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1、1,第二章 高层和超高层建筑结构体系,第一节 引 言,在国内一般把超过8层的建筑称为高层建筑，在国际上把高度超过100m或30层以上的高层建筑，又称之为超高层建筑(Super Tall Building)。对于一般高层建筑，通常采用：框架 框架-剪力墙 剪力墙结构随着建筑高度要求的增长，这些结构不能适应时代的需要，新的结构也随之出现，对于超高层建筑，通常采用:框架-筒体结构 筒中筒结构 成束筒结构等,当建筑物高度增加时，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构起的作用将愈来愈大。为了正确认识高层建筑结构体系，必须对高层结构设计的控制因素有足够的了解。本章首先概括阐述高层建筑结构设计的控制因素，然后介
2、绍高层建筑结构体系的类型，最后简单讨论高层和超高层结构体系的选择问题。,3,3,第二节 高层和超高层建筑结构设计的控制因素1.风荷载 越是高的建筑物，其风荷载越是起着主要的作用。按照我国规范建筑结构荷载规范(GB50009)，对于风荷载，可采用以下公式确定。,4,4,其中z为风压高度变化系数，对于平坦或稍有起伏的地形，应根据地面粗糙度类别按规范表7.2.1确定。高度越高，系数z越大。但规范中对于风荷载的规定，是基于低空（8 m 12 m）风速观测数据、多层建筑和一般高层建筑的单体模型风洞试验研究成果以及工程经验而得出的，当用于超过200 m以上的超高层建筑，可能不大合适。例如，美国SOM和LE
3、RA设计事务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。,5,世界著名设计事务所,SOM建筑设计事务所是美国最大的建筑师-工程师事务所之一。1936年芝加哥成立，拥有地标性城市综合发展及高层项目设计的悠久经验。代表作：上海金茂大厦、约翰汉考克大厦、芝加哥西尔斯大厦、花旗银行世界总部、伯吉迪拜哈里发塔、纽约时代华纳中心、日本东京中城项目、黄浦江两岸总体规划、北京国贸中心、香港会展中心等。英国ARUP（奥雅纳）公司于1946年在英国成立，是全球最大、最成功的工程顾问公司之一。代表作：澳大利亚悉尼歌剧院、巴黎庞比度艺术和文化中心、伦敦劳斯保险大厦、日本大阪关西国际
4、机场大厦、香港大球场、香港汇丰银行总部、上海嘉里不夜城、上海浦东新国际机场建筑方案、上海南京西路中信广场等。美国“金斯勒建筑事务所”(Gensler)：上海中心英国的“福斯特建筑事务所”(Foster Partners)美国“帕金斯威尔建筑事务所”(Perkins-Will)纽约SHoP建筑事务所,6,6,又如台北-101大楼的设计，除了参考当地规范外，还委托加拿大Rowan Williams Davies&Irwin Inc.(RWDI)公司，采用风洞试验确定大楼设计荷载。以1:500比例制作现场半径为600 m以内的风场环境模型，输入以10级为单位风力，模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角
5、度的风速高度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验（Boundary layer tunnel test），然后得到大气边界层风速分布。结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩、扭力和剪力的分布曲线统计回归获得，并且配合结构动力特性计算结构体的加速度反应。然后再将这些数据提供设计单位作为设计风力的依据。,7,7,迪拜哈利法塔对风荷载进行大量研究和分析工作，其风洞试验也在加拿大RWDI的风洞中进行。风洞试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model force balance tests)、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域压
