高层建筑结构受力特点和结构概念设计-WDFXW
高层建筑结构的受力及变形特征
高层建筑结构的受力及变形特征
高层建筑结构的受力及变形特征是建筑设计和施工中非常重要的问题。
高层建筑结构的受力特征主要包括重力荷载、风荷载和地震荷载等。
其中，重力荷载是最基本的荷载，主要由建筑自身重量和建筑内部的荷载所产生。
风荷载是高层建筑最主要的侧向荷载，其大小和方向受到地形、建筑高度、建筑形态等因素的影响。
地震荷载则是高层建筑所面临的最严峻的荷载，其强度和方向受到地震的影响，需要特殊的设计和施工。
高层建筑结构的变形特征主要包括弯曲变形、剪切变形和轴向变形等。
在受到荷载作用时，高层建筑结构会产生一定的变形，其中弯曲变形是最主要的变形形式。
剪切变形则是建筑结构抵御风荷载和地震荷载所产生的重要变形形式。
轴向变形则主要是由于建筑结构的温度变化所产生的变形。
因此，在高层建筑的设计和施工过程中，需要充分考虑受力和变形特征，采取合适的结构形式和材料，以确保建筑的安全、稳定和耐久。
- 1 -。
高层建筑的结构与受力分析
高层建筑的结构与受力分析高层建筑由于其高度较高，所以在设计和施工过程中需要特别重视其结构与受力分析。
本文将对高层建筑的结构和受力分析进行详细探讨。
一、高层建筑的结构类型高层建筑的结构类型多种多样，常见的包括框架结构、筒体结构、剪力墙结构等。
每种结构类型都有其独特的特点和适用范围。
1. 框架结构：框架结构是高层建筑最常见的结构类型之一。
它利用垂直柱和水平梁构成的框架来承担建筑的荷载。
框架结构具有灵活性和适应性，适用于不同形状和高度的建筑。
2. 筒体结构：筒体结构是一种通过建筑物外围的承重墙、柱和板板形成的结构类型。
筒体结构具有较好的抗侧向力能力和稳定性，适用于地震等自然灾害频发的地区。
3. 剪力墙结构：剪力墙结构采用设置剪力墙来承担建筑的纵向荷载，是一种高度抗震的结构类型。
剪力墙结构在地震区域的高层建筑中广泛采用，能够有效地抵抗地震力的作用。
二、高层建筑的受力分析高层建筑的受力分析对于确保建筑物的安全和稳定性至关重要。
在设计和施工过程中，需对各种力的作用进行合理分析和计算。
1. 垂直荷载：高层建筑承受的垂直荷载包括自重荷载和使用荷载。
自重荷载是指建筑本身的重量，而使用荷载是指建筑内外部设施、人员活动等产生的荷载。
设计师需要根据建筑的功能和用途，准确计算垂直荷载的作用。
2. 水平荷载：高层建筑需要考虑到水平荷载，包括风荷载和地震荷载。
风荷载是指风对建筑物表面产生的压力，地震荷载是指地震对建筑物的作用力。
在设计过程中，需根据具体地点的风速和地震烈度，合理计算水平荷载。
3. 温度荷载：高层建筑由于在使用过程中会受到温度的变化而产生热胀冷缩的作用。
设计师需要考虑到温度变化对建筑物的影响，并通过合理的设计和材料选择来减少温度荷载对建筑物的影响。
三、高层建筑结构设计的关键要素高层建筑的结构设计有许多关键要素需要考虑，下面将介绍其中几个重要要素。
1. 强度和稳定性：高层建筑的结构必须具备足够的强度和稳定性，以承受各种荷载的作用。
高层建筑受力分析
高层建筑受力分析高层建筑是现代城市发展的重要标志，然而，由于其高度和结构的复杂性，受力分析成为设计和施工的关键问题。
本文将对高层建筑的受力特点、受力分析方法以及常见的受力问题进行探讨。
一、高层建筑的受力特点高层建筑由于自身重量的影响，以及外界风力、地震力等因素的作用，存在着复杂的受力情况。
为了确保高层建筑的结构稳定和安全性，需要对其受力特点进行全面分析。
1. 自重受力：高层建筑的自重主要由建筑材料的重量构成，包括楼板、墙体、柱子等。
自重受力是高层建筑最基本也是最直接的受力形式。
2. 垂直荷载受力：除了自重外，高层建筑还需要承受来自人们活动、家具设备以及各种设施的垂直荷载。
在设计和施工过程中，需要对这些荷载进行准确合理的估计和计算。
3. 风荷载受力：高层建筑由于其外形特殊，容易受到风的作用，尤其是靠近沿海或者山区的高层建筑更容易受到强风的影响。
设计和施工过程中，需要预先估计风荷载并进行合理的受力分析。
4. 地震荷载受力：地震是高层建筑最大的威胁之一，特别是在地震多发地区。
鉴于地震的不确定性，设计者需要合理地预测地震的荷载，并采取相应的防护措施。
二、高层建筑的受力分析方法为了对高层建筑的受力情况进行准确的分析和计算，工程师们采用了各种分析方法，包括静力分析、弹性分析和有限元分析等。
1. 静力分析：静力分析是最常见的高层建筑受力分析方法之一。
通过假设结构和外界荷载静止不变，采用力学平衡原理对结构进行受力分析。
