浅谈高层建筑结构体系的发展和应用.docx

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浅谈高层建筑结构体系的发展和应用

网络高等教育

本科生毕业论文（设计）

题目：

浅谈高层建筑结构体系的发展和应用

学习中心：

重庆万州奥鹏学习中心[16]VIP

层次：

专科起点本科

专业：

土木工程

年级：

2011年秋季

学号：

111511403201

学生：

何帆

指导教师：

张园园

完成日期：

2014年07月03日

内容摘要

结构艺术，对于传统的建筑艺术来讲，是相对新的概念。

它建立在对工程原理—特别是结构原理和性能—充分理解的基础上，并包含三个基本要素：

效能，经济和雅致。

 结构的效能，主要应考虑充分发挥结构材料的力学性能，有效减少结构材料的消耗，达到少费多用的目的。

结构的经济，即结构的经济性，就是要求用较少的钱建尽可能多的建筑。

不过，用最少的材料和造价进行设计还是不够的，单纯的效能和经济观点已经造出太多没有吸引力的结构物。

所以，在这两个方面还必须补充雅致这个要素，即用美学的原则来表现结构，使结构物升华为结构艺术。

总之，优秀的作品必须具备技术和艺术两方面的高品质。

同时，考虑到社会现实的因素，结构的经济性也不可忽略。

结构只有同时具备了以上三方面基本要素时，才可能升华为结构艺术。

关键词：

高层建筑；结构体系；框架结构；剪力墙结构

目录

内容摘要I

引言1

1绪论2

1.1高层建筑发展情况2

1.2高层建筑结构体系的发展和应用情况2

2高层建筑中常用结构体系及特点3

2.1框架结构3

2.1.1特点3

2.1.2应用实例4

2.2剪力墙结构4

2.2.1特点4

2.2.2应用实例5

2.3框架-剪力墙结构5

2.3.1特点5

2.3.2应用实例6

2.4筒体结构6

2.4.1特点7

2.4.2应用实例8

2.5巨型结构8

2.5.1特点8

2.5.2应用实例9

3高层建筑结构的设计特点10

3.1水平荷载成为设计的决定性因素10

3.2侧移成为设计的控制指标10

3.3轴向变形的影响在设计中不容忽视11

3.4延性成为结构设计的重要指标11

3.5动力效应大11

3.6扭转效应大11

3.7结构的稳定和抗倾覆11

3.8温差过大产生的温度应力及变形大12

4高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题13

4.1结构的平面形状及立面型式13

4.2结构刚度13

4.3高宽比限制13

4.4侧向位移限制13

5结论与展望14

参考文献15

附录16

引言

现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，城市的可利用土地面积越来越少，城市建筑高层化的趋势越来越明显，所占比例逐年上升。

同时高层建筑的合理性和科学性，促使高层建筑的结构更进一步的提高，主要是新材料、抗震、低碳及新技术的广泛应用。

我国人多地少,既要解决庞大人口的吃饭问题,又要解决庞大人口的住房问题,故兴建高层建筑不仅是我国大城市甚至是中小城市的必然趋势。

1绪论

1.1高层建筑发展情况

随着工业化、商业化、城市化的进程，城市人口剧增，造成城市生产和生活用房紧张，地价昂贵，迫使建筑物向高空发展，由多层发展为高层。

19 世纪末期，开始出现了现代形式的钢框架和钢筋混凝土框架结构的高层建筑。

1898 年修建的secodRandMeNa119 层大楼（美国，芝加哥），是世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。

而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为世界上第一幢具有现代形式的钢框架结构高层建筑。

而最早的钢筋混凝土框架结构高层建筑，为1903 年修建的位于美国Cincinnati 的InallaBuildin和法国巴黎Franklin 公寓。

所以，现代形式的高层建筑，只有117 年的历史。

到了20 世纪50 年代以后，由于轻质高强材料研制成功，抗风、抗震结构体系的发展，新的设计计算理论的创立，电子计算机在设计中的应用，以及新的施工技术和机械不断涌现，为大规模地、较经济地建造高层建筑提供了充分的条件，使高层建筑得到迅速发展。

