高層建筑結構設計

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山東土建和水利薛云;互

目錄

第一章高層建筑結構體系及布置.......................................7

1.1.概述......................................................7

1.1.1.高層建筑的界定....................................10

1.1.2.高層建筑的特點....................................11

1.1.3.高層建筑的結構材料................................12

1.1.4.高層建筑的發展簡介................................14

1.2.高層建筑的結構體系.......................................18

1.2.1.框架,結構體系..............18

1.2.2.剪力墻結構體系....................................19

1.2.3.框架一剪力墻(框架一筒體)結構體系................20

1.2.4.簡中簡結構體系....................................22

1.2.5.多簡體系——成束筒和巨型框架......................22

1.3.結構總體布置原則........................................23

1.3.1.控制結構的高寬比H/B................................................................24

1.3.2.結構的平面形狀...................................25

1.3.3.對抗震有利的結構布置形式..........................26

1.3.4.有關縫的設置......................................26

1.3.5.溫度差對房屋豎向的影響............................27

1?3.6??可)JUL.???*???????*??(????*???(?*?*?***(??*??27

1.3.7.基礎埋置深度及基礎形式...........................27

第二章荷載及設計要求..............................................30

2.1.風荷載..................................................30

2.1.1.風荷載標準值......................................31

2.1.2.總風荷載與局部風荷載..............................33

2.2.地震作用.................................................34

2.3.荷載效應組合及設計要求...................................34

2.3.1.荷載效應組合......................................34

2.3.2.設計要求..........................................35

第三章框架結構的內力和位移計算....................................39

3.1.框架結構在豎向荷載作用下的近似計算一一分層法.............40

3.2.框架在水平荷載作用下的近似計算(一)-一反彎點法........40

3.2.1.反彎點法的假定及適用范圍..........................41

3.2.2.柱子的抗側移(抗推)剛度d...........................42

3.2.3.反彎點法的計算步驟................................42

3.3.框架在水平荷載作用下的近似計算(二)一一改進反彎點(D值)法43

3.3.1.基本假定..........................................43

3.3.2.柱子的抗推剛度D......................................44

3.3.3.反彎點高度........................................44

3.3.4.柱子的"串、并聯"..................................46

3.4.框架在水平荷載作用下側移的近似計算.......................47

3.4.1.框架結構在水平荷載下的側移特點....................47

3.4.2.梁、柱彎曲變形產生的側移..........................50

3.4.3.柱軸向變形產生的側移..............................51

第四章剪力墻結構的內力和位移計算..................................53

4.1.剪力墻結構的計算方法.....................................53

4.1.1.基本假定..........................................53

4.1.2.剪力墻的類別和計算方法............................55

4?N體,E?的計算*******((?*(?(((??*(??????*(?((**?*?***((?*?(58

4.2.1.整體墻的界定......................................58

4.2.2.整體墻的內力、位移計算............................58

4.3.雙肢墻的計算.............................................60

4.3.1.連續連桿法的基本假定..............................60

4.3.2.力法方程的建立....................................61

4.3.3.基本方程的解......................................66

4.3.4.雙肢墻的內力計算..................................67

4.3.5.雙肢墻的位移與等效剛度............................69

4.4.關于墻肢剪切變形和軸向變形的影響以及各類剪力墻劃分判別式的

討論..........................................................70

4.4.1.關于墻肢剪切變形和軸向變形的影響.................70

4.4.2.關于各類剪力墻劃分判別式的討論...................70

4.5.小開口整體墻的計算......................................72

1、墻肢彎矩.............................................72

2、墻肢軸力..............................................73

3、墻肢剪力..............................................73

4.6.多肢墻和壁式框架的近似計算...............................74

4.6.1.多肢墻的計算.....................................74

4.6.2.壁式框架.........................................74

