高层结遐设 教案 山东大学 土建与水利学院 萨云冱
高层建筑结构设计 教案 山东大学 土建与水利学院 薛云冱
目 录 第一章:高层建筑结构体系及布置 …(2) §1-1概述 §1-2高层建筑的结构体系……… §1-3结构总体布置原则… 第二章:荷载及设计要求 …(12) §2-1风荷载 (12) 2-2地震作用…………… …(13) §2-3荷载效应组合及设计要求 第三章:框架结构的内力和位移计算… …(15) §3-1框架结构在竖向荷载作用下的近似计算一分层法………(15) §3-2框架结构在水平荷载作用下的近似计算(一)一反弯点法…(16) §3-3框架结构在水平荷载作用下的近似计算(二)一改进反弯 点(D值)法…… §3-4框架在水平荷载作用下侧移的近似计算… 第四章:剪力墙结构的内力和位移计算 ……………(20 §4-1剪力墙结构的计算方法· (20) §4-2整体墙的计算……… §4-3双肢墙的计算 §4-4关于墙肢剪切变形和轴向变形的影响以及各类剪力墙划 分判别式的讨论 (24) §4-5小开口整体墙的计算………………… ……(29) §4-6多肢墙和壁式框架的近似计算…… 第五章:框架一剪力墙结构的内力和位移计算 …(30) §5-1框架一剪力墙的协同工作………… (30) §5-2总框架的剪切刚度 (31) §5-3框一剪结构铰结体系在水平荷载下的计算………………(32) §5-4框一剪结构刚结体系在水平荷载下的计算 …(33) §5-5框架一剪力墙的受力特征及计算方法应用条件的说明· §5-6结构扭转的近似计算 第六章:框架截面设计及构造 ………(36) §6-1框架延性设计的概念…………………… (36) 6-2框架截面的设计内力……… 6-3框架梁设计 (39) 6-4框架柱设计…… §6-5框架节点区抗震设计……… 第七章:剪力墙截面设计及构造…………… §7-1墙肢截面承载力计算 §7-2连梁的设计…………………………………(53)
1 目 录 第一章：高层建筑结构体系及布置………………………………………………(2) §1-1 概述 …………………………………………………………………(2) §1-2 高层建筑的结构体系 ………………………………………………(7) §1-3 结构总体布置原则 …………………………………………………(9) 第二章：荷载及设计要求…………………………………………………………(12) §2-1 风荷载………………………………………………………………(12) §2-2 地震作用……………………………………………………………(13) §2-3 荷载效应组合及设计要求…………………………………………(14) 第三章：框架结构的内力和位移计算……………………………………………(15) §3-1 框架结构在竖向荷载作用下的近似计算—分层法………………(15) §3-2 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（一）—反弯点法……(16) §3-3 框架结构在水平荷载作用下的近似计算（二）—改进反弯 点（D 值）法………………………………………………………(17) §3-4 框架在水平荷载作用下侧移的近似计算…………………………(18) 第四章：剪力墙结构的内力和位移计算…………………………………………(20) §4-1 剪力墙结构的计算方法……………………………………………(20) §4-2 整体墙的计算………………………………………………………(22) §4-3 双肢墙的计算………………………………………………………(23) §4-4 关于墙肢剪切变形和轴向变形的影响以及各类剪力墙划 分判别式的讨论 …………………………………………………(24) §4-5 小开口整体墙的计算………………………………………………(29) §4-6 多肢墙和壁式框架的近似计算……………………………………(30) 第五章：框架—剪力墙结构的内力和位移计算…………………………………(30) §5-1 框架—剪力墙的协同工作…………………………………………(30) §5-2 