在钢筋混凝土结构方面，其结构体系的发展历程也类似于钢结构的结构体系，由最初的框架结构（1903 年，glnallsBuildin ） 逐渐发展出框架剪力墙结构或框架简体结构和巨型结构等结构体系，使得混凝土结构的建造高度越来越高。

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好等优点，钢结构的构件可在工厂加工和制作，施工速度快，工期短。

钢是建造高层建筑结构比较理想的材料，但是全钢结构用钢量大，造价高，耐火性能差，需用昂贵的防火涂料。

而钢筋混凝土结构具有节省钢材、造价低、材料来源丰富、可模性好等优点，且承载力也不低，经过合理设计也可获得较好的抗震性能。

因此，只有在发达国家，大多数的高层建筑才采用钢结构形式，而在发展中国家，绝大部分的高层建筑采用钢筋混凝土材料建造，且由于高性能混凝土的发展和施工技术的进步，钢筋混凝土结构仍是今后高层建筑的主要结构形式。

特别是近年来，由于钢筋混凝土结构的优点，发达国家采用钢筋混凝土材料建造的高层建筑的数量也在日益增多。

当然，钢筋混凝土结构的构件断面尺寸大，减少了建筑使用面积；自重大，致使基础造价增高，抗震性能也不如钢结构。

因此为充分发挥钢材和混凝土这两种材料的特点，更为合理的结构形式是同时采用钢和钢筋混凝土材料的混合结构或组合结构。

该结构形式经合理设计，可取得经济合理、技术性能优良的效果，近年来已成为研究的热点和发展的方向。

1.2高层建筑结构体系的发展和应用情况

高层建筑的发展，充分显示了科学技术的力量，使建筑师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素。

未来的高层建筑将朝着技术功能先进和艺术完美相结合的方向发展。

 3.1 新材料、超强材料的开发和应用 

在高层建筑结构的技术问题中，首先要解决的是材料问题。

现在混凝土的强度等级已经达到Ｃ100 以上。

高强度和良好韧性的混凝土有利于减小结构构件的尺寸，减轻结构的自重，改善结构抗震性能。

同时，为了达到轻质高强的目的，必须在高层建筑结构中，发展轻骨料混凝土、轻混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、侧限（约束）混凝土和预应力混凝土。

高性能混凝土的开发和应用，将继续受到人们的重视，也必将给高层建筑结构带来重大和深远的影响。

从强度和塑性方面考虑，钢是高层建筑结构的理想材料，增进或改善钢材的强度、塑性和可焊性性能的工作人们从未停止过。

特别是对新型耐火耐候钢的研发，具有重要意义，可使钢材减小或抛弃对防火材料的依赖，提高建筑用钢的竞争力。

复合材料用于制作高层建筑部分构件正在开发和实践中。

 3.2 混合结构在高层建筑结构中广泛应用 

如前所述，经合理设计的混合结构可取得经济合理、技术性能（如抗震性能）优良的效果，且易满足高层建筑的侧向刚度的需求，可建造比钢筋混凝土结构更高的建筑，因此在较高的建筑中，混合结构往往仍是合理、可行的结构方案，今后建造混合结构的比率将会越来越大。

 3.3 新的设计概念、新的结构形式的应用 

现代建筑功能趋于多样性，建筑的体形和结构体系趋向复杂多变，趋向立体化，应运而生新的设计概念和结构技术的深化，采用新的结构体系，如巨型结构体系，蒙皮结构，带加强层的结构，建筑立面设置大洞口以减小风力，采用结构控制技术设置抗震机构等。

