ganggouren
“转自：结构设计-公众号“
概述
1、高层建筑的定义：
通常以建筑的高度和层数两个指标来判定，但世界范围内目前还没有一个统一的划分标准。
1）国外：
（1）美国规定：高度为22~25m以上或7层以上建筑为高层建筑；
（2）英国规定：高度为24.3m以上的建筑为高层建筑；
（3）日本规定：8层以上或高度超过31m的建筑为高层建筑。
2）我国：
（1）《高层民用建筑设计规范》GB50045-95 和《高层民用建筑设计防火规范》 GBJ50016-2014和 规定： ≥10层的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）或≥24m的公共建筑。
（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）规定：≥10层 或 ≥28m；（本文章内容的依据）
2、高层建筑的意义：
1）节地，占地面积少
在相同的建设场地中，建造高层建筑可以获得更多的建筑面积，这样可以部分解决城市用地紧张和地价高涨问题。 9-10层的建筑比5层的节约用地23%-28%，16-17层的建筑比5层的节约用地32%-49%。
2）有效利用空间资源
在建筑面积与建设场地面积相同比值的情况下，建造高层建筑比多层建筑能够提供更多的空闲地面，将这些空闲地面用作绿化和休息场地，有利于美化环境。
3）节省城市建设和管理的投资
高层建筑向高空延伸，可以缩小城市的平面规模，缩短城市道路和各种公共管线的长度，从而节省城市建设和管理的投资
4）在设备完善的情况下，垂直交通比水平交通方便。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。
高层建筑结构的设计要点
1、水平荷载成为设计的决定性因素：
1）竖向荷载产生轴向压力与结构高度的一次方成正比；
2）水平荷载产生的倾覆力矩与高度的二次方成正比。
2、侧移成为设计的控制指标：
1）结构顶点的侧移 ut与结构高度 H 的四次方成正比；
2）结构的侧移与结构的使用功能和安全有着密切的关系； 过大侧移会使人产生不安全感；使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因P-△效应而使结构产生的附加内力，甚至破坏。
3）必须选择可靠的抗侧力结构体系，使结构不仅具有较大的承载力，而且还应具有较大的侧向刚度。
3、轴向变形的影响在设计中不容忽视
1）竖向荷载产生的结构轴向变形对其内力及变形的影响;
2)对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响；
Houston 75层的某商业大厦，采用剪力墙和钢柱混合体系，由于钢柱负荷面积大，其底层钢柱压缩变形比墙多260mm。
3）水平荷载产生的结构轴向变形对其内力及侧移的影响
水平荷载作用下，使竖向结构体系一侧构件产生轴向压缩，另一侧构件产生轴向拉伸，从而产生整体水平侧移。
由表可知，结构层数越高，轴向变形所产生的影响越大。
4、延性成为转自：结构设计-公众号的重要指标
1）延性表示构件和结构屈服后，具有承载能力不降低、具有足够塑性变形能力的一种性能。
2）延性系数μ：用来衡量延性的大小。
3）结构的抗震性能决于其“能量吸收与耗散”能力的大小，即决于结构延性的大小。
4）为了保证结构具有较好的抗震性能，除承载力、刚度外，还需要有较好的延性。可通过加强结构抗震概念设计，采取恰当的抗震构造措施来保证。
5、结构材料用量显著增加
1）对于高层建筑结构，随高度增大，材料用量增大较多。
2）特别是水平荷载对材料用量影响较大。
3）结构方案对材料用量影响很大，水平力作用下对结构进行优化设计至关重要。
如筒体结构可使结构用钢量大幅度减小，高381m的帝国大厦，采用平面框架结构体系，用钢量为206kg/㎡，采用筒体结构,高344m的约翰.汉考克大厦用钢量仅为146kg/㎡，高443m的西尔斯大厦用钢量仅为161kg/㎡。
高层建筑结构的类型
按使用的材料，高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构等类型。
1、砌体结构
优点：取材容易、施工简便、造价低廉；
缺点：脆性材料，其抗拉、 抗弯、抗剪强度均较低，抗震性能较差；
配筋砌体可改善砌体的受力性能，但较少用于高层。
2、混凝土结构
优点：取材容易、良好耐久性和耐火性、承载能力大，刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好；
缺点：自重大、构件截面较大、施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响；
应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今后仍将是高层建筑发展的主流。
3、钢结构
优点：材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、施工周期短、抗震性能好；
缺点：用钢量大、造价高、防火性能差、刚度差；
应用情况：采用钢结构的高层建筑不断的增多；美国、日本等从钢结构起步建造高层建筑的国家已转向发展混凝土结构。
目前世界上最高的钢结构建筑为美国芝加哥西尔斯大厦，110层、高443m。
4、钢-混凝土组合结构或混合结构
不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点，同时还兼有混凝土结构刚度大、防火性能好、造价低的优点。