这种方法适用于受力简单、结构稳定的情况。
2. 弹性分析：弹性分析是一种更为精确的分析方法，通过考虑结构的变形和刚度的影响，在分析过程中考虑结构的弹性变形。
这种方法适用于受力复杂、结构刚度较大的情况。
3. 有限元分析：有限元分析是一种更加综合和精确的受力分析方法，可用于高层建筑的复杂受力情况。
通过将结构分割成有限个小单元，将结构的受力和变形问题转化为求解各个单元的受力和变形问题。
三、高层建筑的常见受力问题在高层建筑的设计和施工过程中，存在一些常见的受力问题，需要进行仔细的分析和解决。
高层建筑结构受力特点和结构概念设计
地震反应
•定义：地震作用使房屋产生的运动称该房屋的地震反应。 •地震反应包括：加速度、速度、位移。我们把不同周期下建 筑物反应值的大小画成曲线，这些曲线称为反应谱。 •振动 • 水平振动－主要破坏因素； • 竖向振动－8、9度时大跨度和长悬臂结构及9度时的高 层建筑，应计算竖向地震作用。
地震作用影响因素
第2章 高层建筑结构受力特点 和结构概念设计
2.1 高层建筑结构上的荷载和作用 2.2 高层建筑结构的受力特点和工作特点 2.3 高层建筑结构的结构体系和结构布置
2.4 高层建筑结构的概念设计
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001） 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001） 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）
back
2.楼面和屋面活荷载
楼面活荷载
•高层建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久 值系数，应按《荷载规范》取值。 •设计楼面梁、墙、柱及基础时，楼面活荷载标准值应乘以规定 的折减系数。
屋面活荷载
•房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载应按下表 中的数值采用。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。
wk ＝ z s z w0
•计算围护结构时
( kN m 2 )
(2-1-1)
wk ＝ gz s z w0
式中 ωk－风荷载标准值（kN/m2 βz － z高度处风振系数； μz－风压高度变化系数；
( kN m )
2
(2-1-2)
）
ω 0－基本风压（kN/m2） βgz－ z高度处阵风系数； μs－风荷载体型系数。
说明：
• 第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算； • 大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。
高层建筑结构的受力特征和结构的概念设计
2020/5/1
2
2.1 高层建筑的特点
1、水平荷载成为决定因素
公式 水平荷载
M
△
轴力 N=f(H) 弯矩 M=f(H2)
均布荷载 倒三角荷载
qH 2 2
qmax H 2 3
qH 4
8EI
11qmax H 4 120EI
变形（侧移） △＝f(H4)
说明：
(1)、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度 的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖 向构件中所引起的轴力与H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。
(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考虑竖向地震作用外），水平荷载 （风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结 构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。
2020/5/1
3
高层建筑的特点
2、竖向构件的轴向变形不容忽视
(1)、对连续梁弯矩的影响
中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差 异
梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆 线性构件是组成框架体系、框－撑体系、框墙体 系或板柱体系的基本构件