 3.4 高层建筑结构的高度出现新的突破 

进入20 世纪90 年代后，高层建筑迅猛发展，在数量、质量及高度上都有了大飞跃，高层建筑中的科技含量越来越高。

2高层建筑中常用结构体系及特点

高层建筑发展到今天，其结构体系形式繁多，划分标准也多种多样。

高层建筑结构体系的分类标准通常依据其竖向承重单体和抗侧力单元的类型来划分，通常分为以下几种类型。

2.1框架结构

框架结构是由梁、柱等线型构件通过节点连接在一起构成的结构，其基本的竖向承重单体和抗侧力单元为梁、柱通过节点连接形成的框架。

框架结构最理想的施工材料是钢筋混凝土，这是因为钢筋混凝土节点具有天然的刚性。

框架结构体系也可以用于钢结构建筑中，但钢筋结构的抗弯节点处理费用相对较高。

钢筋混凝土框架结构按施工方法的不同，可以分为以下四种。

（1）梁、板、柱全部现场浇注的现浇框架。

（2）楼板预制，梁、柱现场浇注的现浇框架。

（3）梁、板预制，柱现场浇注的半装配式框架。

（4）梁、板、柱全部预制的全装配式框架。

2.1.1特点

1、框架结构的位移特点

在水平荷载的作用下，框架结构将产生较大的侧向位移，侧移一般由以下两部分组成：

（1）由水平力所引起的倾覆力矩，使得框架结构产生的整体弯曲变形，即柱子的轴向拉伸和压缩所引起的侧移；

（2）由水平力所引起的楼层剪力，使得框架结构产生剪切变形，即框架整体受剪，层间梁、柱杆件发生弯曲而引起的水平位移。

框架结构属于柔性结构，侧移主要表现为整体剪切变形。

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。

2、框架结构的优点

框架结构内部比较空旷而且建筑平面布置灵活，可以做成具有较大空间的会议室、餐厅、办公室、实验室等，同时便于门窗的灵活布置，立面也可以处理得富于变化，可以满足各种不同用途的建筑的需求。

3、框架结构的缺点

框架结构的构件截面较小，抗侧刚度较小，在强震作用下结构的整体位移和层间位移都比较大，这对结构构件以及非结构构件都是不利的，容易加重震害。

框架结构的节点内力集中，受力非常复杂，是结构抗震设计的关键部位。

另外，由于框架结构的受力特性和抗震性能的限制，使得他的适用高度受到限制，一般不宜超过60m。

2.1.2应用实例

（此处例举一到两个已建成的使用该结构体系的高层建筑实例，对该建筑进行简要介绍，建议图文并茂，使用合适的图片。

阅后删除红字。

）

2.2剪力墙结构

由墙体承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系成为剪力墙结构体系。

一般情况下，剪力墙结构均做成落地形式，但是由于建筑功能及其他方面的要求，部分剪力墙可能不能落地，如下图2.1所示，即为此类部分框支剪力墙结构。

图2.1部分框支剪力墙结构立面布置示意图

剪力墙结构按照施工方法的不同，可以分为以下三种：

（1）剪力墙全部现浇的结构；

（2）全部用预制墙板装配而成的剪力墙结构；

（3）部分现浇、部分为预制装配的剪力墙结构。

2.2.1特点

1、剪力墙结构的侧向位移特点

在承受水平力作用时，剪力墙相当于一根悬臂深梁，其水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成，在高层建筑结构中，框架柱的变形以剪切变形为主，剪力墙的变形以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲性，特点是结构层间位移随楼层的增高而增加。

2、剪力墙结构的优点

相比框架结构来说，剪力墙结构的抗侧刚度大，整体性好，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，经过恰当设计的剪力墙结构具有良好的抗震性能，结构的用钢量也较省。

3、剪力墙结构的缺点

由于剪力墙结构中采用了一定数量的墙体用以承担全部水平作用和竖向荷载，因此结构的平面布置相对不灵活，结构自重较大。

2.2.2应用实例

（此处例举一到两个已建成的使用该结构体系的高层建筑实例，对该建筑进行简要介绍，建议图文并茂，使用合适的图片。

阅后删除红字。

）

2.3框架-剪力墙结构

框架—剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系，竖向荷载由框架和剪力墙等竖向承重单体共同承担，水平荷载则主要由剪力墙这一具有较大刚度的抗侧力单元来承担。