第五章框架一剪力墻結構的內力和位移計算............................77

5.1.框架一剪力墻的協同工作..................................77

5.1.1.協同工作原理......................................77

5.1.2.基本假定與計算簡圖................................78

5.1.3.計算方法..........................................80

5.2.總框架的剪切剛度計算.....................................80

5.3.框一剪結構較結體系在水平荷載下的計算.....................81

5.3.1.基本方程及其一般解................................81

5.3.2.框一剪結構較結體系的內力計算......................82

5.4.框一剪結構剛結體系在水平荷載下內力計算..................84

5.4.1.剛結連梁的端部約束彎矩系數.......................84

5.4.2.基本方程及其解...................................86

5.4.3.框一剪結構內力計算...............................87

5.4.4.剛結連梁內力計算.................................89

5.5.框架一剪力墻的受力和位移特征以及計算方法應用條件的說明...90

5.5.1.框一剪結構的受力和位移特征........................90

5.5.2.關于計算方法的說明................................91

5.6.結構扭轉的近似計算.......................................92

5.6.1.質量中心、剛度中心和扭轉偏心矩...................92

5.6.2.扭轉的近似計算...................................94

第六章框架截面設計及構造..........................................97

6.1.框架延性設計的概念......................................97

6.1.1.延性框架的概念....................................97

6.1.2.延性框架的設計方法................................98

6.2.框架截面的設計內力......................................100

6.2.1.控制截面及最不利內力.............................100

6.2.2.荷載的布置.......................................101

6.2.3.內力調整.........................................101

6.3.框架梁設計..............................................103

6.3.1.影響梁的延性的因素...............................103

6.3.2.梁的抗彎設計.....................................104

6.3.3.梁的抗剪設計.....................................105

6.3.4.塑性較區的配筋構造要求...........................107

6.4.框架柱的設計............................................109

6.4.1.柱子的破壞形態...................................109

6.4.2.影響柱子延性的幾個因素...........................110

6.4.3.鋼箍的作用.......................................113

6.4.4.柱子設計.........................................115

6.4.5.柱中鋼筋構造要求.................................120

6.5.框架節點區抗震設計......................................121

6.5.1.強節點、強錨固...................................121

6.5.2.節點區設計剪力...................................122

6.5.3.節點區抗剪計算及箍筋構造.........................123

第七章剪力墻截面設計及構造.......................................125

7.1.墻肢截面承載力計算......................................126

7.1.1.正截面承載力計算.................................126

7.1.2.斜截面抗剪承載力計算.............................129

7.1.3.剪力墻的加強部位.................................133

7.2.連梁的設計..............................................134

7.2.1.抗彎承載力.......................................134

7.2.2.抗剪承載力.......................................134

第一章高層建筑結構體系及布置

本章重點：

匚高層結構體系的受力特點；

□高層結構體系的種類及應用范圍；

□高層結構體系的總體布置原則。

計劃學時：5學時

1.1.概述

隨著社會經濟的不斷發展，工業化、城市化進程的不斷加快，以

及土木工程和相關領域科學技術水平的提高，不僅使得高層、超高層

建筑的建造成為可能，而且發展速度也越來越快。自從1885年建成

10層高的家庭生命保險大廈（鋼結構，詹尼設計，1931年被拆除，

通常被認為是世界第一棟高層建筑）以后，高層建筑在世界各國都得

到了迅速的發展，許多高層建筑已成為了城市的標志性建筑。目

前世界上高度超過300m的超高層建筑已達幾十幢，其中，位于馬

來西亞首都吉隆坡的石油大廈，高度達到了451.9m,是目前世界上

已建成并投入使用的最高建筑。

馬來西亞石油大廈

近二十年來，高層建筑、超高層建筑在我國的發展速度完全可以

用"突飛猛進”來形容，僅上海市目前的高層、超高層建筑已達到了

2100幢，高度在100m以上的超高層建筑就有140余幢。其中，

上海金茂大廈高度為420.5m,是我國目前最高的建筑，世界排名第

三位。目前世界最高十大建筑和我國內地最高十大建筑見表1-1和表

1-2

世界最高卜大建筑表1-1

建筑名稱M市健成年份層敷高度(m)結構忖料用途

1石油大及吉碟城1996SS451.9當用途

2西爾斯大展芝加哥1974110443例辦公

1

3金改大鼠hM1998器420.3折合多用途

4世界貿晝中心鈕約1972110417惘辦公

5帝國大底黜的1931102381供辦公

6中環大反香港199278374?*±辦公

7中械大量香港19X970369合辦公

8T&C大廈2"IW7as548多用途

9義莫科大及芝加舒1973K0M6辦公

1

10漢考克大廈芝加哥100344

超國內投戰高十方建里衰1-2

持名城市it成年份層數M(m)結構材料用途

1金茂大度上卸19988S420.5鼠介辦公，熊餡

一.