2020/5/1
8
高层建筑的特点
➢ 平面构件－具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构 件
楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，结构分 析中常常忽略
面构件是组成全墙体系、框－墙体系、框托墙体系和 叠和体系的基本构件
• 减轻结构自重，降低基础工程造价：两类结构的结构自重的比例
为2：1，荷载减小，基础处理的难度和基础工程的造价均下降
• 减少建筑中结构所占的面积 • 施工周期短：工厂制作，现场安装，无须大量脚手架，压型钢板
可以作为混凝土楼板的永久模板，可节约20%~30%的施工时间
高层建筑结构的受力特点
(1)水平荷载成为决定因素(承载力设计)
在低层建筑中，一般是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。
在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却往往起着决定性的作用。
随着建筑层数的增多、建筑高度的增加，水平荷载更加成为结构设计的控制因素。
一方面，建筑的竖向荷载所造成的结构应力与建筑高度的二次方成正比，说明水平荷载对结构的作用远大于竖向荷载。
另一方面，对某一高度的高层建筑来讲，竖向荷载大体上是定值；而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随高层建筑结构动力特征的不同而有较大幅度的变化，因而水平荷载的作用更显突出。
(2)侧移成为控制指标(刚度设计)
与低层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。
随着建筑高度的增加，在水平荷载作用下，结构的侧向变形迅速增大。
因为结构顶点的侧移A与建筑高度H的4次方成正比。
随着高度增大，位移增加最快。
高层建筑结构中构建的各种变形影响大。
因为高层建筑层数多、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考虑；对于剪力墙结构体系应计及整片墙或墙肢的剪切变形。
高层结构受到动力荷载作用的动力效应大，如结构的自振周期对于结构受到地震作用或风荷载作用时产生的动力效应变化的影响；高层建筑结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力也必须受到重视。
高层建筑受力特点及结构设计中应注意的重要指标探析
高层建筑受力特点及结构设计中应注意的重要指标探析摘要：城镇化快速发展，大量人口涌入城市，导致城市人口大幅度增长，人口数量和土地矛盾日益突出。
为了缓解土地紧张的局面，全国各地大规模兴建高层建筑。
高层建筑结构复杂、层数高、建筑负荷大，对建筑抗震要求高，因此高层建筑结构设计要求。
本文主要分析了高层建筑的受力特点，并根据其受力特点，探讨了高层建筑结构设计中的抗剪重比、刚度比、位移比等，通过这些指标提高建筑设计人员的设计水平。
关键词：高层建筑；受力特点；结构设计；指标引言：随着经济社会的发展，极大地促进了我国建筑行业的快速发展。
为了提高土地利用率，高层建筑和超高层建筑日益发展。
由于高层建筑层数多、结构复杂、建设周期长，对建筑设计提出了更高的要求。
高层建筑结构设计水平直接影响到整个建筑的安全性，所以在设计的时候，要考虑到高层建筑设计的各个要素，确保建筑施工安全。
1.高层建筑概念和受力特点1.1高层建筑概念高层建筑只建筑高度大于27米的住宅建筑和建筑高大大于24米的非单层库房、仓库以及其他民用建筑。
不同国家对高层建筑的定义不同。
美国将24.6米或者7层以上的建筑看成是高层建筑；英国将大于等于24.3米的建筑看成高层建筑；日本将31米以上或者8层以上的建筑看成高层建筑。
按照我国高层建筑规定，凡是建筑房屋大于28米或者楼层超过10层以上的建筑可视作高层建筑。
随着建筑行业的快速发展，高层建筑的层数和规模不断扩大，未来高层建筑和超高层建筑将成为主流，因此探讨高层建筑受力特点，对促进我国高层建筑设计水平具有重要意义。
1.2高层建筑受力特点高层建筑结构设计和低层、多层建筑结构设计相比，具有以下特点：第一，水平力是高层建筑设计的主要因素。
低层建筑和多层建筑结构设计中，一般是以重力为代表的竖向荷载主导结构设计。
但是高层建筑结构的水平荷载是设计的主要因素，侧移成为设计的控制指标，向变形的影响在设计中不容忽视。