2.3.1特点

1、框架-剪力墙结构的侧向位移

框架-剪力墙结构很好的综合了框架的剪切变形和剪力墙的弯曲变形的受力性能，它们的协同工作使各层层间变形趋于均匀，改善了纯框架或者纯剪力墙结构中上部和下部楼层层间变形相差较大的缺点。

总体说来，框架-剪力墙结构呈现弯-剪型变形：

（1）下部楼层：

剪力墙位移较小，框架位移较大，剪力墙拉着框架，弯曲型变形。

（2）上部楼层：

剪力墙位移较大，框架位移较小，框架拉着剪力墙，剪切型变形。

2、框架-剪力墙结构的优点

框架-剪力墙结构体系综合了框架和剪力墙结构的优点，并在一定程度上规避了两者的缺点，达到了扬长避短的目的，使得建筑功能要求和结构设计协调得比较好。

它既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又具有较大的刚度和较好的抗震能力。

因此，在高层建筑用应用非常广泛，它与框架结构、剪力墙结构一起构成了目前最常用的三大常规结构。

3、框架-剪力墙结构布置要点

框架—剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系。

关键应该注意剪力墙的数量和位置。

如果剪力墙布置数量多，则结构的抗侧刚度大，侧向变形小，布置难度大；如果剪力墙布置的数量少，则结构的抗侧刚度小，侧向变形大，对框架的抗震要求高。

因此在进行框架—剪力墙结构设计时，对于剪力墙的布置，应注意以下一些要求：

（1）抗震设计时使各主轴方向侧向刚度接近；

（2）对称布置；

（3）贯穿建筑全高；

（4）布在周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化处、竖向荷载变化处；

（5）平面形状凸凹较大时在突出部位的端部设置；

（6）形成翼墙；

（7）布置3片以上；

（8）间距不宜过大；

（9）不宜布置在长框架的两端。

2.3.2应用实例

（此处例举一到两个已建成的使用该结构体系的高层建筑实例，对该建筑进行简要介绍，建议图文并茂，使用合适的图片。

阅后删除红字。

）

2.4筒体结构

由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件称为筒体（由密柱框架组成的筒体称为框筒；由剪力墙组成的筒体称为薄壁筒）。

由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构，它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。

2.4.1特点

筒体结构的类型很多，根据筒体的布置、组成和数量等，可以再分为：

（1）框筒结构：

框筒结构，如下图2.2所示。

筒体通常放在建筑外围，由间距很密的柱子与截面很高的梁组成，筒体内设置了一些柱子以减小楼板和梁的跨度，这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。

图2.2框筒结构示意图

密柱深梁：

实际是一个开了很多很多窗洞的筒体，靠空间受力特性来抵抗水平力。

整体像一个悬臂筒体一样，刚度和承载力很大。

水平荷载下楼板只是一个刚性隔板，保证框筒的侧向稳定和刚度，有如竹子中的竹节，楼板中的板、梁按承受垂直荷载要求单体设计。

（2）筒中筒结构:

筒中筒结构，如下图2.3所示。

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。

图2.3筒中筒结构示意图

（3）桁架筒结构：

用稀柱、浅梁和支撑斜杆组成桁架，布置在建筑物周边，形成桁架筒结构。

桁架筒结构的结构特点是柱距大，支撑斜杆横跨建筑的一个面的边长，竖向跨越几个楼层，形成巨型桁架，4片桁架围成桁架筒，形成整体悬臂结构。

刚度大，比框筒结构更能充分利用材料。

（4）多筒结构—成束筒结构:

成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。

2.4.2应用实例

（此处例举一到两个已建成的使用该结构体系的高层建筑实例，对该建筑进行简要介绍，建议图文并茂，使用合适的图片。

阅后删除红字。

）

2.5巨型结构

巨型结构，如下图2.4所示。

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。

图2.4巨型框架结构示意图

2.5.1特点

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。

2.5.2应用实例

（此处例举一到两个已建成的使用该结构体系的高层建筑实例，对该建筑进行简要介绍，建议图文并茂，使用合适的图片。

阅后删除红字。

）

如果论文页数较多，按已有格式继续添加内容，每一章开始应另起一页。

阅后删除此文本框。

3高层建筑结构的设计特点

由于高层建筑的各片竖向平面结构（或称抗侧力结构）的刚度、形式并不相同，变形特征也不一样，导致其不能简单地像一般房屋那样由受荷面积和间距对荷载进行分配，否则会使抗侧力刚度大的结构分配到的水平力过小。

