超限高层结构设计中的一些问题

超限高层结构设计中的一些问题沈蒲生2014.12.29主要介绍的内容：●我省超限高层建筑的概况●超限高层结构设计中的一些问题一、我省超限高层建筑的概况高层建筑是一个国家和地区经济繁荣、科技进步的象征。改革开放以来，我省的高层建筑得到了飞速的发展。近年来，我省的高层建筑在高度、跨度和结构复杂程度等方面正在发生深刻的变化，超限高层结构越来越多。（一）什么结构属于超限高层结构（1）高度超过A级高度的高层建筑；（2）跨度大于120m，悬挑长度大于40m，单向长度大于300m的结构；（3）平面和立面具有三项或三项以上一般不规则的结构；（4）具有一项特别不规则的结构；（5）特殊类型的高层结构。拟建中的长沙远大天空城市，原设计为220层，838m高，总建筑面积约100万m2。结构形式：钢束筒结构。建设地点：长沙市望城区。1、长沙远大天空城市大厦（二）工程实例原设计方案修改后的方案为202层，建筑高度838m，屋面高度727.2m。经过1年半左右的超限审查，于2014.4.1日通过了全国超限委员会的结构超限审查。现设计方案（1）各段基本平面示意图（2）单个框筒平面示意图每个框筒由4块大的预制板覆盖。（3）框筒梁、柱示意图（4）基础平面示意图2、长沙远大小天城长沙远大小天城位于长沙县星沙镇远大城，地上97层，地下2层。建筑高度401m，结构高度349.2m。钢束筒结构。当前状况：高度太高，影响飞行，要求修改设计。J97J57小天城J40远望一号修改后的设计：一变两。（1）各层平面示意图J57平面图J40平面图（2）单个框筒结构示意图（3）梁、柱结构长沙国际金融中心，T1塔楼高452m，T2塔楼高318m，总建筑面积为100万平方米。由香港九龙仓公司投资，上海华东院设计。结构形式：钢筋混凝土核心筒+型钢混凝土柱。建设地点：长沙市解放路与黄兴南路交叉处。当前状况：2012年通过了超限审查，正在施工中。3、长沙国际金融中心（1）平面形式（2）结构体系长沙国际金融大厦的特点是：基坑深度37m，基坑底部为中风化土，采用天然地基和筏板基础。（3）基础形式4、长沙世茂广场长沙世茂广场位于长沙市五一大道与建湘路交叉处的西北角，地下4层，地上75层，建筑高度347.9m，结构高度327.75m。结构形式：钢筋混凝土核心筒+型钢混凝土柱。当前状况：正在施工中。（1）平面形式（2）结构特点在避难层处设置加强层和水平环带，增加结构的整体性。（3）基础形式根据地基情况采用桩筏基础。5、长沙新楚·擎天广场本工程位于五一大道以北，燕山路以南，佳兆业广场以东，芙蓉华天宾馆以西。本项目为双塔结构，西塔63层，高280m；东塔57层，高310m；地下6层，33m。总面积为33.2万m2。两个塔楼均为高层混合结构。建筑平面图6、长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程概况：本工程由大剧场、小剧场和艺术馆三部分组成。大剧场两个主轴方向的跨度分别为223m和166m，高52.5m。艺术馆两个方向的最大跨度分别为176m和90m，高41.4m。属大跨超限结构。建设单位：长沙梅溪湖实业有限公司设计单位：广州珠江外资建筑设计院有限公司结构形式：（钢）框架-剪力墙结构当前状况：已经通过结构超限审查。（1）场馆平面布置（2）大剧院和剖面（3）艺术馆平面图（4）艺术馆横剖面7、长沙国际会展中心工程概况：长沙国际会展中心集展览中心、会议中心、商务中心、购物中心和接待中心为一体，地上建筑面积约30.8万平方米，地下建筑面积约12.8万平方米。工程西邻浏阳河，紧邻武广高铁新城。建设单位：长沙国际会展中心投资开发公司设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司结构类型：钢屋盖+钢筋混凝土墙和柱。当前状况：已通过结构超限审查。（1）结构图（2）内景图28、长沙大王山冰雪世界本工程由于结构复杂，造价过高，正在将钢结构修改为钢筋混凝土结构，结构的跨度也将减少。