第二，高层建筑结构设计不仅要求具有足够的承载力，而且还必须具备一定的抗侧向力和刚度，确保高层建筑结构在水平作用下，不会发生侧向位移，如果发生侧向位移，侧向位移的范围在高层建筑设计规范要求内，所以高层建筑结构的侧向刚度由位移结构控制，P-△效应比较明显。
高层建筑结构的受力特征和结构的概念设计
根据建筑功能、使用要求、地理环境等条件，选择合适的结构形式，如框架结构 、剪力墙结构、筒体结构等。
结构体系
确定结构的传力路径和主要承重体系，如框架-剪力墙体系、筒中筒体系等，以 满足高层建筑对承载力和稳定性的要求。
结构布置与优化
结构布置
根据建筑平面和立面的要求，合理布置结构的梁、柱、墙等 构件，以满足建筑功能和美观的要求。
结构损伤识别与评估
通过地震模拟振动台试验、有限元分析等方法，对高层建筑结构在地震作用下的损伤情况进行识别和评估，为结 构的修复和加固提供依据。
减震与隔震技术
减震技术
通过在建筑结构中设置减震装置，如阻 尼器、减震支座等，减小地震对结构产 生的加速度、速度和位移，从而降低结 构所受的地震作用。
VS
隔震技术
06
高层建筑结构的发展趋势与挑战
新材料与新技术的应用
高强度钢材的应用
高强度钢材具有更高的承载能力和耐久性，能够减轻结构自重并 提高抗震性能，为高层建筑结构设计提供了更多可能性。
复合材料的应用
如碳纤维、玻璃纤维等复合材料，具有轻质、高强、耐腐蚀等优点 ，可用于高层建筑的楼板、梁等部位，提高结构效率。
多元化发展
高层建筑结构将更加注重功能性和 美学性的结合，呈现出多元化的发 展趋势，满足人们多样化的需求。
高层建筑结构面临的挑战与对策
1 2
抗震性能的挑战
高层建筑结构在地震作用下的抗震性能是一个重 要问题，需要采取有效的抗震设计和构造措施， 提高结构的抗震能力。
风荷载作用的挑战
高层建筑结构受到的风荷载作用较大，需要合理 设计抗风结构，减小风荷载对结构的影响。
结构耐火性能评估
耐火等级
高层建筑应根据其使用功能和重要性，确定 相应的耐火等级，并采取相应的耐火构造措 施。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 缺点：自重大，强度低，抗震性能差，施工难以机械
化，工人劳动强度高，工期长和结构面积大，难以用 于高层房屋，国内目前砖石结构房屋只建到19层左右
• 新型砌体结构—配筋砌体 10曾以上采用， 北京
（八度区）拟建30层
2、钢筋混凝土结构
• 优点：结构强度较高，抗震性能较好，并具有良好的
可塑性
(2)、对预制构件下料长度影响
美国休斯顿75层汉克萨斯商业大厦，采用型 钢混凝土墙和钢柱组成的混合体系。根据 计算，中心钢柱由于受荷面积大，重力荷 载下轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多 260mm，总下料多260mm，并且要逐层调整
2020/5/10
4
高层建筑的特点
2、竖向构件的轴向变形不容忽视
(3)、对构件剪力和侧移的影响 一般情况下不考虑竖向构件的轴向变形，在
(2)、竖向荷载一般为定值（除了需考虑竖向地震作用外），水平荷载 （风、地震）均为不确定的因素，且随很多因素（时间、地点、结 构动力特性、周边环境等）变化有较大幅度的变化。
2020/5/10
3
高层建筑的特点
2、竖向构件的轴向变形不容忽视
(1)、对连续梁弯矩的影响
中柱、边柱轴向应力不同引起压缩变形的差 异
结构类型
框架
框架—剪力墙、框架—核心 筒、板柱—剪力墙
筒中筒
2020/5/10
框支层
△U/h限值 1/550
1/800
1/1000 1/1000
6
高层建筑的特点
说明：
➢ 过大的侧移使人有一种不安全感、不舒适 感
➢ 过大的侧移会使隔墙、围护结构以及装修 损坏，使电梯轨道变形
➢ 高楼重心位置较高，过大侧移使结构因P－ △效应而产生较大的附加应力，
高层中，考虑轴向变形计算的剪力与不考 虑结果相差30％以上，结构顶点侧移减小 一半以上（考虑轴向变形计算的侧移大）
2020/5/10
5
高层建筑的特点
3、侧移成为主要控制指标之一 结构侧移已经成为高层结构设计中的关键，侧移△＝f(H4) 要求：强度满足要求，足够的抗推刚度，控制水平荷载作用下 产生的侧移.. 《高规》P30 4.6.3条规定限值（钢筋混凝土 结构）层间位移 楼层层间最大位移与层高之比的限值△U/h：
• 缺点：自重大
2020/5/10
10
高层建筑的结构形式
3、钢结构
