程師所掌握的最佳計算方法，應該是運用最簡單、最直接的計算方法。切忌使用概念含糊不清的計算方法。[英國]A．L．L．Baker應用現代高效能計算機，是能對復雜的結構做出可靠的分析，但更需要運用正確的判斷力。尤其是當我們把結構開拓成綜合型、新材料和更大跨度的時候。[美國]林同炎變形縫的設置防震縫在地震作用下，特別不規則結構的薄弱部位容易造成震害，可咀用防震縫將其劃分為若干獨立的抗震單元，使各個結構單元成為規則結構。伸縮縫為了避免收縮裂縫和溫度裂縫，房屋建筑可以設置伸縮縫。我國規范規定，現澆鋼筋混凝土框架結構、剪力墻結構伸縮縫的最大間距分別為55m和45m，框架一剪力墻結構伸縮縫的最大間距可根據具體情況介于45m和55m之間。沉降縫許多高層建筑由主體結構和層數不多的裙房組成，裙房和主體結構的高度及重量相差懸殊，可采用沉降縫將裙房和主體結構從頂層到基礎全部斷開，使各部分自由沉降，避免由沉降差引起裂縫或破壞。抗震設防的結構，沉降縫的寬度應符合防震縫最小寬度的要求。基礎形式上海環球金融中心大廈

工程概況

上海環球金融中心大廈系一幢以辦公為主，集商貿、賓館、觀光、展覽及其它公共設施于一體的大型超高層建筑。主樓地下3層，地上101層，地面以上結構高度492m。大樓建筑面積為252935m2，裙房為33370m2，地下室為63751m2，合計約35萬m2。此工程由日本森大廈株式會社一級建筑師事務所（MoriBuildingArchitects&Engineers）負責總設計和審查；由美國KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑師事務所負責建筑設計；美國賴思里.羅伯遜聯合股份有限公司（LeslieE.RobertsonAssociates）負責結構設計。根據我國《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002），其結構高度492m超過了型鋼混凝土框架－鋼筋混凝土筒體最大高度190m的限值，同時高寬比8.49超過了設防烈度7度的上海地區高寬比限值為7的要求。上海環球金融中心結構體系由巨型柱、巨型斜撐構成的巨型框架-支撐結構、鋼筋混凝土核心筒結構以及構成核心筒和巨型結構柱之間相互作用的伸臂鋼桁架組成。有7道加強層的框架-支撐巨型框架-混凝土核心筒結構核心筒在57層-60層及78層-79層樓層處進行了二次轉換,內部核芯筒由平面形狀不同的低筒、中筒和上部筒組成；伸臂桁架在核心筒內不貫通；由于考慮到建筑立面效果和采光的要求，巨型斜撐采用的是單向斜撐。巨型斜撐巨型柱A帶狀桁架核芯筒伸臂桁架巨型柱B巨型柱A巨型柱B上海環球金融中心

結構規則性判斷建筑平面為59.95m

59.95m的正方形形狀規則，無局部凸凹；建筑的立面形狀逐漸變化，無過大外挑和內收。上海環球金融中心的平面布置和豎向體型無明顯的不規則性。核芯筒豎向布置不連續，不符合豎向抗側力構件宜上下連續貫通的要求。帶狀桁架、伸臂桁架和核芯筒內的轉換桁架等結構加強層，使得結構的樓層側向剛度沿豎向分布不均勻。結構高度、高寬比超限。上海環球金融中心的高度和高寬比遠遠超過了規范限值；且結構豎向變化較大；筒體多次轉換；多重結構體系混用，是屬于特別復雜的超高層結構體系。主樓規范限值檢查結果H(m)492190超限B(m)57.95––L(m)57.95––H/B8.217.0超限上海虹口中信城

地上47層.高度230米.總建筑面積14萬m2建筑結構方案建筑：平面、立面規則；剛度、質量分布均勻。高度230米：滿足300（抗震），160（190）（高層混規），180（高層混規）；高寬比5小于6.5（抗震），5（高層鋼規），7（高層混規）；長寬比1.04結構體系：有四道加強層的框架-核心筒結構；構件布置均勻對稱。平面布置調整前后調整結果和效果調整結果樓板由156mm改為120mm；鋼骨混凝土柱改為鋼管混凝土柱，柱距離從5000m多調整為10000m多；剪力墻有1000-800-700mm厚度變化改為