6、力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。试验时采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风环境研究(pedestrian wind environment studies)中采用更大的1:250的模型，目的在于用空气动力学的方法来分析风速。而塔楼的上部分采用1:50的比例，试验在加拿大Ottawa国家研究中心的9m9m的风道中进行试验，在9m9m的风道中可达到风速55m/s。上述这些的宝贵资料和研究方法，对我国规范修订同样有借鉴作用。,8,8,2.地震力 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，在地震频繁的日本地区，对地震已进行许多深入研究，但地震前也几乎
7、无法准确预测何时何地会发生地震。因此，对待地震应倍加重视。对于地震地区，除了风力外，还必须考虑地震。例如，台北-101大楼，地处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要的是对离建筑场地地下200m的断层的深入研究，经过多方面的考察与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层。大楼即将完成之际，我国台湾省遇到了“921”大地震，平安无恙，巍然不动，这是一个宝贵经验。,9,9,3.地基基础 由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总荷载超过300万kN，混凝土巨型柱荷载为101,670kN；又如，台北-10
8、1大楼，建筑物总垂直荷载超过400万kN。因此，对地基基础的要求很高。在上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏或桩箱基础。台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用现场浇注桩，深入岩层。而高雄的85层东帝士大楼，岩层在地面100m以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲积土，采用框格式地下连续墙（Barrette）。新加坡的Raffle City的72层、42层、32层的高楼群，地层条件好而采用筏板基础。,10,10,4.业主要求 业主最关心的通常就是建筑艺术和经济。上述三个主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师，但又要满足建筑艺术和经济的要求，则有赖于建筑师、结构工程师和岩土工程
9、师等多方面的密切配合。此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下也可能成为一个控制因素。,11,11,第三节 高层和超高层建筑的结构体系 一般的高层建筑，通常采用框架、框架-剪力墙和剪力墙结构体系。随着对建筑高度要求的不断增加，高度增长很快，超高层建筑也越来越多，以往的结构类型已远远不能适应时代的需要。从结构角度分析，一般适用于3040层的高层建筑结构体系，其刚度、抗剪、抗扭、抗风和抗震能力不能适应更高高度的超高层建筑结构要求。框架-筒体结构、筒中筒结构和成束筒结构已成为当代超高层建筑的主要结构体系。,12,12,1框架结构体系 框架结构竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较大空间，建筑布
10、置灵活，使用面积可以加大，适用于层数不多的高层低层建筑。框架结构平面及平面示意如图所示。,13,13,2剪力墙结构体系 剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间的填充墙合二为一，成为一个宽而薄的矩形断面墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩，还承受风力或地震作用产生的水平力。剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高，有一定的延性。结构传力直接均匀，整体性好，抗震能力也较强。剪力墙结构是一个多功能高强结构体系，可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。,14,14,15,15,中国最高的水景豪宅世茂滨江花园(7栋49层至55层，剪力墙结构),16,16,3框架-剪力墙结构体系 简称框剪