• 钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够满足
建筑上对大跨度、大间的要求
• 抗震性能优于钢筋混凝土结构：混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，
延性也差，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力迅速降低，钢 材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高， 重要的是具有良好的延性。地震作用下，钢结构因良好的延性， 不仅能够减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵 抗强烈地震的变形能力
梁、柱、桁架支撑弦杆、腹杆 线性构件是组成框架体系、框－撑体系、框墙体 系或板柱体系的基本构件
2020/5/10
8
高层建筑的特点
➢ 平面构件－具有较大横截面边长比（宽厚比）的片状构 件
楼板、墙体：构件平面外刚度和承载力很小，结构分 析中常常忽略
面构件是组成全墙体系、框－墙体系、框托墙体系和 叠和体系的基本构件
高层建筑结构设计
CHAPTER Two 主 讲 人：
谢 孝 副教授 后勤工程学院建筑工程系
结构教研室
1
CHAPTER Two 高层建筑结构受力特点 和结构概念设计
2.1 高层建筑的特点 2.2 高层建筑的结构形式 2.3 高层建筑的结构体系 2.4 高层建筑结构体系的选择 2.5 结构总体布置 2.6 缝的设置和基础
甚至导致恶性循环直至倒塌。
2020/5/10
7
高层建筑的特点
4、结构延性是重要设计指标 ➢ 与较低层建筑相比，高层建筑较柔，地震作用下
变形较大，为使结构在进入塑性变形阶段后仍然 具有较强的变形能力，避免倒塌，需要在构件上 采取恰当的措施，保证结构具有足够的延性 5、构件的基本形式 ➢ 线形构件－具有较大的长细比的细长构件
4、组合结构
• 综合钢框架与钢筋混凝土筒体，具有二者的优点 • 侧向刚度大于钢结构 • 结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间 • 施工速度比钢筋混凝土结构加快 • 结构面积小于钢筋混凝土结构 • 发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用
结构形式选择的基本要求
• 经济性（必要时考虑综合经济效果） • 技术条件（包括设计技术、施工技术等等） • 材料供应情况 • 受力特点
2020/5/10
12
2.3 高层建筑的结构体系
现代高层建筑 结构体系分类
2020/5/10
框架体系（含板柱体系） 全落地剪力墙体系
剪力墙体系 部分框支剪力墙体系
框架－剪力墙体系（含框架－筒体体系） 框筒体系
筒体体系 筒中筒体系 多筒体系
13
高层建筑的结构体系
结构抵抗外部作用的构件组成方式
1、框架结构（由杆件—梁、柱组成） 图 特点：结构布置灵活，较大的室内空间，使
➢ 立体结构－由线构件或面构件组成具有较大横截面尺寸 和较小壁厚的整体筒状构件
框筒－梁柱构成的立体构件；具有较大的抗推刚度、 抗扭刚度
立体构件是框筒体系、筒中筒体系、筒体体系、框筒 束体系、支撑框筒体系、大型支撑筒体系和巨型框架体 系中的基本构件
2020/5/10
9
2.2 高层建筑的结构形式
➢ 结构方案选择：在满足建筑使用要求的前提下，选择 结构形式、结构体系和结构布置
2020/5/10
2
2.1 高层建筑的特点
1、水平荷载成为决定因素
公式 水平荷载
M
△
轴力 N=f(H) 弯矩 M=f(H2)
均布荷载 倒三角荷载
qH 2 2
qmax H 2 3
qH 4
8EI
11qmax H 4 120EI
变形（侧移） △＝f(H4)
说明：
(1)、竖向荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度 的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖 向构件中所引起的轴力与H的二次方成正比，侧移更大，为四次方。
• 减轻结构自重，降低基础工程造价：两类结构的结构自重的比例
为2：1，荷载减小，基础处理的难度和基础工程的造价均下降
• 减少建筑中结构所占的面积 • 施工周期短：工厂制作，现场安装，无须大量脚手架，压型钢板
可以作为混凝土楼板的永久模板，可节约20%~30%的施工时间
2020/5/10
11
高层建筑的结构形式