高层建筑钢筋混凝土结构设计简介

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：我国是在地震区建造抗震钢筋混凝土高层建筑数量最多、也是高度最高的国家。混合结构则是指在整个结构中采用钢构件、钢筋混凝土构件或组合构件组成的结构。

在过去的100年里，特别是近50年，高层建筑结构有了巨大的发展，其中包括材料、结构体系及施工技术。

高层建筑结构的材料主要是钢筋混凝土和钢。除了全部采用钢材的钢结构和全部采用钢筋混凝土材料的钢筋混凝土结构外，同时采用两种材料做成的混合结构和组合结构在近年来得到愈来愈广泛的应用。

钢结构优点突出：钢材抗压、抗拉、抗剪强度都很高，韧性大，易于加工；钢结构具有结构断面小、自重轻，可减少结构所占据的建筑面积，可降低基础造价；构件延性好，结构抗震性能优于钢筋混凝土结构；钢结构构件可在工厂加工，缩短现场施工工期。钢结构的主要问题也是明显的，一是防火性能不好，需要用昂贵的防火涂料，因而维护费用高，二是钢结构的造价高，高层钢结构造价，一般为钢筋混凝土结构造价的1.5～2.0倍，具体分析造价高的原因有三方面：用钢量大；钢构件制作、运输、安装费用大；防火涂料费用多等。如果考虑钢结构的综合经济效益（可降低地基基础造价，增加使用面积），以及上部结构只占工程总造价的15%～20%，工程总造价又只占总投资的50%～70%，那末由于采用钢结构而增加的总投资仅为5%～10%。

钢筋混凝土结构造价较低，且材料来源丰富，并可浇筑成各种复杂断面形状，钢材用量少，而承载力也不低，侧向刚度大，整体浇筑的连接节点可靠，抗震性能虽不如钢结构，但经过合理设计也可获得较好的抗震性能。其缺点是构件断面大，占据室内空间多，因而减少使用面积，自重大，从而基础用材更多，导致基础造价增高，但一般总造价都低于钢结构。近年来高强混凝土和高性能混凝土的发展更促进了高层钢筋混凝土建筑的发展。

在发达国家，大多数高层建筑采用钢结构。混凝土高层建筑发展缓慢，在美国，1903年建成第一幢用钢筋混凝土材料建造的高层建筑是辛辛那提的Ingalls Building，16层，64m高；1922年在达拉斯建成19层、70m高的Medical Arts Building；到1959年，才建成了39层、113m高的Executive House，为框架—剪力墙结构。而此时，在古巴和巴西，都已建成高度更大的钢筋混凝土建筑（分别为123m和154m）；1968年，澳大利亚的悉尼建成了当时世界最高的钢筋混凝土建筑，Australia Square，51层，183m高。在早期，发达国家的钢筋混凝土高层建筑不仅数量很少，高度也不大。近年来，由于钢筋混凝土结构具有的优点，发达国家的钢筋混凝土建筑逐渐增多。1971年，美国休斯顿首次建造了50层、218m高的第一贝壳广场大厦（One Shell Plaza），也是第一幢用轻混凝土建造的高层混凝土建筑，见图1-13。以后，由于高强混凝土的成熟和应用，钢筋混凝土高层建筑数量增加，支加哥64层、高度为423m的支加哥Trump国际酒店大楼是目前美国最高的钢筋混凝土建筑。但是，美国较高的钢筋混凝土高层建筑都建造在非地震区。在地震区，直到1984年，在美国旧金山海湾地区才建成了31层的太平洋广场高层公寓（Pacific Plaza），采用了钢筋混凝土延性框架结构（第10章10.13节将作详细介绍）。在日本，由于地震频繁，长期以来不允许建造钢筋混凝土高层建筑，在20世纪80年代，继美国之后，开始建造了极少量的30～40层钢筋混凝土框架结构，1984年设计和建造了日本最高的钢筋混凝土框架结构，是41层、高度为135.81m的公寓建筑（其平面见第10章图10-70、图10-71）。

图1-13 美国休斯顿第一贝壳广场大厦（One Shell Plaza）

图1-14 广州中信广场大厦

在发展中国家，大多数高层建筑采用钢筋混凝土材料建造。许多发展中国家最大量的和最高的高层建筑都是钢筋混凝土结构，现在阿联酋迪拜的高层钢筋混凝土结构最多。我国是在地震区建造抗震钢筋混凝土高层建筑数量最多、也是高度最高的国家。上海、广州、深圳都是7度抗震设防地区，已建造了多幢300m以上的钢筋混凝土高层建筑，1996年建造的广州中信广场大厦是当时世界最高的钢筋混凝土结构，见图1-14。现在，我国最高的钢筋混凝土结构是1996年建造的广州花旗广场，80层，高390m。北京是8度抗震设防区，有多幢高度超过100m的钢筋混凝土结构，1991年建造的111m高、34层的新世纪饭店尤其是有代表性（第10章10.6节介绍），目前北京正在建造更高的钢—钢筋混凝土混合结构——中国尊（见第10章10.19节）。

实际上，在高度很大的结构中，采用钢和混凝土两种材料做成组合构件及混合结构，是安全、合理且经济的结构，这也是我国近年来发展研究的热点。

组合构件是将钢材和钢筋混凝土组合在同一构件中，例如钢骨混凝土柱或梁、钢管混凝土柱、叠合钢管混凝土柱、钢—混凝土组合楼板、钢板剪力墙等。混合结构则是指在整个结构中采用钢构件、钢筋混凝土构件或组合构件组成的结构。日本较早应用钢骨混凝土结构，从日本历次大地震的震害看，除钢结构外，钢骨混凝土结构的震害较少。由表1-2的统计可见，当今世界100幢最高建筑中，建筑高度增加，但钢结构数量却减少，由2002年的37幢减少为2013年的14幢，而无论是发达国家或发展中国家，超高层建筑中采用混合结构的数量都增加了，由2002年的32幢增加到2013年的41幢，最高100幢建筑中前10名多数采用混合结构。

在我国，高层建筑中一直以钢筋混凝土结构为主，近年来钢管混凝土柱的研究和应用增多，深圳的赛格广场（见第10章10.11节）建于2000年，是那个时期利用钢管混凝土柱的最高建筑。后来我国又自主研发了叠合钢管混凝土柱，取得了很好的效果。目前在超过300m的高层建筑中采用钢管混凝土柱或钢骨混凝土柱的混合结构数量增加，由表1-3可见，进入世界100幢最高建筑排名中的中国超高层建筑，以及我国在建造中的超过400m的超高层建筑，几乎都采用了混合结构。

高层建筑的抗侧力体系是高层建筑结构是否合理、经济的关键，随着建筑高度及功能的发展需要，抗侧力结构体系也在不断发展变化。由最初的框架、剪力墙结构等基本体系，发展为框架—剪力墙体系，继而又发展了框架—筒体体系、框架—筒体—伸臂体系、框筒体系、筒中筒体系、巨型框架体系、脊骨结构体系等。随着建筑功能及形式的不断发展，必定还会有更多、更新的结构体系出现。

高层建筑钢筋混凝土结构设计简介

相关推荐