11、结构体系。框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力墙。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载，而且承受绝大部分水平荷载。框剪结构体系布置是否合理直接影响结构的安全和经济。框剪结构体系在我国基本上用以20层以内的高层建筑，也有超过20层，例如，29层的上海宾馆。,17,17,18,18,上海宾馆-29层，框剪结构,19,19,上述三种结构体系一般不适用于超高层建筑。4筒体结构体系 筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个竖向井筒式的封闭结构，结构刚度很大，具有较大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也较好。由于核心筒的平面尺寸受到限制，侧向刚度有限，高度一般不能超过3040层。上世纪的
12、60年代开始，发展成为框筒结构，其平面尺寸比较大，可用于40层以上的结构。随着高层建筑的发展，层数越来越多，尤其是，电梯间的设置，自然形成一种内核心筒，发展成为筒中筒结构体系。筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重筒体结构和成束筒结构等。,20,20,(1)框筒结构 在高层建筑中，利用电梯间等形成的内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结构。实质上，这是框筒结构。例如，美国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。,21,21,22,22,(2)筒中筒结构 一般来说，对于4050层以上的高层建筑，框筒结构难于满足要求，此时，需要采用刚度很大的筒中筒结构体系，即内外筒的双筒体
13、结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝土筒中筒结构。内筒与外筒通常采用密肋楼板连接，使每层楼板在平面内的刚度非常大，当采用钢筋混凝土楼板，其跨度可取8m12m，当采用钢结构，其跨度可取约15m。加大内外筒的间距，不仅对建筑平面布置有利，而且，也加大内外筒的受力性能。筒中筒结构的侧向刚度很大，在水平荷载作用下，侧向变形小，抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭转力矩能力强。,23,23,24,24,110层的世界贸易中心(旧址),25,25,(3)多筒结构 对于超高层建筑，一般均采用多筒结构体系。如，三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构和组合筒结构。多筒结构
14、的刚度特别大，抗震力也特别强。,26,第四节 高层建筑的工程实例,本节列举12个有代表性的按年份建成的著名工程实例，以资借鉴，有助正确认识高层建筑的结构体系。1美国独特贝壳广场(One Shell Plaza，1970)2美国西尔斯大楼（Sears Tower，1974）3香港中国银行大楼（Bank of China Tower，1989）4马来西亚石油大厦（Petronas Twin Tower，1997）5德国商业银行塔楼（Commerzbank tower in Frankfurt am Main，1997）6金茂大厦（Jinmao Building，1998）,27,7高雄东帝士85超
15、高大楼(T&C Tower，1999)8恒隆广场(Henglong Plaza，2002)9台北-101大楼（Taibei International Financial Center，2004）10百联世茂国际广场（Brilliance Shimao International Plaza，2004）11上海环球金融中心(Shanghai World Financial Center,2008)12迪拜哈利法塔楼（Dubai Khalifa Tower）,28,一、实例1美国独特贝壳广场(One Shell Plaza)独特贝壳广场建造于1970年，位于美国休斯敦（Houston,Texas
