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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
层 次： 专科起点本科
专 业： 土木工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年7月26日
近年来随着世界人口的增加，住房紧张的问题越来越严重，传统意义上的住房已经满足不了人们的需求。在这种情况下，高层建筑应运而生。所以高层建筑是社会生产的需要和人类生活需求的产物，是现代工业化、商业化和城市化的必然结果。而科学技术的发展，高强轻质材料的出现以及机械化、电气化在建筑中的实现等，为高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。虽然高层建筑也有很多的缺点，但随着科技的发展和技术的进步，高层建筑的缺点逐步在改正并成为未来大多数人们的居住房。明确建筑结构的复杂性和必要性，面对现代高层建筑选型的新问题和新挑战，对不同建筑结构体系的本质和规律进行深入的了解和认识，这是现代高层建筑建设实践的必然要求。本文通过分析高层建筑中常用结构体系的特点，针对结构设计方法及应注意的问题进行探讨。以期通过本文的阐述有效提升现代高层建筑结构体系的构建，为促进现代建筑结构发展提供理论参考。
关键词：高层建筑；结构体系；框架结构；剪力墙结构
目 录
1.2 高层建筑结构体系的发展和应用情况.......................................................... 3
2 高层建筑中常用结构体系及特点............................................................................. 5
3.1 水平荷载成为设计的决定性因素................................................................ 13
3.2 侧移成为设计的控制指标............................................................................ 13
3.3 轴向变形的影响在设计中不容忽视............................................................ 14
3.4 延性成为结构设计的重要指标.................................................................... 14
3.7 结构的稳定和抗倾覆.................................................................................... 14
3.8 温差过大产生的温度应力及变形大............................................................ 15
4 高层建筑结构设计时选定结构体系需要注意的问题........................................... 16
4.1 结构的平面形状及立面型式........................................................................ 16
近年来，中国内地正在成为世界上兴建高层建筑的主要区域之一，在上海以及长三角地区、广州深圳以及珠三角地区、京津地区以及以重庆为代表的中西部城市都建造了大量高层建筑，这些高层建筑的数量、高度以及结构体系的复杂性均处于国际前列。根据中国建筑学会建筑结构分会高层建筑结构委员会的统计，截至2010年底，中国大陆建成150 m以上建筑已经超过150栋，此外还有大量高层及超高层建筑正在兴建。
当前，国内高层建筑结构的发展趋势及现状大致表现为以下的三个主要特
点:
1.结构的高度不断增加
根据上述中国大陆2010年底已建成的150 m以上的高层建筑统计数据可知，按高度排名前20栋的高层建筑近三分之二是在2004年之后建成，排名前100栋的高层建筑中有近一半是在2004年之后建成。与2003年底的统计数据相比，高度在200m以上的高层建筑由20栋增加到32栋，150m以上高层建筑由100栋增加到153栋。目前已建成的最高建筑为上海金茂大厦，而正在兴建的大量高层建筑中，多栋建筑高度将超过金茂大厦。其中上海环球金融中心地上101层，地下3层，高度492m，成为世界上最高的建筑之一。
由此可见，国内高层建筑的数量以及高度都在不断地增长。有些建筑的高度已经超出规范最大适用高度的限制，给设计工作带来很多新的问题。
2.复杂体型的高层建筑不断涌现