总框架的剪切刚度…………………………………………………(31) §5-3 框—剪结构铰结体系在水平荷载下的计算………………………(32) §5-4 框—剪结构刚结体系在水平荷载下的计算………………………(33) §5-5 框架—剪力墙的受力特征及计算方法应用条件的说明…………(36) §5-6 结构扭转的近似计算………………………………………………(36) 第六章：框架截面设计及构造……………………………………………………(36) §6-1 框架延性设计的概念………………………………………………(36) §6-2 框架截面的设计内力………………………………………………(37) §6-3 框架梁设计…………………………………………………………(39) §6-4 框架柱设计…………………………………………………………(42) §6-5 框架节点区抗震设计………………………………………………(47) 第七章：剪力墙截面设计及构造…………………………………………………(49) §7-1 墙肢截面承载力计算………………………………………………(49) §7-2 连梁的设计…………………………………………………………(53)
第一章高层建筑结构体系及布置 本章重点:①高层结构体系的受力特点 ②高层结构体系的种类及应用范围 ③高层结构体系的总体布置原则 计划学时:5学时 §1-1概述 随着社会经济的不断发展,工业化、城市化进程的不断加快,以及土木工程 和相关领域科学技术水 平的提高,不仅使得高 层、超高层建筑的建造 成为可能,而且发展速 度也越来越快。自从 1885年建成10层高的家 庭生命保险大厦(钢结 构,詹尼设计,1931年 被拆除,通常被认为是 世界第一栋高层建筑) 以后,高层建筑在世界 各国都得到了迅速的发 展,许多高层建筑已成 为了城市的标志性建 筑。目前世界上高度超 过300m的超高层建筑 已达几十幢,其中,位 于马来西亚首都吉隆坡 的石油大厦,高度达到 了4519m,是目前世界 上已建成并投入使用的 最高建筑。近二十年来, 高层建筑、超高层建筑 在我国的发展速度完全 可以用“突飞猛进”来 形容,仅上海市目前的 高层、超高层建筑已达 到了2100幢,高度在100m 马来西亚石油大厦 以上的超高层建筑就有140余幢 其中,上海金茂大厦高度 为420.5m,是我国目前最高的建筑,世界排名第三位。目前世界最高十大建筑
2 第一章 高层建筑结构体系及布置 本章重点：①高层结构体系的受力特点； ②高层结构体系的种类及应用范围； ③高层结构体系的总体布置原则。 计划学时：5 学时 §1-1 概述 随着社会经济的不断发展，工业化、城市化进程的不断加快，以及土木工程 和相关领域科学技术水 平的提高，不仅使得高 层、超高层建筑的建造 成为可能，而且发展速 度也越来越快。自从 1885年建成10层高的家 庭生命保险大厦（钢结 构，詹尼设计， 1931 年 被拆除，通常被认为是 世界第一栋高层建筑） 以后，高层建筑在世界 各国都得到了迅速的发 展，许多高层建筑已成 为了城市的标志性建 筑。目前世界上高度超 过 300m 的超高层建筑 已达几十幢，其中，位 于马来西亚首都吉隆坡 的石油大厦，高度达到 了 451.9m，是目前世界 上已建成并投入使用的 最高建筑。近二十年来， 高层建筑、超高层建筑 在我国的发展速度完全 可以用“突飞猛进”来 形容，仅上海市目前的 高层、超高层建筑已达 到了 2100 幢，高度在 100m 马来西亚石油大厦 以上的超高层建筑就有 140 余幢。 其中，上海金茂大厦高度 为 420.5m，是我国目前最高的建筑，世界排名第三位。目前世界最高十大建筑