16、），是一座高217.6m，52层的办公大楼，是当时最高的钢筋混凝土大楼。休斯敦的地基在600多m内主要是粘土。要求结构体系必须使整个建筑物最为经济，建筑物包括基础全部采用轻质混凝土。这座大楼的结构体系：上部结构采用钢筋混凝土筒中筒，由间距1.83m(6ft)外柱的混凝土框筒和剪力墙的内墙筒组成，。这种体系在当时是剪力墙与框架共同作用结构的发展。楼板结构采用密肋楼板。混凝土外框柱外面为玻璃帷幕。这样，使得整个建筑别有风格，尤为美观。,29,30,31,One Shell Plaza,Houston,TX,32,基础采用筏板基础。基础埋深为18.3m(60ft)，筏厚2.52m，该筏板从大楼的四边
17、各伸出6.1m，因此，整个筏板的尺寸为 70.76m52.46m。这座大楼不但设计成功，而且，采用轻质混凝土把原设计的35层大楼变成52层，获得很高的经济效益。应予指出：现场监测很成功，为编制美国建筑规范作出应有贡献。,33,二、实例2美国西尔斯大楼（Sears Tower）,1974年在美国芝加哥建成443m高（加上天线达500m），110层的西尔斯大楼，成为当时世界最高的建筑，纽约的世界贸易中心大厦（412m,110层）只能让位，退居第二。,34,Sears Tower,Chicago,35,大楼由9个标准方形钢筒体(22.9m22.9m)组成，建造到51层减少2个筒体，到66层再减少2个
18、筒体，到91层又再减少3个筒体，到顶部变成2个筒体。这种独特结构的确引人入胜。它是多筒结构中的巨型结构，每一个筒体都是单独筒体，本身具有很好的刚度和强度，能够单独工作。,36,必须指出：逐步减少的单筒结构，最好对称于建筑物的平面中心，减少偏心。把上部结构的某些单筒适当减少，可减小高层建筑上部的受风面积，并且扰乱大气气流，使产生的涡流对高层建筑的摇摆振动减小，从而有效地减小风力产生的侧向移动。多筒结构往往采用这种自下而上逐步减少筒体数量的方法，使得高层建筑结构体系更加合理和经济。,37,三、实例3香港中国银行大楼（Bank of China Tower）,香港中国银行大楼是一座高369m、70层
19、的超高层建筑，1989年建成。,38,Bank of China Tower,Hong Kong,39,该大楼采用5根型钢混凝土巨型柱以及8片平面支撑所组成的巨型支撑结构体系。大楼的底部平面为52m52m的正方形，以对角线划分成四个三角形区，由下往上每隔若干层减少一个三角形区，经过三次变化，到上部楼层只保留一个三角形区直到顶部。,40,香港中国银行大楼与西尔斯大楼相比，两大楼平面同是正方形，但是，由下往上变化不同，前者减少三角形区，后者减少正方形筒，各有千秋，都达到结构外形美观目的。该大楼在建筑艺术具有独特的风格，把建筑结构与建筑艺术相结合，这是按照贝律铭建筑大师的建筑造型的构思产物。该大楼的
20、四个型钢混凝土巨型角柱和中间巨型柱承担大楼的大部分荷载。大楼的基础由多种基础形式组成。,41,香港中国银行大楼的基础剖面,42,从图可见，四个巨型角柱(Main corner columns)直接由四个巨型沉箱基础(Large diameter caissions)支承。其直径（扩孔后）分别为7.2m、8.2m、9.5m和10.5m，承受静活荷载分别为164,000kN、209,00kN、322,000kN和380,000kN。沉箱基础深入至离地面20余米以下的微风化花岗岩，地基设计强度为5MPa。此外，大楼的地下室结构由89根钻孔桩支承，中央剪力墙结构(Shear tubes)由16根人工挖
21、孔桩支承。为抵抗风力引起上拔力和地下水浮力，人工挖孔桩和大楼周边地下连续墙(Permanent diaphragm wall)的底部设置77根竖直锚杆(Permanent rock anchors)深入至离地面2050m下岩层。,43,四、实例4马来西亚石油大厦（Petronas Twin Tower）,石油大厦是一座452m、高88层的双塔大楼，位于马来西亚的吉隆坡，1997年建成之日，当时是世界第一高楼。这是一座钢与钢筋混凝土的混合结构。基本上属于标准塔型，与金茂大厦的外形类似。双塔大楼之间采用横向结构联系，既能加强刚度，又使外形美观。,44,Petronas Twin Towers,Ku