近年来，高层建筑设计为满足多种功能和用途以及造型新颖等需要，采用了不少体型复杂、内部空间多变的建筑方案，这其中有不少是境外建筑师的作品。国外建筑师的设计方案大胆新颖，但有的来自非地震区，缺乏抗震设计观念，这些工程的平面、立面不规则程度都大大地超出现行设计规范的适用范围，如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段，给结构工程师带来前所未有的挑战。为了适应各种复杂建筑方案，结构工程师发挥了创造性才能，通过大量计算论证、模型试验等研究手段，尽可能地解决相关的结构技术难题，设计出了很多适应建筑师创新意识的复杂结构体系，如:各类新颖转换结构、连体与立面大开洞结构、竖向收进及悬挑结构、带加强层的结构、大底盘多塔楼结构、悬挂结构、平面不规则结构及错层结构等等。
需要指出的是，新建成的大量复杂体型高层建筑结构尽管有一定的模型试验和分析论证作为依据，但建成时间不长，经过实际强震检验的结构为数不多，因此复杂高层结构抗震设计的经验还有待进一步积累。
3.钢.混凝土混合结构的应用逐渐增多
根据前述中国己建成的，50m高层建筑的统计数据，混合结构所占比例为22.3%，其中200m以上的高层建筑中混合结构所占比例为43.8%,300 m以上的高层建筑中混合结构所占比例则达到66.7%。在各种混合结构体系中，框架-核心筒混合结构是具有中国特色的高层结构形式，这种结构体系由钢筋混凝土筒体(或型钢混凝土筒体)与钢或型钢混凝土框架、钢管混凝土框架组成。在框架一核心筒结构体系中以刚度很大的混凝土核心筒部分承受风荷载和地震作用，外框架主要承担竖向荷载。在国内已建成的前30栋最高的建筑中，17栋采用框架-核心筒结构，其中11栋采用外钢框架一混凝土核心筒的混合结构。
近年来，超高层结构中还出现了各种巨型混合结构体系，即:巨型型钢一混凝土柱、钢管混凝土柱、巨型伸臂钢析架、带钢支撑的巨型外筒、型钢或带斜撑的混凝土内筒、钢板混凝土剪力墙等的有效组合。这种结构体系不仅可用于非地震区，而且可用于地震区，如:上海环球金融中心即采用钢筋混凝土核心筒，巨型钢骨混凝土以及钢柱为外框架的结构体系;正在建设中的北京国贸三期，高316.6m，为框架一筒体结构，采用高含钢率的型钢混凝土柱和型钢混凝土内筒，外框架设置了两层高的腰析架，内筒以及外框架之间设有伸臂析架形成若干加强层。
本文在充分了解高层建筑各主要结构类型的结构特点、适用范围等后，阐述了高层建筑结构选型的各种影响因素，得到了高层建筑结构选型方案综合性能模型。通过分析高层建筑的划分标准，针对基本结构体系的发展特点进行分析比较，并从结构体系的分析方法及选型角度对应用问题进行探讨。以期通过本文的阐述有效提升现代高层建筑结构体系的构建，为促进现代建筑结构发展提供理论参考。
1 绪论
1.1 高层建筑发展情况
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，是商业化、工业化和城市化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件‘。
现代高层建筑的发展只有120多年的历史，以最近40多年的发展为最快。1883年在美国芝加哥建成了11层的家庭保险大楼(Home Insurance Building)是近代高层建筑的开端。1931年纽约建造了著名的帝国大厦(Impire State Building), 102层，高381m，它享有“世界最高建筑”之美誉长达40年之久。20世纪50年代以后，轻质高强材料的应用，新的抗风抗震结构体系的发展，电子计算机的推广使用以及新的施工机械的涌现，才使高层建筑得到了大规模的迅速发展。
1972年，纽约建造了110层，高402m的世界贸易中心(World Trade Center TwinTowers, 2001年毁于“9.11事件”);1973年在芝加哥又建成了世界上最高的西尔斯大厦(Sears Tower), 110层，高443 m，享有“世界最高建筑”美誉达20多年。这两幢建筑都是钢结构。截至2008年1月世界上最高的建筑是2004年在中国台北建成的台北101大楼，101层，高509m，是钢与混凝土混合结构“。
20世纪70年代以来，我国大陆地区的高层建筑有了很大的发展，主要为住宅、旅馆和办公楼等建筑。由于高层建筑具有占地面积小、节约市政工程费用、节省拆迁费用等优点，因此为改善城市居民的居住条件，在大城市和某些中等城市中，高层住宅和底层带商店的住宅建筑发展十分迅速。这些住宅大多数在20层左右，而有些城市，例如深圳、上海等，高层住宅建筑已达30层左右。随着旅游事业的发展和经济对外开放，旅馆和高层商用办公楼、通讯大楼以及综合性多功能大厦的需要与日俱增。20世纪80年代开始，这类高层建筑增长的速度很快;进入21世纪，随着我国大陆地区国际化进程的不断发展，高层建筑更得到迅猛发展。
1.2 高层建筑结构体系的发展和应用情况