近年来，这种结构形式逐渐增多，而且发展前景非常好。
定义：钢-混凝土组合结构、钢-混凝土混合结构
（1）组合结构：将钢骨放在构件内部，外部，采用外包或内填混凝土，称为钢骨混凝土 或钢管混凝土。（形成组合构件）
（2）混合结构：指由钢构件、钢筋混凝土构件或钢骨混凝土组合构件一起组成的空间结构。（形成混合结构）
结构体系
结构体系-是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式,是建筑物的受力（传力）（传载）构件系统。
主要分为：竖向结构体系和水平结构体系及基础。
水平结构体系：主要由梁、板等组成的楼板、屋盖等，承担竖向荷载。
水平结构除承受作用于楼面或屋面的竖载外，另一个重要作用是：连接各竖向结构构件，形成一个空间整体结构。
竖向结构体系：主要由柱、剪力墙、筒体等构件组成。主要传递（承受）水平力。
随高度H的增加水平力越来越大，因此要给建筑物设计一个强大的抵抗水平力的结构构件系统，如剪力墙结构体系等。
基础：承托房屋全部重量及外部作用力，并将它们传到地基；另一方面，它又直接受到地震波的作用，并将地震作用传到上部结构。
可以说，基础是结构安全的第一道防线。基础的形式，取决于上部结构的形式、重量、作用力以及地基土的性质。
高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、框剪、筒体等，由它们可以组成多种结构体系。
框架结构体系
1、定义
房屋结构均由梁、柱构件通过节点连接而构成。
注：由Ｌ形、Ｔ形、Ｚ形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构，截面各肢的肢高肢厚比不大于4。
框架结构柱网布置示意一
2、受力变形特点
框架结构的侧移一般由两部分组成：
1）水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形Us；
2）由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩）形成框架结构的整体弯曲变形Ub；
3）当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。
注：框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形。
3、优缺点
1）优点：建筑平面布置灵活，能获得大空间（特别适用于商场、餐厅等）也可按需要隔成小房间；建筑立面容易处理；结构自重较轻；计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。
2）缺点：侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，有时会影响正常使用；如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较大。因此，设计时应控制房屋的高度和高宽比。（以15~20层以下为宜）
剪力墙结构体系
1、定义
房屋竖向称重结构全部由剪力墙组成。
2、受力变形特点：
在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱；
在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱。
注：
1）剪力墙结构属于刚性结构，对于高宽比较大的剪力墙，侧向变形呈弯曲型。
2）剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。
2、优缺点：
1）优点：剪力墙结构水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小；房间墙面及天花板平整，层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑。（结构高度：几十米~ 一百多米）
2）缺点：结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间（一般剪力墙间距3~8m）。
3、布置原则
1）在平面上应沿建筑物主轴方向布置
2）墙体尽量对直、拉通，否则，不能视为整体墙
3）平面形状尽量简单、规则、对称
4）沿竖向宜全高贯通，墙厚沿竖向逐渐减薄，避免竖向刚度突变
5）当建筑平面形状任意时，受力复杂处，剪力墙应适当加密
6）剪力墙宜设于建筑物两端，楼、电梯间及平面刚度有变化处，同时，以纵横向相互连接在一起为有利
4、剪力墙结构的平面布置方案
1）横墙承重方案：
横墙间距即为楼板的跨度，通常剪力墙的间距为6～8M较经济。
2）纵横墙共同承重方案：
楼板支承在进深大梁和横向剪力墙，而大梁又搁置在纵墙上，形成纵横墙共同承重的方案。
在实际工程中以横墙承重方案居多数。
框架-剪力墙结构体系
1、定义：
为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系。
框架——主要承担竖向荷载
剪力墙——主要承担水平力
框剪结构透视图
2、受力变形特点
框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙，通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。