一

2地上大.濯圳199681325M合辦公

3中天(中信)廣場1廣州199780322混凝上辦公

__

4東格廣場深圳199872292帆合辦公

5中銀大廈才島199658246混凝土辦公

6明天大廈h?|199860238混款上辦公

7上海交限金■大廈一北樓h*199855230混凝土辦公

8置漢世界貿易大反武漢199858229混凝土辦公

11

9浦東國際金融大量匕雨I99X56226組合辦公

110

彭年廣場深圳199858222?*±賓tn

高層建筑的出現，不僅改變了城市的建筑布局，而且為當地的經

濟發展起到了巨大的帶動作用。高層建筑的發展，得益于新材料的不

斷出現、力學分析方法和分析手段的發展、結構設計和施工技術的進

步以及現代化機械和電子技術的飛躍。隨著高性能材料的不斷研制和

開發，結構形式合理性的進一步研究，可以預見，在今后的土木工程

領域，高層建筑仍將是世界各國在城市建設中的主要形式，扮演重要

的角色。因此，掌握高層建筑的設計知識，是對土木工程領域技術人

員的基本要求。

1.1.1.高層建筑的界定

高層建筑有什么特點？

或者說什么樣的建筑算作高層建筑？

對于這一問題，世界各國有不同的劃分標準，或者說不同的國家

有不同的規定。1972年召開的國際高層建筑會議制訂了如下的劃分

標準：

①多層建筑W8層

/，第一類9T6層高度W50m

②高層建筑J第二類17-25層高度W75m

\、第三類25-40層高度W100m

③超高層建筑>40層高度>100m

我國《民用建筑設計通則》則規定，10層及10層以上的住宅

建筑以及高度超過24m的公共建筑和綜合性建筑為高層建筑，而高

度超過100m時，不論是住宅建筑還是公共建筑，一律稱為超高層建

筑。日本則將5層到15層的建筑稱為高層建筑，超過15層的建

筑均為超高層建筑。

事實上，究竟什么樣的建筑算作高層建筑，應該視建筑的結構體

系受力特點而定。如果建筑的結構體系，在側向力的作用下，表現出

了高層建筑的受力特點，則不論其高度如何，應該按照高層建筑來對

待。

1.1.2.高層建筑的特點

一般而論，高層建筑具有占地面積少、建筑面積大、造型特殊、

集中化程度高的特點。正是這一特點，使得高層建筑在現代化大都市

中得到了迅速的發展。在現代化大都市中，過度的人口和建筑密度，

城市用地日趨緊張，真可謂寸土千金，使得人們不得不向空間發展。

高層建筑占地面積少，不僅可以大量的節省土地的投資，而且有較好

的日照、采光和通風效果。但是，隨著建筑高度的增加，建筑的防火、

防災、熱島效應等已成為人們急待解決的難題。

從受力角度來看，隨著高層建筑高度的增加，水平荷載（風載及

地震作用）對結構起的作用將越來越大。除了結構的內力將明顯加大

外，結構的側向位移增加更快。圖1-1是結構內力（N,M）、位移

（口）與高度的關系，其中彎矩和位移均成指數曲線上升。由此可見,

高層建筑不僅需要較大的承載能力，而且需要較大的剛度，從而使水

平荷載產生的側向變形限制在一定的范圍內，滿足有關規范的要求。

上海金茂大廈

1.1.3.高層建筑的結構材料

現代高層建筑所采用的材料，主要是鋼材和混凝土兩種。不同國

家、不同地區、不同結構形式所采用的結構材料不同，大致有以下幾

種形式：

1、鋼結構

鋼材強度高、韌性大、易于加工。鋼結構構件可以在工廠加工,

縮短了現場施工工期，施工方便。高層鋼結構具有結構斷面小、自重

輕、抗震性能好等優點。

但是，高層鋼結構用鋼量大，造價高，而且鋼材的防火、防腐性

能不好，需要大量的防火涂料和防腐處理，增加了工程工期和造價。

下圖為美國芝加哥的西爾斯大廈，是目前世界上最高的鋼結構高

層建筑。

西爾斯大廈

2、鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構造價低，材料來源豐富，可以澆注成各種復雜的

斷面形式，節省鋼材，承載能力也不低。經過合理的設計，現澆鋼筋

混凝土結構具有較好的整體性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能

方面，更是有著鋼結構無法比的優勢。其缺點是自重較大，抗震性能

不如鋼結構，建造高度也不如鋼結構。香港的中環廣場大廈，是目前

最高的鋼筋混凝土結構，其次是朝鮮平壤市的柳京板店，101層，

高度319.8m0

3、鋼一混凝土組合結構

將型鋼布置在構件內部，外部由鋼筋混凝土做成，或者是在鋼管

內部填充混凝土，做成鋼一混凝土組合結構。此種形式使上述兩種結

構材料優勢互補，結構具有很好的抗震性能，建造高度可與鋼結構相

當。經濟合理、技術性能優良的鋼一混凝土組合結構，是目前的發展