22、ala Lumpur,Malaysia,45,该大楼采用墙式或连续墙（Barrette）桩基(壁板桩)。,石油大厦的桩基平面图,注：壁板桩(Barrette)是用来承受建筑物上部结构荷载的单段矩形截面地下连续墙，由于其比表面积和抗弯刚度比传统的圆形截面桩大，有利于充分发挥桩侧摩阻力和水平抗力，从而提高竖直和水平承载力。,46,五、实例5德国商业银行大楼（Commerzbank tower）德国259m、高56层的商业银行大楼建造在美茵河畔（Frankfurt am Main）的商业中心，直接靠近已有103m 高的商业银行大楼。1997年建成的商业银行大楼是欧洲最高的大楼，该大楼为钢框筒结构（S
23、teel Frame with Virendeel Frame*），具有刚大、开敞面积的特殊建筑设计。,*Virendeel Frame：A rectangular framed girder with parallel top and bottom chords divided into panels by verticals with fixed joints.由固定节点将弦杆连接形成平行顶部和底部桁架板所组成的矩形框架桁梁。,47,48,大楼基础平面为近似圆角的等三角形（见图），曲线形的边长约为60m。在三角形的角端有三个筒体，高度不同，有竖向承重构件，每个筒体有2个巨型柱，平面尺寸为7
24、.70m1.2m。大楼的荷载主要集中在6个巨型柱，占荷载的59%，而3个厅柱和12个内柱分别承担大楼荷载的17%和24%。,大楼基础平面,49,基础为三角形，筏板厚4.45m，面积为2690m2。筏板下有111根大直径望远镜式的钢筋混凝土就地灌注桩，长度从37.6m到45.6m，顶部23m范围内直径为1.8m，逐步降低到底板下面的直径为1.5m。地下水位在地面下大约56m。桩集中在塔楼三个核心筒下面，很少量在周围墙下面。桩的布置尽可能靠近大楼柱。桩传递大楼上部结构、下部结构荷载通过相当弱的Frankfurt粘土到坚硬的下卧层Frankfurt石灰岩，桩埋置在Frankfurt石灰岩中的平均长度
25、为8.8m。当取大楼总荷载为1634MN，则在2690m2面积的基底压力约0.60MPa，平均桩承受14.72MN。,50,六、实例6金茂大厦（Jinmao Tower）金茂大厦位于上海浦东陆家嘴金融贸易区，与东方明珠（Oriental Pearl）电视塔和上海环球金融中心（高度492m，101层）相邻。它是一座88层、402.5m高的综合性大楼，裙房6层。1998年建成后成为当时中国建筑第一高度、世界第四高度的超高层建筑（见图）。,51,52,主楼的上部结构采用钢筋混凝土核心筒与钢结构外框架结合的混合结构体系。主要由核心筒、外框架、巨型钢桁架和楼板组成。核心筒为平面八角形，外包尺寸27m27
26、m。53层以下有井字形内墙，分隔成九格；53层以上无中间隔墙，为一个空心钢筋混凝土筒。外框架在主楼四侧各有二根断面为1.5m5.0m巨型劲性钢筋混凝土柱，由框架钢柱与钢梁与其相连，形成环抱核心筒的外框架。巨型钢桁架是超高层建筑内筒与外框之间传递水平力与协调变形的重要构件，分别设在2426层、5153层和8587层。三道桁架从外框的巨型柱伸入到钢筋混凝土核心筒内壁，形成刚度很大的抗侧力体系。,53,主楼的基础为桩筏基础，如图所示，基础平面八角形，相当于59.32m59.32m的方形基础。筏板厚4m，桩基为入土82.5m直径为914mm的钢管桩，429根。桩位呈八角形分布，桩距有2.7m 和3.0
27、m两种，是典型的群桩。,54,整个大楼和桩筏基础是一个共同作用的刚度很大的整体结构。在建筑艺术方面，建筑师借鉴中国古塔，取其宝塔神韵，试图创造一个举世无双的建筑形象。金茂大厦的外形很自然令人想起古代中国的塔。,55,七、实例7高雄东帝士85大楼(T&C Tower)高雄东帝士大楼是一座347.6m、高85层的超高层大楼，位于我国台湾省高雄市，双翼裙房均为35层，地面以上的建筑面积约为52m120m，地下室五层。大楼立面见图，大楼剖面采用三个正方形筒串连（Triple Tube in Series）结构。,56,57,将大楼内八个10m10m电梯间的四角型结构视作巨型柱（Mega Column）
28、，作为三个大方形筒体结构的立柱，支撑着大楼的大部分荷载，并使荷载对称且较为均布。根据结构分析，风力控制基础的荷载。大楼平面和基础平面见图。大楼中央有四个电梯间，每间四个角各一立柱，每根柱的静载约6000t，活载为 3000t；两侧有四个电梯间，每个角的柱的静载约为3600t，活载超过2000t。其余次要柱的静载在1000t2000t，活载为600t1000t。,58,59,高雄东帝士85超高层大楼的基础选择是一个重要问题，底面积约为11926m2（160m80m），结构物总荷载为505,000t，平均荷载为42t/m2。开挖基坑深度约为23m,地下水在地表下约2m，浮力为21t/m2。这样，开