和我国内地最高十大建筑见表1-1和表1-2 世界最高十大建筑 表1-1 非名建筑名称|城市建成年份层数高度(m)结构材料用途 石油大厦吉隆坡 451.9 组合多用途 2西尔斯大厦芝加哥1974110 443 办公 金茂大厦 上海 420.5 组合多用途 4世界贸易中心纽约 1972 417 办公 帝国大厦纽约1931102 381 办公 中环大厦香港 374 混凝土办公 中银大厦香港 1989 369 组合 办公 T&C大厦高雄 1997 多用途 艾莫科大厦芝加哥1973 346 办公 10「汉考克大厦芝加哥 44 多用途 我国内地最高十大建筑 表1-2 排名 建筑名称 城市建成年份|层数高度(m)结构材料用途 金茂大厦 上海199888 420.5 合办公、宾馆 地王大厦 深圳|1996 办公 中天(中信)广场 广州|1997 80 322 昆凝土 办公 塞格广场 深圳199872 组合 办公 中银大厦 1996 246 月天大厦 上海199860238混凝土办公 7上海交银金融大厦一北楼上海1998 230 混凝土 办公 武汉世界贸易大厦武汉1998 混凝土 办公 浦东国际金融大厦上海1998 组合 办公 彭年广场 混凝土 高层建筑的出现,不仅改变了城市的建筑布局,而且为当地的经济发展起到 了巨大的带动作用。高层建筑的发展,得益于新材料的不断出现、力学分析方法 和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞 跃。随着高性能材料的不断研制和开发,结构形式合理性的进一步研究,可以预 见,在今后的土木工程领域,高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式, 扮演重要的角色。因此,掌握高层建筑的设计知识,是对土木工程领域技术人员 的基本要求。 、高层建筑的界定 高层建筑有什么特点?或者说什么样的建筑算作高层建筑?对于这一问题, 世界各国有不同的划分标准,或者说不同的国家有不同的规定。1972年召开的 国际高层建筑会议制订了如下的划分标准
3 和我国内地最高十大建筑见表 1-1 和表 1-2。 世界最高十大建筑 表 1-1 排 名 建筑名称 城 市 建成年份 层 数 高度（m） 结构材料 用途 １ 石油大厦 吉隆坡 1996 88 451.9 组合 多用途 ２ 西尔斯大厦 芝加哥 1974 110 443 钢 办公 ３ 金茂大厦 上海 1998 88 420.5 组合 多用途 ４ 世界贸易中心 纽约 1972 110 417 钢 办公 ５ 帝国大厦 纽约 1931 102 381 钢 办公 ６ 中环大厦 香港 1992 78 374 混凝土 办公 ７ 中银大厦 香港 1989 70 369 组合 办公 ８ Ｔ&Ｃ大厦 高雄 1997 85 348 钢 多用途 ９ 艾莫科大厦 芝加哥 1973 80 346 钢 办公 １０ 汉考克大厦 芝加哥 1969 100 344 钢 多用途 我国内地最高十大建筑 表 1-2 排名 建筑名称 城市 建成年份 层数 高度（ｍ） 结构材料 用途 １ 金茂大厦 上海 1998 88 420.5 组合 办公、宾馆 ２ 地王大厦 深圳 1996 81 325 组合 办公 ３ 中天（中信）广场 广州 1997 80 322 混凝土 办公 ４ 塞格广场 深圳 1998 72 292 组合 办公 ５ 中银大厦 青岛 1996 58 246 混凝土 办公 ６ 明天大厦 上海 1998 60 238 混凝土 办公 ７ 上海交银金融大厦－北楼 上海 1998 55 230 混凝土 办公 ８ 武汉世界贸易大厦 武汉 1998 58 229 混凝土 办公 ９ 浦东国际金融大厦 上海 1998 56 226 组合 办公 １０ 彭年广场 深圳 1998 58 222 混凝土 宾馆 高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑布局，而且为当地的经济发展起到 了巨大的带动作用。高层建筑的发展，得益于新材料的不断出现、力学分析方法 和分析手段的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代化机械和电子技术的飞 跃。随着高性能材料的不断研制和开发，结构形式合理性的进一步研究，可以预 见，在今后的土木工程领域，高层建筑仍将是世界各国在城市建设中的主要形式， 扮演重要的角色。因此，掌握高层建筑的设计知识，是对土木工程领域技术人员 的基本要求。 一、高层建筑的界定 高层建筑有什么特点？或者说什么样的建筑算作高层建筑？对于这一问题， 世界各国有不同的划分标准，或者说不同的国家有不同的规定。1972 年召开的 国际高层建筑会议制订了如下的划分标准：