除此之外，我省近年来在建和拟建的超限高层建筑还有：长沙湖南出版集团泊富大厦长沙湖南日报传媒大厦文化产业大楼长沙华远金外滩长沙保利国际广场长沙碧桂园威尼斯城四期1号至5号栋长沙楷林国际长沙绿地中心项目T1办公楼长沙顺天国际金融中心南楼长沙达美梅溪湖c-19地块1号栋吉首艾利尚信国际酒店常德大剧院湖南省博物馆改扩建工程长沙嘉熙中心长沙佳兆业·云顶梅溪湖项目17、18号栋长沙佳兆业广场长沙广告产业园一期1号栋长沙芙蓉国·豪庭广场省院；中机国际设计院；航三院；湖大设计院；多个外省市在湘设计单位。（三）超限结构的设计队伍不断壮大二、超限高层结构设计中的一些问题（一）建筑平面是否合理至关重要1、选择对抗风和抗震有利的结构平面有利的结构平面：圆形、正方形、多边形、椭圆形等。不利的结构平面：长条形、长椭圆形、Y字形、十字形、工字形等。结构平面好，超限设计事半功倍；结构平面不好，超限设计将遇见许多困难。高宽比是房屋结构刚度、整体稳定、承载力和经济合理的宏观控制。房屋底部平面的短边边长不宜小于房屋高度的1/8。核心筒的短边边长不宜小于房屋高度的1/12。长沙国际金融中心T1塔楼平面T2塔楼平面好的结构平面西安新长安二期结构平面图好的结构平面郑州绿地中央广场结构平面图好的结构平面上海中心好的结构平面两个方向的刚度相差较大时，在风荷载和地震作用下，结构的扭转较大；核心筒的高宽比大，结构的刚度弱，变形大。2、两个方向的刚度相差不宜过大3、框架与核心筒的刚度要协调框架-核心筒结构是当今我国超限高层建筑的主要结构体系。框架-核心筒结构有两道抗震设防体系，是很好的结构体系。但是，框架与核心筒的刚度要协调才能很好的受力。框架承担的剪力应满足下面两个条件的限制：Vf≥min（0.2Q0,1.5Vf,max）当前的主要问题时核心筒的刚度较大，框架的刚度很弱。在风荷载和地震作用下，结构的弯矩和剪力几乎全由核心筒承担。4、最新规定框架与墙体、筒体共同抗侧力的各类结构中，框架部分地震剪力的调整应依据其超限程度比规范的规定适当增加(如取规范所规定的较大值或基底剪力的25%)；超高的框架-核心筒结构，其混凝土内筒和外框之间的刚度宜有一个适当的比例，框架部分计算分配的楼层地震剪力，除底部个别楼层、加强层及其相邻上下层外，多数不低于基底剪力的8%（最大宜达到10%），最小不低于5%。主要抗侧力构件中沿全高不开洞的单肢墙，应针对其延性不足采取相应措施。长沙世茂广场，巨型框架结构采用巨型框架，加强层不在同一平面内。天津117大楼巨型框架-核心筒-巨型支撑筒结构上海金茂大厦台北101大楼（二）建筑立面要平缓变化结构竖向刚度变化要平缓，防止突变。平缓变化的立面突变的立面做好结构方案设计是做好结构设计的关键一步。结构设计人员从方案设计阶段开始就应介入设计。结构设计人员在整个设计过程中都应加强与建筑设计人员以及其他工种设计人员的沟通。（三）结构刚度是结构最基本的特性地震作用下，刚性结构和柔性结构的特点如下表。结构优点缺点刚性结构1、当地面运动周期较长时震害较小2、结构变形小，非结构构件的损害小3、安全储备较大4、刚度大，空间整体性好1、当地面运动周期短时有产生共振的可能性2、地震作用及效应较大3、结构的变形能力小，延性较差4、材料的用量较多柔性结构1、当地面的运动周期短时震害较小2、地震作用及效应较小3、结构的自重较轻，材料用量较少1、当地面运动周期长时易发生共振2、非结构构件的损害较大3、变形大，二阶效应较大，稳定性较差1、结构刚度的重要性结构刚度是结构的基本特性，是结构其他性能代表值。结构的刚度要刚柔适当，不要走极端。当前的主要倾向是刚度偏柔。几个例子比较：上海环球金融中心：101层，492m，6.50s。远大小天城：97层，349.20m，6.35s。长沙某广场：59层，267.90m，6.60s。2、我国300多栋建筑结构高度与结构自振周期的关系建议的结构自振周期最大限值房屋结构高度/m结构自振周期/s房屋结构高度/m结构自振周期/s501.2804507.8611002.5885008.2931503.8295508.6852005.0006009.0352505.7226509.3443006.3187009.6133506.8737509.8404007.38880010.0203、建议的结构自振周期最大限值（四）风洞试验基本知识1、规范的风荷载取值（长沙地区）规范的风荷载取值适用于房屋不是特别高且体型比较规则、周围环境比较简单的建筑。