趨勢。目前世界最高建筑——吉隆坡的石油大廈，就是這種結構形式。

1.1.4.高層建筑的發展簡介

高層建筑的發展大致可以分成古代高層建筑和現代高層建筑兩

部分。在古代，高層建筑主要是寺廟或紀念性建筑，結構形式大都是

木結構或磚石結構。如磚塔，許多磚塔經受了上千年的風吹雨打和地

震的搖撼而屹立至今，足見其設計和施工的高超技術。

河北定縣開元寺塔

但是，真正意義上的高層建筑，卻是自從1885年美國芝加哥市

建成10層高的家庭生命保險大廈開始的。此后10年中，在芝加

格和紐約相繼建成了30幢類似的高層建筑，尤其是1895年奧提斯

(Otis)安全電梯的投入應用，對高層建筑的發展起到了巨大的推動

作用。20世紀30年代，是現代高層建筑發展的第一個高潮。1931

年建成的紐約帝國大廈，102層，高度381m,保持了世界最高建筑

記錄長達41年之久。該建筑為鋼結構，采用了框架結構體系。

1929—1933年美國經濟發生嚴重經濟危機，1939年第二次世

界大戰全面爆發，使得高層建筑的發展幾乎處于停頓狀態。二戰后，

隨著鋼材焊接技術的成熟和發展，尤其是60年代美國人坎恩

(FazlerKhan)提出的框筒體系，為建造超高層建筑提供了理想的

結構形式。

紐約帝國大廈

從框筒體系中衍生出來的筒中筒、成束筒等結構體系，將高層建

筑的發展推向了第二個高潮。在美國出現了一批100層以上的超高

層建筑。如1969年芝加哥建成了100層、高344m的漢考克大

廈；1972年紐約建成了110層、高417m的世界貿易中心；1974

年芝加哥又建成了110層、高443m的西爾斯大廈。其中，西爾斯

大廈作為新的世界最高建筑，享譽22年之久。

日本是一個地震多發生國家，從抗震防災角度出發，政府曾規定

房屋高度不得超過31m。自從1965年取消此項規定后，高層建筑

在日本也得到了充分的發展。

我國的高層建筑的真正發展是在新中國成立以后。在50?60

年代，受當時經濟條件的限制，高層建筑規模小，發展速度也慢。1968

年建成的廣州賓館，27層，高88m,采用現澆鋼筋混凝土剪力墻

結構，是60年代我國建成的最高建筑。70年代以后，高層建筑在

我國的發展速度逐漸加快。1974年建成的北京倪店東樓，19層，

高87.15m,采用現澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結構，是當時北京市

最高的建筑。尤其是改革開放以后，國民經濟的發展為高層建筑的發

展創造了充分的經濟基礎，科學技術的發展又提供了技術條件，高層

建筑，甚至是超高層建筑在全國各地像雨后春筍般地矗立了起來。

1985年，深圳建成了63層、高158.65m的國際貿易中心大廈；

兩年后，63層、高200m的廣州國際大廈和57層、高208m的

北京京廣中心大廈又相繼開工。直到1998年，88.層、高420.5m

的上海金茂大廈的建成，標志著我國高層建筑的建設水平已經達到了

世界先進水平。

紐約世界貿易中心

但是，高層建筑在向人們展示它的美麗和優勢的同時，也逐漸暴

露出了一些急需解決的問題，如防火、防災、熱島效應、交通、污染

等。特別是2001年9月11日，恐怖分子劫機撞毀紐約世界貿易中

心大樓，大樓徹底坍塌，造成了巨大的生命和財產損失，使上述問題

受到社會各界的普遍關注。相信隨著科學技術的進步，人們會找到解

決辦法，使高層建筑、尤其是超高層建筑更好地為人類服務。

紐約世界貿易中心被毀

1.2.高層建筑的結構體系

所謂高層建筑的結構體系，是指結構抵抗外部作用的構件類型和

組成方式。在高層建筑中，隨高度增加，抵抗水平力作用下的側向變

形是主要問題。因此，抗側力結構體系的合理選擇和布置，就成為高

層建筑結構設計的關鍵。高層建筑的基本抗側力單元有框架、剪力墻、

實腹筒、框筒等，由此組成的結構體系有以下幾種。

1.2.1.框架結構體系

框架是由梁和柱剛結而成的平面結構體系。如果整幢結構都由框

架作為抗側向力單元，就稱為框架結構體系。

其優點是:

□建筑平面布置靈活，分隔方便;

□整體性、抗震性能好，設計合理時結構具有較好的塑性變形能

力；

匚外墻采用輕質填充材料時，結構自重小。

其缺點是：

側向剛度小，抵抗側向變形能力差。正是這一點，限制了框架結

構的建造高度。

其典型布置如圖所示。

1.2.2.剪力墻結構體系

一般是在鋼筋混凝土結構中，用實心的鋼筋混凝土墻片作為抗側

力單元，同時由墻片承擔豎向荷載。

其優點是：

口整體性好、剛度大，抵抗側向變形能力強；

□抗震性能較好，設計合理時結構具有較好的塑性變形能力。因

而剪力墻結構適宜的建造高度比框架結構要高。

其缺點是:

受樓板跨度的限制（一般為3?8m）,剪力墻間距不能太大,

建筑平面布置不夠靈活。

其典型布置如圖所示。

特殊情況下，為了在建筑底部做成較大空間，有時將剪力墻底部

做成為框架柱，形成框支剪力墻。

但是這種墻體上、下剛度形成突變，對抗震極為不利。故在地震

區不允許采用框支剪力墻結構體系。可以采用部剪力墻分落地、部分

剪力墻框支的結構體系，并且在構造上：

匚落地墻布置在兩端或中部，縱、橫向連接圍成筒體；

□落地墻間距不能過大；

匚落地剪力墻的厚度和混凝土的等級要適當提高，使整體結構

上、下剛度相近；

匚應加強過渡層樓板的整體性和剛度。

1.2.3.框架一剪力墻（框架一筒體）結構體系

將框架、剪力墻兩種抗側力結構結合在一起使用，或者將剪力墻

圍成封閉的筒體，再與框架結合起來使用，就形成了框架一剪力墻（框

架一筒體）結構體系。這種結構形式具備了純框架結構和純剪力墻結

構的優點，同時克服了純框架結構抗側移剛度小和純剪力墻結構平面

布置不夠靈活的缺點。

其典型布置如圖所示。

在框架一剪力墻（框架一筒體）結構體系中，剪力墻的布置應注

意以下幾點：

□剪力墻以對稱布置為好，可減少結構的扭轉。這一點在地震區

尤為重要；

匚剪力墻應上下貫通，使結構剛度連續而且變化均勻；

□剪力墻宜布置成筒體，建筑層數較少時，也應將剪力墻布置成

T型、L型、匚型等。便于剪力墻更好地發揮作用；

□剪力墻應布置在結構的外圍，可以加強結構的抗扭作用。但是

考慮溫度應力的影響和樓板平面內的變形，剪力墻的間距不應過大。

剪力墻間距應符合表1-3的要求。

橫向剪力墻的最大間距表1-3

1

抗震設計設防烈度

樓蔽形式非抗震設計

6-7度8度9度

現澆W5BW4BW3BW2B

W60mW50mW40mW30m

裝配粘體W3.5BW3BW2.5B

W50mW40n4301n

*B為樓板寬度

1.2.4.筒中筒結構體系

筒中筒結構體系是由內筒和外筒兩個簡體組成的結構體系。內筒

通常是由剪力墻圍成的實腹筒，而外筒一般采用框筒或桁架筒。其中

框筒是指由密柱深梁框架圍成的筒體，桁架筒則是筒體的四壁采用桁

架做成。與框筒相比，桁架筒具有更大的抗側移剛度。

筒體最主要的特點是它的空間受力性能。無論那一種簡體，在水

平力的作用下都可以看成是固定于基礎上的懸臂結構，比單片平面結

構具有更大的抗側移剛度和承載能力，因而適宜建造高度更高的超高

層建筑。同時，由于筒體的對稱性，簡體結構具有很好的抗扭剛度。

其典型布置如圖所示。

1.2.5.多筒體系一一成束筒和巨型框架

當采用多個筒體共同抵抗側向力時，就成為多簡體系。有以下兩

種形式：

(1)成束筒

兩個以上的筒體排列在一起成束狀，成為成束筒。成束筒的抗側

移剛度比筒中筒結構還要高，適宜的建造高度也更高。

(2)巨型框架

利用簡體作為柱子，在各筒體之間每隔數層用巨型大梁相連，由

筒體和巨型梁形成巨型框架。雖然仍是框架形式，由于梁和柱子的斷

面尺寸很大，巨型框架的抗側移剛度比一般框架要大的多，因而適宜

建造的建筑物高度比框架結構要大的多。

其典型布置形式如圖所示。

由此可見，不同的結構體系結構形式不同，抗側移剛度差別也較

大，適宜的建筑物高度也不相同。表1-4是我國《鋼筋混凝土高層

建筑設計與施工規程》給出的不同結構體系適宜的建筑物最大高度。

建筑物最大高度（m）表1?4

抗震設計

結構體系茸抗震設計

6度7度8度9度

框架6060554525

框架-剪力培13013012010050

部分也支12012010080/

剪力墻

無框支14014012010060

筒中筒及成束筒18018015012070

1.3.結構總體布置原則

一個建筑結構方案的確定，要涉及到安全可靠、使用要求、經濟

投入、施工技術和建筑美觀等諸多方方面面的問題。要求設計者綜合

運用力學概念、結構破壞機理的概念、地震對建筑物造成破壞的經驗

教訓、結構試驗結論和計算結果的分析判斷等進行設計，這在工程設

計中被稱為"概念設計"。概念設計雖然帶有一定的經驗性，涉及的范

圍十分豐富，但是它的基本原則是明確的。事實證明概念設計是十分

有效的。高層建筑由于體形龐大，一些復雜部位難以進行精確計算，

特別是對需要進行抗震設防的建筑，因為地震作用影響因素很多，要

進行精確計算更是困難。因此，在高層建筑設計中，除了要根據建筑

高度選擇合理的結構體系外，必須運用概念設計進行分析。本節討論

的結構總體布置原則，就是高層建筑設計中屬于概念設計的一些基本

原則。

131.控制結構的高寬比H/B

高寬比實際上反映了建筑物的"苗條"程度。在高層建筑的設計

中，控制側向位移是結構設計的主要問題。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。因此，建造寬度很小

