最新电子教案--《高层建筑》

温州大学

课程教案

学院_____建筑与土木工程____ 课程名称_______高层建筑_______ 学时__________36__________ 授课教师_______杨柯___________ 授课对象______土木工程本科____

年月日

授课内容基本总论

根据课程群建设的要求和各门课程内容上的分布情况。本课程和抗震结构课程中除了完成教学大纲所规定的内容外，还将承担补充其它课程没有讲到的内容。以便学生毕业设计中能够比较独立地工作。

本课程将按照结构设计的过程来组织教学。所以，教材中第8章的部分内容与第二章的内容同时讲解。相关内容以《抗震结构设计》教材作为参考书。

第1章高层建筑结构体系及布置

计划学时：2学时

教学目的：介绍本课程与其它课程的关系，高层建筑的定义类型和实例，本课程在房屋建筑结构设计中的地位

教学重点：

(1) 建筑结构设计的全过程，以及本课程在其中的地位

(2) 高层建筑的类型－板式和塔式

(3) 高层建筑结构的受力特征－水平荷载和位移控制

以上页面将在本课程课件中多次出现。原因是，学生学习时的先后顺序考虑的是课程的衔接。而在应用中，则完全是另一个顺序。这一点已经是与学生讲清楚的时候了。另外，不能到毕业设计时才把本课程群中的内容全部贯穿起来，在本课程与抗震结构设

计量门课程中应该能够把这些知识系统化了。

根据以上页面中提示的结构设计的大体内容。使得学生在学习本课程的同时可以知道当前所学的内容在设计中处于一个什么地位，在何处使用它。

结构设计的三个主要内容中，钢筋混凝土结构与结构力学目的在于把学习过程

结构设计三个主要方面内容的重要性：

以下页面在本章中首次出现，并在今后的章节中讲解到相关问题时再次复习。

1.如何与前面学习的内容相衔接，比如，提问旧课，导入新课。

2.怎样指导预习。

3.采用什么方式、方法。

4.讲解哪些内容。

5.提出哪些启发性问题。

6.做哪些作业、练习。

7.板书设计。课题名称、教学内容的简要提纲，重要结论，讲授中出现的术语、名词、概念等等，都可根据需要列为板书内容。板书应有计划、有条理、而且应该是必要的。

8.教具的应用。

9.怎样进行归纳、总结。

10.划分各个教学步骤的时间。

§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以上的超高层建筑就有140余幢。其中，上海金茂大厦高度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。

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＞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：

１、钢结构

钢材强度高、韧性大、易于加工。钢结构构件可以在工厂加工，缩短了现场施工工期，施工方便。高层钢结构具有结构断面小、自重轻、抗震性能好等优点。

但是，高层钢结构用钢量大，造价高，而且钢材的防火、防腐性能不好，需要大量的防火涂料和防腐处理，增加了工程工期和造价。

２、钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构造价低，材料来源丰富，可以浇注成各种复杂的断面形式，节省钢材，承载能力也不低。经过合理的设计，现浇钢筋混凝土结构具有较好的整体性和抗震性能。尤其是在防火和耐久性能方面，更是有着钢结构无法比的优势。其缺点是自重较大，抗震性能不如钢结构，建造高度也不如钢结构。香港的中环广场大厦，是目前最高的钢筋混凝土结构，其次是朝鲜平壤市的柳京饭店，101层，高度319.8m。

３、钢—混凝土组合结构

将型钢布置在构件内部，外部由钢筋混凝土做成，或者是在钢管内部填充混凝土，做成钢—混凝土组合结构。此种形式使上述两种结构材料优势互补，结构具有很好

的抗震性能，建造高度可与钢结构相当。经济合理、技术性能优良的钢—混凝土组合结构，是目前的发展趋势。目前世界最高建筑——吉隆坡的石油大厦，就是这种结构形式。

第2章、高层建筑的抗侧力结构体系

要求：学生了解抗侧力结构的基本概念及其特点。由于已经讲授过土木工程概论中教授过高层建筑的类型，所以这里应该从一般的概念和一般性的要求作为起点，然后再讲授特殊结构。重点掌握为各种抗侧力结构刚度的比较。