2、什么情况下宜进行风洞试验？房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞试验：（1）平面形状或立面形状复杂；（2）立面开洞或连体建筑；（3）周围地形和环境复杂。3、风洞试验常用方法还可以用计算机软件进行风荷载模拟。（1）测力试验：直接测量刚性缩尺模型总体风荷载，包括高层建筑的高频底部力的测量。此法方法较简单，省时省钱。（2）测压试验：在刚性缩尺模型上布置许多测点，直接测量各测点上的风压值。此法较麻烦，但结果较好。（3）气动弹性模型试验：采用弹性缩尺模型，直接测量总体平均和动力荷载及响应，包括位移、扭转角和加速度。此法测量结果比较能够反应结构的真实受力情况，特别是动力响应情况，但模型制作要求高，试验费用较高。4、风洞试验模型比例：1/300～1/500；考虑周围建筑或地貌影响。风向角间隔：10度。共进行36个风向的测量。风速11.88m/s。5、与规范值比较长沙地区的风洞试验实测值一般情况下略低于规范值，但局部可能高于规范值，按包络图设计。6、按包络值进行设计按包络图设计。我国已经编制《建筑工程风洞试验方法标准》，风洞试验可按这个标准的规定进行。（五）地震安全性评价基本知识1、什么结构需要进行安全性评价？根据湖南省政府2001年第134号令：坚硬、中硬场地上80m以上或者中软、软弱场地上60m以上高层建筑工程；百百万人口以上城市的各类救灾应急指挥机构用房，应进行抗震安全性评价。按规范的地震参数：按安评的地震参数：2、天空城市的安评结果50年超越概率Amax(cm/s2)αmaxTgγh1h2小震180.040.350.970.0261.268中震500.120.350.970.0261.268大震1250.280.400.970.0261.268设计反应谱的参数maxmaxmaxmax2.252.259801000mAAAg当按上式计算的αmax值小于规范值时，按规范值计算。小震、中震、大震的放大系数按2.25取值。即：设计用的地震参数：50年超越概率Amax(cm/s2)αmaxTgγh1h2小震300.0680.350.970.0261.268中震850.1910.400.970.0261.268大震1600.3600.400.970.0261.268小震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s后反应谱曲线为水平线。中震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s后反应谱曲线按直线下降。华东院《设计指南》：如结构周期大于6s时，超过6s部分的反应谱曲线，可按照斜率0.02线性延伸衰减。大震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s后反应谱曲线按直线下降。小震下按规范和按设计反应谱的楼层剪力比较：小震下按规范和按设计反应谱的楼层倾覆力矩比较：小震下按规范和按设计反应谱的楼层剪力比较：3、安评存在的问题1）各地需要进行安评的建筑高度相差很大。如：上海市2009年规定下列高层结构需要进行抗震安全性评价：（1）高度在300米（含300米）以上的所有超限高层建筑。（2）高度在160米以上有重大价值和有重大影响的超限高层建筑。湖南省规定的建筑高度远小于上海市。2）安评的放大系数与《建筑抗震设计规范》的放大系数不一致，因此不能直接用于设计。（六）剪重比是当前超限高层结构设计中最突出的问题1、规范对剪重比最小限值的要求《高规》规定：小震下结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力与该层的重力荷载代表值之比（简称为剪重比）不应小于下表所列的值。注：1基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，应允许线性插入取值；27、8度时括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和