①多层建筑 ≤8层 第一类 9~16层 高度≤50m ②高层建筑 第二类 17~25层 高度≤75m 第三类 25~40层 高度≤100m ③超高层建筑 高度>100m 我国《民用建筑设计通则》则规定,10层及 10层以上的住宅建筑以及高度超过24m的公共 建筑和综合性建筑为高层建筑,而高度超过100m 时,不论是住宅建筑还是公共建筑,一律称为超 高层建筑。日本则将5层到15层的建筑称为高 层建筑,超过15层的建筑均为超高层建筑。 事实上,究竟什么样的建筑算作高层建筑, 应该视建筑的结构体系受力特点而定。如果建筑 的结构体系,在侧向力的作用下,表现出了高层 建筑的受力特点,则不论其高度如何,应该按照 高层建筑来对待 、高层建筑的特点 般而论,高层建筑具有占地面积少、建筑 面积大、造型特殊、集中化程度髙的特点。正是 这一特点,使得高层建筑在现代化大都市中得到 了迅速的发展。在现代化大都市中,过度的人口 和建筑密度,城市用地日趋紧张,真可谓寸土千 金,使得人们不得不向空间发展。高层建筑占地 面积少,不仅可以大量的节省土地的投资,而且 有较好的日照、采光和通风效果。但是,随着建 筑高度的增加,建筑的防火、防灾、热岛效应等 已成为人们急待解决的难题。 从受力角度来看,随着高层建筑高度的增 上海金茂大厦 加,水平荷载(风载及地震作用)对结构起的 作用将越来越大。除了结构的内力将明显加大 外,结构的侧向位移增加更快。图1-1是结构 内力(N,M)、位移(△)与高度的关系,其中 弯矩和位移均成指数曲线上升。由此可见,高 层建筑不仅需要较大的承载能力,而且需要较 大的刚度,从而使水平荷载产生的侧向变形限 制在一定的范围内,满足有关规范的要求。 、高层建筑的结构材料 现代高层建筑所采用的材料,主要是钢材和混凝土两种。不同国家、不同地 区、不同结构形式所采用的结构材料不同,大致有以下几种形式
4 ①多层建筑 ≤8 层 第一类 9~16 层 高度≤50m ②高层建筑 第二类 17~25 层 高度≤75m 第三类 25~40 层 高度≤100m ③超高层建筑 ＞40 层 高度＞100m 我国《民用建筑设计通则》则规定，10 层及 10 层以上的住宅建筑以及高度超过 24ｍ的公共 建筑和综合性建筑为高层建筑，而高度超过 100m 时，不论是住宅建筑还是公共建筑，一律称为超 高层建筑。日本则将 5 层到 15 层的建筑称为高 层建筑，超过 15 层的建筑均为超高层建筑。 事实上，究竟什么样的建筑算作高层建筑， 应该视建筑的结构体系受力特点而定。如果建筑 的结构体系，在侧向力的作用下，表现出了高层 建筑的受力特点，则不论其高度如何，应该按照 高层建筑来对待。 二、高层建筑的特点 一般而论，高层建筑具有占地面积少、建筑 面积大、造型特殊、集中化程度高的特点。正是 这一特点，使得高层建筑在现代化大都市中得到 了迅速的发展。在现代化大都市中，过度的人口 和建筑密度，城市用地日趋紧张，真可谓寸土千 金，使得人们不得不向空间发展。高层建筑占地 面积少，不仅可以大量的节省土地的投资，而且 有较好的日照、采光和通风效果。但是，随着建 筑高度的增加，建筑的防火、防灾、热岛效应等 已成为人们急待解决的难题。 从受力角度来看，随着高层建筑高度的增 上海金茂大厦 加，水平荷载（风载及地震作用）对结构起的 作用将越来越大。除了结构的内力将明显加大 外，结构的侧向位移增加更快。图 1-1 是结构 内力（N，M）、位移（△）与高度的关系，其中 弯矩和位移均成指数曲线上升。由此可见，高 层建筑不仅需要较大的承载能力，而且需要较 大的刚度，从而使水平荷载产生的侧向变形限 制在一定的范围内，满足有关规范的要求。 三、高层建筑的结构材料 现代高层建筑所采用的材料，主要是钢材和混凝土两种。不同国家、不同地 区、不同结构形式所采用的结构材料不同，大致有以下几种形式：