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

所谓高层建筑的结构体系，是指结构抵抗外部作用的构件类型和组成方式。在高层建筑中，随高度增加，抵抗水平力作用下的侧向变形是主要问题。因此，抗侧力结构体系的合理选择和布置，就成为高层建筑结构设计的关键。高层建筑的基本抗侧力单元有框架、剪力墙、实腹筒、框筒等，由此组成的结构体系有以下几种。

1)

2)

3)

1)

2)

3)

4)

一、框架结构体系

框架是由梁和柱刚结而成的平面结构体系。如果整幢结构都由框架作为抗侧向力单元，就称为框架结构体系。

计划学时：2学时

教学内容(提纲页面)：

课时分配：1－3项 1课时，4－6项 1课时

教学重点：

●框架结构的变形特征

●框架结构中梁柱的内力特点

●框架结构的破坏机制和延性框架

难点：延性框架是本课程中的难点－此处作为引导性初步讲授。

实例教学：

框架底层破坏－现场照片

填充墙形成短柱破坏－现场照片

砌体填充墙的震害－3组现场照片

作业：

1. 简述框架结构的优点和缺点。

2. 框架结构在水平荷载作用下的变形由哪两部分组成。

3. 框架、剪力墙和框架剪力墙结构在水平荷载作用下变形各是何种类型？

4. 框架结构的布置原则有哪些？

5. 抗震设计对框架的填充墙有哪些要求？

二、剪力墙结构体系

计划学时：2学时

教学内容(提纲页面)：

重点和难点：

(1) 剪力墙结构的布置要求

(2) 剪力墙结构的变形特点

(3) 框支剪力墙结构

难点：对称布置与结构抗扭转问题。

引用实例：

1.剪力墙结构的布置实例－广州白云宾馆

2.剪力墙间距的实例

3.框支剪力墙结构实例－中国大酒店

4.部分框支剪力墙结构布置实例-板式

5.部分框支剪力墙结构布置实例-塔式

6.短肢剪力墙布置实例

7.异形柱平面布置实例

作业：

1.剪力墙结构的布置要求有哪些？

2.剪力墙为什么要对称布置

3.剪力墙结构的破坏形态有哪4种？

三、框架－剪力墙（框架－筒体）结构体系

计划学时：2学时

主要内容(提纲页面)：

学时

重点内容：

1.框架剪力墙结构的特点

2.框架-剪力墙协同工作问题

3.双重抗侧力体系－两道防线――难点－需要重点讲解。

4.剪力墙的数量和间距 (难点)。

工程实例：

1.框架－剪力墙-上海明天广场

2.框架－剪力墙－北京饭店新楼

3.框架－剪力墙(筒体)中柱网布置

4.框架－剪力墙平面布置－上海宾馆

5.框架－剪力墙结构中剪力墙的布置－广州东方宾馆

6.框架－剪力墙结构中剪力墙的布置－广州外贸大楼

7.框架－剪力墙结构中剪力墙的布置－北京民族饭店

8.框架－剪力墙结构中剪力墙的布置－广州饮食服务大楼

9.轴心支撑结构－北京通用时代1#楼

10.框架－支撑体系＋伸臂桁架－北京京城大厦

11.框架－支撑体系－上海新锦江饭店

课堂提问：

剪力墙越多越好吗？－引出工程哲学方法论中的问题。

作业(课堂提问)：

●框－剪结构中剪力墙的布置要求有哪些？

●对框支剪力墙结构中落地墙的要求有哪些？

●钢框架中剪力墙板开缝的作用是什么？

●偏心框架支撑结构中的耗能梁段的作用

●为什么框架剪力墙结构中剪力墙的间距不能太大？

●简述框-剪结构的两道抗震防线在地震中的工作状态和各自的作用。

四、筒体结构体系

计划学时：2学时

主要内容：

筒体结构体系概述与特点

筒体结构的基本类型

筒体结构的组合类型

2.8

课时分配:：特点与概述+基本类型1学时, 筒体结构的组合类型+巨型结构1学时

重点内容：

1.筒体结构体系的特点

2.筒体结构的基本类型－实腹筒、框筒、桁架筒