的高層建筑是不合適的，應對建筑物的高寬比加以限制，見表1-5所

不O

高寬比限值（H/B）表1-5

抗震設計

結構類型非抗震設計

、度8度度

11679

I框架5542

框架一剪刀墻5543

剪力墻6654

箭中筒、成束筒6654

表1-5是《鋼筋混凝土高層建筑設計與施工規程》的規定，是

根據經驗得到的，可供初步設計時參考。如果體系合理、布置恰當，

經過驗算結構側向位移、自振周期、地震反應和風振下的動力效應在

理想的范圍內，則H/B值可以適當放寬。

1.3.2.結構的平面形狀

建筑物的平面形狀一般可以分為以下兩類：

1、板式

板式是指建筑物寬度較小、長度較大的平面形狀。在板式結構中，

因為寬度較小，平面短邊方向抗側移剛度較弱。當長度較大時，在地

震或風荷載作用下，結構會產生扭轉、樓板平面翹曲等現象。因此，

應對板式結構的長寬比L/B加以限制，一般情況下L/B不宜超過

4；當抗震設防烈度等于或大于8時，限制應更加嚴格。同時，板

式結構的高寬比也需控制的更嚴格一些。

2、塔式

塔式是指建筑物的長度和寬度相近的平面形狀。塔式平面形狀不

局限于方形或圓形，可以是多邊形、長寬相近的矩形、Y形、井字形、

三角形等。在塔式結構中，兩個方向抗側移剛度相近。尤其是平面形

狀對稱時，扭轉相對要小的多。在高層建筑、尤其是超高層建筑中，

多采用塔式平面形狀。

無論采用那一種平面形狀，都應遵循平面規則、對稱、簡單的原

則，盡量減少因平面形狀不規則而產生扭轉的可能性。

1.3.3.對抗震有利的結構布置形式

大量地震震害調查說明，建筑物平面布置不合理、剛度不均勻，

高低錯層連接、屋頂局部突出、高度方向剛度突變等，都容易造成震

害。在抗震設計中，必須遵循以下兩點使結構形式對抗震有利。

1、選擇有利于抗震的結構平面

平面形狀復雜、不規則、不對稱的結構，不僅結構設計難度大，

而且在地震作用的影響下，結構要出現明顯的扭轉和應力集中，這對

抗震是非常不利的。另外，各抗側力結構的剛度在平面內的布置也必

須做到均勻，盡可能對稱。避免剛度中心和水平力作用點出現過大偏

心距。故平面布置簡單、規則、對稱是應遵循的原則。

2、選擇有利于抗震的豎向布置

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。對結構頂部的局部突起的"鞭梢效應"，應有足夠

的重視。震害分析表明，這些部位往往是震害最嚴重的地方。

1.3.4.有關縫的設置

在一般房屋結構的總體布置中，考慮到沉降、溫度收縮和體型復

雜對房屋結構的不利影響，常常采用沉降縫、伸縮縫或防震縫將房屋

分成若干個獨立的部分，以消除沉降差、溫度應力和體型復雜對結構

的危害。對這三種縫，有關規范都作了原則性的規定。

但是，在高層建筑中常常由于建筑使用要求和立面效果的考慮，

以及防水處理困難等，希望少設縫或不設縫。目前在高層建筑中，總

的趨勢是避免設縫。并從總體布置上或構造上采取相應措施來減少沉

降、溫度和體型復雜引起的問題。

1.3.5,溫度差對房屋豎向的影響

季節溫差、室內外溫差和日照溫差對房屋豎向結構亦是有影響

的。當建筑物高度在30?40層以上時，就應考慮這種溫度作用。

1.3.6.高層建筑樓蓋

在高層建筑中，樓蓋不再是簡單的豎向分割和平面支撐。在高層

結構側向變形時，要求樓蓋應具備必要的整體性和平面內剛度。同時。

考慮到高層建筑平面較為復雜、盡量減少樓蓋的結構高度和重量，裝

配式樓蓋已不再適用，一般應采用現澆整體式或裝配整體式樓蓋。

1.3.7.基礎埋置深度及基礎形式

1、基礎埋置深度

高層建筑由于高度大、重量大，受到的地震作用和風荷載值較大,

因而傾覆力矩和剪力都比較大。為了防止傾覆和滑移，高層建筑的基

礎埋置深度要深一些，使高層建筑基礎周圍所受到的嵌固作用較大，

減小地震反應。《鋼筋混凝土高層建筑設計與施工規程》規定:

□在天然地基上基礎埋置深度不小于建筑物總高度的1/12。

L采用樁基時，樁基承臺的埋置深度不宜小于建筑物總高度的

1/150

□當地基為巖石時，基礎埋置深度可減小一些，但應采用地錨等

措施。

2、基礎形式

基礎承托房屋全部重量及外部作用力，并將它們傳到地基；另一

方面，它又直接受到地震波的作用，并將地震作用傳到上部結構。可

以說，基礎是結構安全的第一道防線。基礎的形式，取決于上部結構

的形式、重量、作用力以及地基土的性質。基礎形式有以下幾種：

匚柱下獨立基礎

適用于層數不多、地基承載力較好的框架結構。當抗震要求較高

或土質不均勻時，可在單柱基礎之間設置拉梁，以增加整體性。

匚條形基礎

條形基礎、交叉條形基礎比柱下獨立基礎整體性要好，可增加上

部結構的整體性。

匚鋼筋混凝土筏形基礎

當高層建筑層數不多、地基土較好、上部結構軸線間距較小且荷

載不大時，可以采用鋼筋混凝土筏形基礎。

□箱形基礎

是高層建筑廣泛采用的一種基礎類型。它具有剛度大、整體性好

的特點，適用于上部結構荷載大而基礎土質較軟弱的情況。它既能夠

抵抗和協調地基的不均勻變形，又能擴大基礎底面積，將上部荷載均

勻傳遞到地基上，同時，又使部分土體重量得到置換，降低了土壓力。

□樁基

也是高層建筑廣泛采用的一種基礎類型。樁基具有承載力可靠、

沉降小的優點，適用于軟弱土壤。震害調查表明，采用樁基常常可以

減少震害。但是必須注意，在地震區，應避免采用摩擦樁，因為在地

震時土壤會因震動而喪失摩擦力。

第二章荷載及設計要求

本章重點：

匚風荷載的計算；

□荷載效應組合；

匚高層建筑設計要求。

計劃學時：3學時

高層建筑所承受的荷載可分為豎向荷載和水平荷載兩部分。豎向

荷載中重力荷載和樓面活荷載與一般結構相同，在此不再重復。水平

荷載包括風荷載和水平地震作用。

設計要求包括荷載效應組合方法和承載力、變形的要求。

2.1.風荷載

空氣流動形成的風遇到建筑物時，就在建筑物的表面產生壓力或

吸力，這種風力作用稱為風荷載。

2.1.1.風荷載標準值

風對建筑物表面的作用力大小，與建筑物體型、高度、建筑物所

處位置、結構特性有關。垂直于建筑物表面的單位面積上的風荷載標

準值WK(KN/m2)可按下式計算。

式中，

Wo——高層建筑基本風壓值；

Uz——風壓高度變化系數；

Ms----------載體型系數；

Ps——風振系數。

1、高層建筑基本風壓值W。

我國《建筑結構荷載規范》給出了各地的基本風壓值。是用各地

區空曠平坦地面上離地10m高、統計30年重現期的10分鐘平均風

速Vo(m/s)計算得到的。

W=-^-(KNIm2)

基本風壓°1600

對于高層建筑，需要考慮重現期為50年的大風，對于特別重要

或者有特殊要求的高層建筑，需要考慮重現期為100年的強風。因

此要用基本風壓值Wo乘以系數1.1或1.2后，作為一般高層建筑

及特別重要的高層建筑的基本風壓值Woo

2、風壓高度變化系數也

風速大小不僅與高度有關，一般越靠近地面風速越小，愈向上風

速越大，而且風速的變化與地貌及周圍環境有直接關系。我國《建筑

結構荷載規范》將地面情況分為A、B、C三類：

A類地面粗糙度：指海岸、湖岸、海島及沙漠地區；

B類地面粗糙度：指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀

疏的中小城鎮和大城市的郊區；

C類地面粗糙度：指平均建筑高度在15m以上、有密集建筑

群的大城市市區。風壓高度變化系數出反應了不同高度處和不同地

面情況下的風速情況，具體見表2-1。

風壓高度變化系數表2-1

離地面高

5102030405060708090100150200

度(■)