高层建筑的功能、形式、高度和空间利用的不断发展，促使结构形式、材料、组成和结构体系的不断发展和创新。新材料的出现，计算机技术的发展，又给结构体系的发展和创新创造了条件。在建筑师层出不穷的翻新方案下，结构工程师必须响应挑战，不能墨守成规，而又必须稳妥可靠。图1简单的归纳了结构发展的特点。
图1.1 结构体系发展过程
结构体系的发展、创新需要经历大量的积累和渐进，无数工程技术人员做出了贡献。上个世纪70年代以来，我国的高层建筑持续高速发展，经历了学习和模仿阶段，经过国内广大技术人员和专家的努力，可以说，我国现在的高层建筑设计和施工技术已经赶上了世界发达国家，在我国，已经有了较为成熟的设计规范。应该说，抗震的钢筋混凝土高层结构在我国应用最多，高度也最大，设计经验比较丰富。国内建设工程的数量和要求是世界第一的，建设有需求，又具备了进一步提高高层建筑设计和施工水平的条件，有需求、也有可能取得技术上的进一步发展和提高。因此，进行结构形式的创新研究，是非常有必要的。
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。
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。
图2.1 采用框架结构体系建筑的新景花苑
新景花苑坐落于常州新桥镇一期总投资5亿元，由28幢小高层、高层组成，总建筑面积达26.7万平方米，可安置居民5000人。
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2.2 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。
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。
图2.3 重庆某高层全剪力墙结构的住宅群
重庆某高层全剪力墙结构住宅群，1、2、3号楼均为33层全住宅楼，建筑总高度均为99.75m，±0.00标高相当于绝对标高330.1m。1号楼建筑面积22167.3m2，2#楼建筑面积22194.69m2，3#楼建筑面积22202.42 m2。4号楼为33层吊2层，建筑总高度均为106.35m，±0.00标高相当于绝对标高330.1m。4#楼建筑面积22994.69 m2。1、2、3、4号楼结构形式为剪力墙结构，建筑结构安全等级为二级，基础设计等级为：甲级。地震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类。结构设计使用年限为50年。
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。
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。
图2.4 采用框架-剪力墙结构体系的东景丽都
东景丽都32层电梯高层全框架剪力墙结构标高99.9米，加上花架以及电梯机房先目前是安岳最高。
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。
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2.5 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2.6 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。
图2.7 采用筒体结构建筑的京基金融中心
京基金融中心位于深圳，2007年11月破土动工，2011年建成并投入使用。98层，高439m，与地王大厦遥相呼应，珠联璧合，成为深圳又一标志性建筑。在设计高度达588m的平安国际金融中心2014年建成之前，京基金融中心将成为深圳第一高楼，深圳的新地标。
该楼为钢与钢筋混凝土的混合结构，为筒中筒结构。内筒为钢筋混凝土核心筒（20层以下的混凝土墙内配有H型钢），外筒由16根箱型钢管混凝土柱组成（东西两侧设有巨型斜撑），在设备层和避难层设有伸臂桁架与外框柱相连接。
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2.8 巨型框架结构示意图
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。
图2.9 采用巨型框架结构的台北101大楼
台北101大楼（又称台北国际金融中心）位于台北，2003年建成。地上101层，地下5层，高508m，是目前世界第二高楼，为钢与钢筋混凝土的混合结构。大楼采用正方对称的巨型框架结构，在大楼的4个外侧分别各有2根巨柱（共8根），自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高性能混凝土，外以钢板包覆。
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。