3.框筒的剪力滞后效应

4.筒体结构的组合类型－筒中筒、多筒、框架核心筒

难点：

?框筒与框架筒体结构的区别

?剪力滞后效应

工程实例：

桁架筒－美国芝加哥Hancock大厦

成束筒－美国西而斯大厦

筒中筒－广东国际大厦

筒中筒－北京中国国际贸易中心主楼

筒中筒－香港中环广场

筒中筒－深圳发展中心大厦

多筒－芝加哥One Magnificent Mile 大厦

多筒－美国迈阿密东南金融中心

多筒－南京金陵饭店

核心筒外框架体系－上海联谊大厦

核心筒外框架体系－苏州雅都大酒店

核心筒外框架体系－青岛保险公司大楼

核心筒外框架体系－上海虹桥饭店

芯筒-框架体系－广州潮汕大厦

端筒＋框架－兰州工贸大厦

芯筒＋端筒＋框架－深圳北方大厦

芯筒＋角筒＋框架－深圳中国银行大厦

钢框筒+内框架－纽约世界贸易中心

钢框筒－内框架－芝加哥标准石油公司大厦

巨型框架－深圳新华大厦

巨型框架－日本东京市政厅

巨型结构－北京电视中心

悬挂体系－香港汇丰银行大厦

悬挂体系－德国BMW办公大楼

作业：

筒体结构有哪些的特点？

筒体结构分为哪几种？

什么是框筒的剪力滞后效应？

剪力滞后效应的对框筒结构有什么影响？

五抗侧力体系与结构总体布置(4学时)

计划学时：4学时

本章内容概要(提纲页面－1)：

课时分配：

1－3项1课时

4概念设计2课时

5不规则结构 1.5课时

6．超限结构0.5课时

重点和难点：

1、建筑物体型和总体布置

2、概念设计中扭转问题(重点＋难点)

3、概念设计中多道抗震防线问题

4、典型的不规则结构

以上内容开始前要讲解两个附加内容

2.9 各种体系的适用高度及高宽比

1.

2.钢筋混凝土结构的适用高度分成两个级别A和B。

3.一般为A级，高度超过A级的列入B级。

4.两级高度的结构执行不同的标准。

5.钢结构和组合结构没有进一步分级

提纲页面－2：

(1)

则结构，避免严重不规则结构

(2)

地震作用传递途径。受力明确、传力合理、传

(3)

变形能力和消耗地震能量的能力。

(4)

结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

(5)

提纲页面－3：

工程实例：

规则布置实例－马那瓜美洲银行大厦

不规则导致地震破坏实例－马那瓜中央银行大厦

不连续导致倒塌实例－美国奥利弗医疗中心主楼

不连续导致倒塌实例－日本神户A公寓

抗扭刚度突变－神户No.11 办公楼

其它实例：楼层薄弱；连接不良等

超限结构－沈阳房地产交易中心

超限结构－上海证券大厦

超限结构－深圳大学科技楼

超限结构－上海世贸国际广场

超限结构－北京新保利大厦

作业：

1.一个丙类建筑，采用钢筋混凝土框-剪结构，高度为120m。试确定该房屋的高度

等级。

2.

3.简述平面不规则的三种类型？

4.简述竖向不规则的三种类型？

5.举例说明你所学过的具有多道抗震防线的结构体系

六、转换层和加强层

计划学时：2

内容提要(提纲页面)：

转换层

结构布置的改变，此时需要设置转换层

加强层

要而设置。通过加强构件－伸臂。

两者相似之处：

注：按章节顺序本节是第8章的内容，但是按逻辑顺序应该放到结构布置中统一讲解。它在内容上紧密结合上面的超限结构和不规则结构。本节内容为一般了解，不作为重点讲授。

重点内容:

1.转换层和加强层的作用

2.转换层的构件主要类型

3.加强层中伸臂和带状桁架的作用

作业：

?转换层的构件有哪几种主要类型？

?简述加强层中伸臂和带状桁架的作用

第4章荷载组合(4学时)