注：当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。
3、优点
兼有框架和剪力墙的优点，比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，比剪力墙结构布置灵活，可应用于 10～20 层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。
4、框架-剪力墙结构中剪力墙的数量和布置：
1）剪力墙的数量：不宜过多，以满足位移限值为宜。
2）剪力墙的布置：不宜过长；不宜少于3道，最好作成筒体；对称布置；在纵横向数量接近；应贯通全高，上下刚度连贯而均匀。
筒体结构体系
1、定义
是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系
2、分类：实腹筒、框筒和桁架筒。
1）实腹筒：钢筋混凝土剪力墙围成的筒体。
2）框筒：布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。
3）桁架筒：将筒体的四壁做成桁架，就形成 桁架筒。
筒体结构：剪力墙围成的薄壁桶和由密柱框架或壁式框架围成的框桶等。
3、受力变形特点：
筒体最主要的受力特点是它的空间性能，在水平荷载作用下，筒体可视为下端固定、顶端自由的悬臂构件。
注：
1）空间性能：按材料力学计算其应力分布特点。
2）剪力滞后现象：对于框筒结构，在翼缘框架中，远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小；在腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。上述现象称为剪力滞后。
3）产生剪力滞后现象的原因：框筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形，从而使柱之间的轴力传递减弱
4）如何减少剪力滞后：
（1）要求设计密柱深梁；
（2）建筑平面应接近方形；
（3）结构高宽比宜大于3，高度不小于60m；
（4）楼板的整体性好。
4、优点：
筒体结构具有很大的侧向刚度及水平承载力，并具有很好的抗扭刚度。
5、应用：
1）筒中筒结构
一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。
2）多筒结构——束筒
束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。
3）巨型框架
利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即构成巨型框架。巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。
由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架（只承受竖向荷载），也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。
框架-核心筒结构体系
1、定义：
由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。
2、受力变形特点：
筒体主要承担水平荷载，框架主要承担竖向荷载。结构兼有框架结构与筒体结构两者的优，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较大的侧向刚度和水平承载力，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构类似。
3、与筒中筒结构的区别：
1）筒中筒结构具有良好的空间性能；框架-核心筒结构按平面结构进行分析。
2）框架一核心筒结构的抗侧刚度远小于筒中筒结构。
3）筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主；框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分。
带转换层结构
转换层：由于建筑使用功能的改变导致结构布置的改变，此时需要设置转换层衔接上、下部分不同的结构。
设置转换层的必要性——功能要求
建筑功能要求转换：
转换层的类型：
柱距的转换：上层小柱距——下层大柱距
结构类型转换：上层剪力墙——下层柱
柱距和结构类型同时转换
柱距转换——框筒
51层，178m，筒中筒体系，1－4层商用，5层以上办公。
外框筒柱距2.4m，无法设置出入口，故通过2×5.5m的大梁把柱距转换成16.8m和12m。
结构转换——框支剪力墙
地上28层，高94m。6层楼板厚度为200mm，在墙下设托梁转换层楼板，钢筋混凝土柱直径1m
房屋建筑适用的最大高度和高宽比
1、最大适用高度
规程中将高层建筑分为了两级，即常规高度的高层建筑（A级）和超限高层建筑（B级）（表2-3），分别给出了其适用的最大高度。
2、高宽比限值
为了宏观控制结构的刚度、稳定和承载力，表2-3为各种钢筋混凝土结构体系的适宜高度范围。
规范限制了高层建筑的最大高宽比。分别按钢筋混凝土常规建筑（A级）和超限高层建筑（B级）、钢结构及混合结构限制。
表2-3 各种钢筋混凝土结构体系的
适宜高度范围
未完待续 且待下回分解。
本文由筑龙转自：结构设计-公众号小编归纳整理