29、挖土的总重量为554,000t，就是说，结构物的总荷载略小于开挖土重。在基底下65m以内的土层主要由松散至中度密实砂性土及粉土质砂与砂质粉土交互层，因此，理论上可考虑补偿式的筏板基础。但是，经过方案的比较，采用框格式（Barrette）地下连续墙，深度为44.5m。,60,八、实例8恒隆广场(Henglong Plaza)恒隆广场是一座高288m、66层的纯钢筋混凝土的大楼，是当今世界最高的钢筋混凝土建筑，也是世界上第三个纯混凝土高层建筑的里程碑。第一个里程碑就是1967年建成的高70层、196m的芝加哥湖端大厦，是当年最高的钢筋混凝土结构公寓楼。第二个里程碑当推1976年建成的芝加哥水塔广场
30、大厦，高74层、262m。一直保持26年之久。直至2001年，66层、288m的上海恒隆广场建成，才让位给恒隆广场。,61,恒隆广场(Henglong Plaza),62,恒隆广场由主楼T1和主楼T2组成，位于上海南京西路闹市区。主楼T1是一幢66层、288m高的多功能综合大楼，地下室四层，裙房五层，地下室三层，框筒结构，形状似船。结构柱和梁的断面非常大。圆柱的直径为3000mm,方柱为2600mm2600mm，梁的断面为 2650mm2200mm。,63,64,65,主楼T2是一座226m、高45层的大楼，地下室3层，2003年建造，与主楼T1连接，形成英文字母H,H象征“恒“，永久的含义，
31、见右图。主楼T1的基础为桩箱基础，埋深为18.95m，底板厚度为3.3m，基础平面形状为梯形，面积为3622.82m2，相当60.19m60.19m,总荷载为4,240,000kN,基础底面平均压力为117t/m2。箱基下有849根直径为800mm、长81.5m（有效长度为65.3m）的就地灌注桩，深入-1土层中。对17根灌注桩进行静载试验，经过综合分析，取单桩的设计承载力为5000kN。,上海恒隆广场288m 世界最高的钢筋混凝土大楼,66,九、实例9台北-101大楼（Taipei International Financial Center）台北-101大楼（台北国际金融中心大楼）位于我国
32、台湾省台北市区。2004年建成后，马上改变了高层建筑的世界高度，成为世界高层建筑之最。该大楼的主楼面积约为98.4m90m，裙房6层。,67,台北-101大楼立面,68,台北-101大楼,69,该大楼采用正方对称的巨型框架（Mega Frame）结构，以期在风或地震作用下获得最稳定的设计。在最大荷载下，主要由东南西北侧的中央部位共16根劲钢混凝土(SRC)*巨型柱以及中央管状核心结构的电梯间承担（见图）。每侧四根柱的总荷载约45,000t。以两根5.6m1.8m和两根2.7m0.9m的SRC巨型柱支承在厚4.7m和平面约为40m16m的筏板上，通过筏板将荷载传递到其下51根深入岩层约15m30
33、m的大直径灌注桩。,*即钢骨混凝土(steel-reinforced concrete)，有的学者称为劲性混凝土,也有的学者称为型钢混凝土，是把型钢埋人钢筋混凝土中的一种结构形式。,70,71,72,该大楼共有380根，直径均为1.5m桩，桩的设计荷载为1000t1450t，深入岩层约15m30m，桩长在地面以下 62m81m。基坑开挖深度约为 22.8m。该大楼是由中国人自行设计和自行施工的工程，显示着中国科技人员的聪明才智。地震力的影响的研究，非常认真出色，在大楼即将建成的关键时刻，遇到大地震，却巍然不动。该大楼不但设计成功，而且施工方法也很成功。主楼采用顺作法，而裙房采用逆作法，减少两楼
34、相互影响，有利于缩短施工期限。在艺术风格表现着中国传统花开富贵，节节高升的意境。总之，该大楼堪称是科技与艺术结合的典范，是中国人的骄傲。,73,十、实例10百联世茂国际广场(Brilliance Shimao International Plaza)百联世茂国际广场地处上海市中心最繁华的南京路步行街起点，为浦西地区一标志性建筑。总建筑面积约135500m2；地下三层，主塔楼为超五星级酒店，平面呈等腰直角三角形，地上60层，屋面高度246m，屋面装饰杆高87m，总高度333m。12层以上外框巨型柱外移1.5m，37层斜边外框柱及51层角柱有二次逐渐内收，形成变化丰富的立面造型。,74,百联世茂国