计划学时：4

内容提要(提纲页面)：

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

课时分配：

4.1－4.4 1学时

4.5 1.5学时；

4.6 1.5学时

重点和难点：

1、承载力验算中的承载力调整系数讲解

2、侧移限值中大震和小震限制的不同

3、延性的概念(重点＋难点)，在这里再次讲解

4、抗震等级－这是结构设计的基础环节

5、最不利内力－控制截面梁、柱

6、调幅问题(重点＋难点),此处涉及该问题的一部分，不完整。

实例(最不利内力－例题)：

最不利内力－上海市闵行区某科研办公楼

作业：

1.为什么要设计延性结构？

2. 什么是P-Δ效应？

3. 框架剪力墙结构再多遇地震和罕遇地震层间侧移的限值各为多少？

4. 抗震设计的结构为什么也要进行无地震作用的组合？

第5章近似计算方法和设计概念

本章中框架结构的计算放在《钢筋混凝土结构设计》课程中讲授。

以下页面讲授水平荷载作用下，结构计算的步骤。这个步骤中贯穿了结构动力学、结构力学、混凝土结构设计等课程中的方法。通过该页面使得学生对即将讲授的内容在整体中的地位有比较明确的了解。便于融会贯通和进一步学习。

1

2

3

本章分为三大部分进行讲解(见提纲页面)：

第一部分：基本假设和整体墙的计算(2学时)

第二部分：联肢墙的计算理论推导(2学时)

第三部分：各种参数和剪力墙的内力与变形特征(2学时)

第四部分：框架－剪力墙协同计算(2学时) 前三部分纲要页面为：

一、计算基本假设

计划学时：2学时

重点内容：

1、计算基本假定(特别强调)

2、整体墙的计算

1

其自身平面外的刚度为零

2

度无穷大，平面外刚度为零。计算原理：整体墙看成悬臂梁，是一个静定结构。可以采用材力

弯矩和剪力。

有开口时，通过对面积和惯性矩进行折减后，按悬臂梁

二、双肢墙的计算

计划学时：2学时

重点与难点：

1、基本方程的推导(难点但非重点)

2、方程的求解(难点但非重点)

3、计算过程

墙肢弯曲

墙肢压缩

连梁弯曲

基本方程

3、切口处的变形连续条件

2(5-19a,b,c)?

?

?----=Φ（顶部集中力）（均布荷载）（倒三角荷载）..............................].........)1(1[)(2222

ξαξαξ2

2

10

)()(ααξ?V x m =连续连杆法－基本方程求解

用边界条件确定待定常数得到方程的解答

对多肢墙，每一处连梁建立方程，共迭加，得到统一的关于φ的方程，与双肢墙方程相同。

基本方程的通解

待定常数(由边界条件确定相对坐标[0,1]

利用(5-27)和(5-28)计算剪力墙的内力再用(5-31)计算顶点位移内力和位移计算公式汇总

j 层联梁内力(设计用)

墙肢内力(设计用)

三、 各种参数的计算与物理意义

计划学时：2学时

重点与难点：

1、整体系数(重点＋难点)

2、剪切变形影响系数

3、轴向变形影响系数

4、墙肢和连梁的各种几何参数的计算

5、整体弯矩和局部弯矩的概念(重点＋难点)

几何特性和各种参数的计算(

双肢墙)

(1) 墙肢

?第i 墙肢面积：A i (墙肢是不开口的，其面积容易计算)

?第i 墙肢对自身形心的惯性矩：I i 。?第i 墙肢形心到组合截面形心的距离：y i 。?

剪力墙整体对组合截面形心的惯性矩：I 2

2

2211212

2

2211,y A y A I I I y A y A I I I T A A +++=+==(2) 连梁

?连梁计算跨度；a l ?连梁惯性矩：I l 。

2

27

.01~l l l l a h I I +=

(3) 各种参数1.整体性系数：α

2.墙肢轴向变形影响系数：T

3.墙肢剪切变形影响系数：γ

4.连梁剪力不均匀系数μ查表

5.系数k (5-29)和ψa (5-30b)

∑

∑+=+==

1121

12s i i

i

s i i A G H I E μγ

作业：

简述剪力墙整体系数的意义。

什么是墙肢中的局部弯矩和整体弯矩。它们与什么因素有关。

假设有小开口整体墙如下图。墙厚度取0.16m.其它数据均与教材中相同(少了一个墙肢)。 直接取k=0.85，计算墙肢弯矩。

作业计算用程序(excel) 当前内容为教材中例题