地面A1.171.381.631.81.922.032.122.22.272.342.402.642.83

粗描［B0.81.01.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.61

度IC0SI0.710.941.111.241.361.461.551.611.721.792.112.36

3、風載體型系數陽

風載體型系數內是指建筑物表面所受實際風壓與基本風壓的比

值。通過實測可以看出，風壓在建筑物表面的分布不是均勻的，如教

材41頁圖2-2所示。在風荷載計算時，為簡化計算，一般將建筑

物各個表面的風壓看成是均勻分布的。風載體型系數的取值見教材表

2-2o

4、風振系數也

空氣在流動時，風速、風向都在不停地改變。建筑物所受到的風

荷載是不斷波動的。風壓的波動周期一般較長，對一般建筑物影響不

大，可以按靜載來對待。但是，對于高度較大或剛度相對較小的高層

建筑來講，就不能忽視風壓的動力效應。在設計中，用風振系數囪,

來考慮。

《建筑結構荷載規范》規定，對于高度大于30m,且高寬比大

于1.5的房屋建筑均需考慮風振系數。《高層規程》規定了有關風

振系數B乙的計算。詳見教材P43?P44。

2.1.2.總風荷載與局部風荷載

1、總風荷載

總風荷載是指建筑物各個表面所受風荷載的合力，是沿建筑物高

度變化的線荷載。通常按建筑物的主軸方向進行計算。

2、局部風荷載

局部風荷載是指在建筑物表面某些風壓較大的部位，考慮風壓對

局部某些構件的不利作用時考慮的風荷載。考慮部位一般是建筑物的

角隅或陽臺、雨篷等懸挑構件。

2.2.地震作用

地震作用在《房屋建筑抗震設計》課程中已有專門介紹，在此不

再重復。

2.3.荷載效應組合及設計要求

2.3.1.荷載效應組合

一般用途的高層建筑荷載效應組合分為以下兩種情況：

無地震作用組合：

S=YGCGGK+3*7/°卬卬*

有地震作用組合：

SE=y<￡GGE+Y&。￡?￡瓶+7d.C&ErT+"w7wCwW*

式中

s——無地震作用組合時的荷載總效應；

SE——有地震作用組合時的荷載總效應;

CGGK---永久荷載的荷載效應標準值；

CQIQIK---使用荷載的荷載效應標準值；

CQ2Q2K——其他可變荷載的荷載效應標準值；

CWWK——風荷載的荷載效應標準值；

九、小h——分別相應于上述各荷載效應的分項系

數；

——風荷載的組合系數。

CGGE——重力荷載代表值產生的荷載效應標準值（包括100%

自重標準值，50%雪荷載標準值，50?80%樓面活荷載標準值）；

CEhEhK——水平地震作用的荷載效應標準值；

CEVEVK——豎向地震作用的荷載效應標準值；

具體組合方式見教材P71表2-15所示。其中，2、3、4是高

層建筑的基本組合情況，在抗震設防烈度為9度的地區，才考慮5、

6、7三種情況。

2.3.2.設計要求

1、極限承載能力的驗算

極限承載能力驗算的一般表達式為

九SW/?

不考慮地震作用的組合內力

SEWRE/丫RE

s、sE——由荷載組合得到的構件內力設計值；

R、RE-----不考慮抗震及考慮抗震時構件承載力設計值;

結構重要性系數;

"------承載力抗震調整系數，可按下表采用

鋼筋混凝土構件承載力抗震調整系數

正截而抗彎承載力驗算斜截而抗剪及偏拉承載力驗算

柱

構件類別

梁軸壓比W軸壓比W剪力墻各類構件及框架節點

0.150.15

YRE0.750.750.800.850.85

2、位移限制

高層建筑的位移要限制在一定范圍內，這是因為：

口過大的位移會使人感覺不舒服，影響使用。這一點主要是對風

荷載而言的，在地震發生時，人的舒適感是次要的。

□過大的位移會使填充墻或建筑裝修出現裂縫或損壞，也會使電

梯軌道變形。

□過大的位移會使主體結構出現裂縫甚至損壞。匚過大的位移會

使結構產生附加內力，P-A效應顯著。

高層建筑對位移的限制，實際上是對抗側移剛度的要求。衡量標

準是結構頂點位移和層間位移，《高層規程》給出了有關位移的限制。

見教材P73表2-17o

3、大震下的變形驗算

按照我國《建筑結構抗震規范》提出的"三水準"（小震不壞、中

震可修、大震不倒）及"兩階段"（彈性階段、彈塑性階段）的設計原

則，遇到下列情況時，必須進行罕遇地震作用下的變形驗算：

7—9度設防的、樓層屈服強度系數4》，小于0.5的框架結

構；

7—9度設防的、高度較大且沿高度結構的剛度和質量分布很

不均勻的高層建筑；

□特別重要的建筑。

其中，樓層屈服強度系數＞按下式計算

式中，匕“——按樓層實際配筋及材料強度標準值計算的樓層承

載力，以樓層剪力表示；

Ve——在罕遇地震作用下，由等效地震荷載按彈性計算所得的樓

層剪力。具體驗算見教材P73和《建筑結構抗震規范》。

第三章框架結構的內力和位移計算

本章重點：

□反彎點法的計算理論及適用范圍；

□D值法的基本假定和影響反彎點的因素;

二框架側移的特點及計算方法。

計劃學時：5學時

無論是本章介紹的框架結構，還是后面要討論的剪力墻結構、框

架一剪力墻結構，其內力計算都比較繁瑣，一般不采用手算。尤其是

筒中筒結構、成束筒和巨型框架結構，更是無法用手算完成。多采用

計算軟件用計算機來完成。這就要求計算者能夠對計算機的計算結果

作出正確的分析和判斷。這種分析判斷能力，需要一定的工作經驗積

累。掌握一定的手算方法，對于了解結構的受力特點是非常有利的。

本章和后面各章介紹手算方法的目的正在于此。

框架結構的計算簡圖，就是《結構力學》中討論的剛架，因而其

內力計算方法大家都比較熟悉。本章介紹常用的一些近似計算方法。

3.1.框架結構在豎向荷載作用下的近似計算一分

層法

框架所承受的豎向荷載一般是結構自重和樓（屋