35、际广场 大楼各楼段的平面,75,百联世茂国际广场,76,结构抗震设防烈度7度，基本风压0.65kN/m2。塔楼采用巨型SRC框架钢筋混凝土核芯筒结构体系。外框巨型柱为钢骨混凝土*，芯筒为钢筋混凝土，12层以上巨型框架间填充次框架，次框架采用钢框架。分别位于11、28和47层避难层兼设备层，共设三道巨型腰桁架和八道伸臂桁架，形成三道刚性加强层。主楼采用桩筏基础，埋深16m。底板角柱下厚度为4m，其余筏厚为3m。采用钻孔灌注桩，直径850mm，有效桩长58m，桩端持力层为-1层，单桩试桩竖向承载力特征值为10000kN，主楼共布桩363根。地下室采用地下连续墙两墙合一结构形式，连续墙深度27m，墙
36、厚1m1.2m，见图2-28。这样的结构体系，再加上桩筏基础，上部结构和下部结构构成一个整体，保证共同作用。,*所谓钢骨混凝土(steel-reinforced concrete)是指配置了钢骨的混凝土结构，亦称劲性混凝土.钢骨可用轧制型钢制成，也可用钢板拼接而成。,77,大楼的基础剖面,78,十一、实例11上海环球金融中心(Shanghai World Financial Center)上海环球金融中心高492m、101层的超高层建筑位于陆家嘴金融贸易区，旁边就是420.5m高88层的金茂大厦。2007年9月14日实现结构封顶，成为中国最高的大楼。该大楼地上101层，地下3层；裙房地上5层，
37、地下3层。总建筑面积为377,300m2。这是一座多功能的大楼，6层以下为商店和美术馆；6 78层为办公区；7989层为酒店；98101层为观光区。,79,2007年9月14日结构封顶照片,80,上海环球金融中心平面图,81,该楼的结构体系采用周边剪力墙、交叉剪力墙和翼墙组成的传力体系，使主楼核心筒和巨型柱组成整体的巨型结构。具体为：1）巨型柱体系。由A型、B型巨型柱组成。A型巨型柱位于各层维持不变；B型巨型柱位于43F开始，每一根分叉为2根倾斜柱，一直伸到92层，形成大楼西北及东南立面逐层收缩。2）混凝土核心筒。16层为核心筒的基础部分，墙体厚度为21001620mm，6层以上混凝土核心筒平
38、面沿建筑高度有三次改变，具体变化层为57层、60层、79层。在设置伸臂桁架的楼层，核心筒内暗埋环状桁架，7991层为环状桁架劲性结构，核心筒高度至 91层。,82,3）巨型斜撑。巨型斜撑为焊接箱断面，内灌混凝土。每一斜撑高度范围12层，从6层开始设置一直到顶层。4）带状桁架。带状桁架设置于避难层（18层、30层、42层、54层、66层、78层、88F层）周边，用以承受各避难层之间边柱传来受各避难层之间边柱传来的全部竖向荷载。5）伸臂桁架。伸臂桁架分别于28F31层、5255层、8891层三道，桁架为三层高，构件断面为焊接箱形断面。伸臂桁架体系使巨型柱和核心筒组合，增加大楼的抗弯刚度。,83,6
39、）楼层结构体系。核心筒外围结构采用钢梁及钢柱框架，在钢梁上的楼板采用普通混凝土与压型钢板组合楼盖。7）地基土。与金茂大厦的地基土类似，只是缺少第层土。基坑开挖一般为18.35m，电梯井在中部，深达25.89m，面积约2116m2，基底离承压水层顶只有1.91m。8）基础。基础为桩筏基础，厚度一般为4.04.5m,底板混凝土总量为38900m3。桩为长达80m直径700的钢管桩，主楼桩数共1117根。,84,十二、实例12哈利法大楼（Burj Khalifa Tower）哈利法大楼位于阿联酋迪拜市，大楼高度为828m，169层，2010年1月4日竣工启用，这座古典派风格的多用途摩天大楼为世界建筑
40、第一高度，超过目前世界建筑之最的508m高的台北-101大楼320m。哈利法大楼具有280,000m2面积的大楼，537层为酒店，45108层可供700套的私人公寓，是一幢集商店、Amani酒店、住宅和办公的综合性多用途的建筑物，该大楼的外形好像一架指向太空的巨型宇宙飞船。大楼的结构体系可描述为一个“扶壁”型的核心筒，见下图所示。,85,迪拜哈利法大楼在建造中 Burj Khalifa on 23 December 2009,86,哈利法塔平面图,87,其特点表现在：1）中心六边形的钢筋混凝土核心墙类似于一个闭合管，可以提供抗扭力。核心筒心筒的筒侧的每个翼又有自己的高性能混凝土核心筒和周边柱群