因此，首先需要了解高层建筑结构的特点。

3.1水平荷载成为设计的决定性因素

对一般建筑物，其材料用量、造价及结构方案的确定主要由竖向荷载控制，而在高层建筑结构中，高宽比增大，水平荷载（包括风力和地震力）产生的侧移和内力所占比重增大，成为确定结构方案、材料用量和造价的决定因素。

其根本原因就是侧移和内力随高度的增加而迅速增长。

例如一竖向悬臂杆件在竖向荷载作用下产生的轴力仅与高度成正比，但在水平荷载作用下的弯矩和侧移却分别与高度呈二次方和四次方的曲线关系。

图3.1结构内力、位移与高度的关系

因此，当建筑物达到一定高度或层数之后，内力和位移均急剧增加。

如图3.1所示，除了轴向力N与高度成正比外，弯矩M与位移Δ都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制结构设计的主要因素，结构侧移成为结构设计的主要控制目标。

3.2侧移成为设计的控制指标

在高层建筑结构中，除了像多层和低层房屋一样进行强度计算外，还必须控制其侧移的大小，以保证高层建筑结构有足够的刚度，避免侧移过大。

（1）结构顶点的侧移

与结构高度

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；过大侧移会使填充墙和主体结构出现裂缝或损坏，影响正常使用；因P-△效应而使结构产生附加内力，甚至破坏。

3.3轴向变形的影响在设计中不容忽视

在一般房屋结构分析中，通常只考虑构件弯曲变形的影响，而忽略构件轴向变形和剪切变形的影响，因为一般来说其构件的轴力和剪力产生的影响很小。

而对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著，中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大，对结构内力分配的影响大，因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑；

（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）水平荷载的影响

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。

3.4延性成为结构设计的重要指标

相对于低层建筑而言，高层建筑更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。

为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取适当的措施，来保证结构具有足够的延性。

（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）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。

（3）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。

3.5动力效应大

结构本身的特点不同，如结构的类型与形式，结构的高度与高宽比，自振周期与材料的阻尼比等的不同，结构受到地震作用或风荷载作用时，产生的动力效应严重影响结构物的正常使用，甚至造成房屋的破坏。

3.6扭转效应大

当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化，影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。

3.7结构的稳定和抗倾覆

必须重视结构的整体稳定和抗倾覆问题。

在高层建筑结构设计中，应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力，防止结构发生整体失稳的破坏情况。

3.8温差过大产生的温度应力及变形大

当建筑物高度很大时，结构内力与上下的温差过大而产生的温度内力和温度位移也是高层建筑结构的一种特点。

4高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题

第四章开始另起一页。

阅后删除此文本框

（在进行高层建筑结构设计时，工程师会根据工程情况进行结构体系的选择。

如何根据实际工程情况选择合适的结构体系，以及在进行结构体系选择时需要注意哪些问题，是本章的写作重点。

阅后删除红字。

）

4.1结构的平面形状及立面型式

4.2结构刚度

4.3高宽比限制

4.4侧向位移限制

5结论与展望

第五章开始另起一页。

阅后删除此文本框

（本章需要对全文进行总结，提出自己对本课题的看法，并对高层建筑的发展趋势进行适当展望。

阅后删除红字。

）

参考文献

[1]张万山，王小四.空气质量的研究.环境学报，2000，34（6）:

13-17.

[2]张完善.有色金属材料.第二版.大连：

金属工业出版社，1998.89-90.

[3]张完善，刘六，等.第五届科学管理国际会议论文集.北京：

管理工程出版社，2001.18-19.

[4]张完善，刘六.校园环境与学风建设.城市日报，2002年3月5日，第2版.

[5]BorkoH,BernierCL.Indexingconceptsandmethods.NewYork:

AcademicPr.,1978.