41、，翼和翼之间通过六边形中心筒相互支撑。使塔楼具有极大的抗扭刚度。2）大楼以螺旋上升的方式层层缩进，每次缩进改变塔楼的宽度，使得风向混乱，在每个缩进层风遇到不同的建筑形状，风旋涡永远得不到形成。,88,3）大楼的平面设计为Y型结构，除了保持结构简单和形成结构性，还可减少施加在塔楼上的风力。4）钢筋混凝土塔楼的结构设计主要受风力控制，不是地震荷载，而钢筋混凝土裙房的结构和塔楼的钢螺旋形结构设计中，地震荷载是控制因素。5）桩筏基础，桩伸进岩层，上下部结构整体性强，共同作用使得抗风抗地震能力增大。6）这样的结构特点能把上部结构的钢筋混凝土墙体、连系梁、楼板、筏板、桩和和螺旋形钢结构体系组成的共同作用体
42、系。,89,第五节 高层建筑结构体系的选择,从上节12个有代表性的著名实例可见，高层建筑结构体系，特别是超高层建筑结构体系，具有明显的特点：高度高 刚度大 荷载重 外观美 具体表现在以下几方面：,90,超高层建筑结构体系特点的具体表现：1)框架-筒体结构、筒中筒结构和成束筒结以及混合结构成为超高层建筑的主要结构体系。2)巨型柱（包括高雄东帝士大楼的电梯间四角形结构）为主要承重结构，巨型柱的荷载极重，超过万吨。3)结构外形多为塔型，既美观，又减少风力。4)基础平面一般为矩形、方形(包括金茂大厦和上海环球金融中心削角的八边形)和三角形(包括哈利法塔的Y形），巨型柱布置对称，利于抗风抗地震，受力均匀
43、。,91,对于高层建筑基础：高层和超高层建筑的基础主要采用桩基，即使迪拜哈利法大楼的基础压力估计可能超过1500kPa，且基础落在基岩上，为安全起见，也采用直径1.5m、长约43m的钻孔灌注桩；高雄高帝士85层的大楼，理论上完全可以采用补偿式筏基，但经方案比较，还是采用框格式（Barrette）地下连续墙，深度为44.5m。新加坡来福士城(Raffles City)的地基很好，72层的大楼也采用筏基。选择桩基或筏基，要视具体地质条件，经过综合考虑确定。总之，要使整个上部结构与地基基础联成整体，保证共同作用，才能保证超高层建筑的安全。,92,在选择结构体系时，结构工程师、建筑师和岩土工程师要密切
44、配合，综合考虑高层建筑结构设计的四个控制因素，方能选择一个结构先进，外形美观，方便施工，既安全、又经济的方案，即 风力 地震力 地基基础 业主要求,93,第六节 超高层建筑的阻尼器设置,对于超过400m的超高层建筑，为了抗风抗震的需要，往往需要安装阻尼器，在台北101大楼和上海环球金融中心均分别安装阻尼器是否所有超高层建筑都需要安装阻尼器呢？,94,1台北101大楼阻尼器台北101大楼在87层至92层之间装有目前世界上最大的被动式风阻尼系统(Tuned Mass Damper)，直径5.5m的实心钢球，总质量达680t(见图2-33)安装阻尼器，运用物理学反作用之原理，可大幅度减低大楼遭受强风
45、振动的影响，可承受17级强风(60m/s以上的风速)以及地震力500gal的摇晃力量。,95,台北101大楼的阻尼器,96,2上海环球金融中心阻尼器上海环球金融中心在90层安装2台长宽各为9m、质量为150t的风阻尼器(图2-34)，能使强风施加在建筑物上的加速度(重力)降低40%，也可减低强震对建筑物顶部的冲击。按照我国的标准，超高层建筑应具有抵抗40m/s以上的抗风能力，超过12级台风。安装阻尼器，可防止共振现象，在漫步高472m的观光阁上时不受影响。,97,上海环球金融中心的阻尼器,98,3其它超高层建筑阻尼器安装情况安装风阻尼器无疑有抗风和抗震的作用。在世界建筑之最的迪拜哈利法大楼，没
46、有安装阻尼器。哈利法大楼，在大比例的风洞试验的基础上，经过塔楼形状的多次调整，大大降低了风与大楼的共振作用。风对大楼最重要的动力作用是漩涡脱落(漩涡脱落为横向流诱导振动的主要原因之一)，而漩涡脱落的速率与风速、建筑物宽度及截面形状有关。哈利法大楼的楼层(面积)变化，使得漩涡脱落频率有很大的变化，因此漩涡脱落与塔楼的自振几乎不相关，即，漩涡脱落与塔楼无法形成共振现象。塔楼为混凝土结构，其质量大，又可降低塔楼的加速度。同时，混凝土的固有阻尼也大于钢。这样，哈利法大楼没有安装阻尼器。,99,思考题1.试述我国以及国际上对于高层建筑和超高层建筑的主要划分标准。2.试述超高层建筑结构体系的主要特点和结构选型依据。3.试述超高层建筑结构设计的主要控制因素。4.简述高层建筑和超高层建筑采用的主要结构形式，并说明各自的适用范围。5.超高层建筑安装阻尼器的主要目的是什么？6.为什么迪拜哈利法塔可以不设置阻尼器？,
