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《超高层结构优化经验》学习总结程健一、超高层定义二、超高层难题三、超高层结构特点四、超高层结构体系及适用性五、影响结构成本的主要因素六、超高层优化经验提炼一、超高层的定义1、建筑：《民用建筑设计通则》规定，建筑高度超过100m时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。2、结构:超过《高层建筑混凝土结构技术规程》高度限值规定的高层称之为“超高层”。结构类型6度7度(含.15g)8度(0.20g)8度(0.30g)9度混凝土结构框架6050403524框架-抗震墙1301201008050抗震墙1401201008060部分框支抗震墙1201008050不应采用框架-核心筒1501301009070筒中筒18015012010080板柱-抗震墙80705540不应采用较多短肢墙1006060不应采用错层的抗震墙和框架-抗震墙806060不应采用混合结构钢外框-钢筋混凝土筒20016012012070型钢混凝土外框-钢筋混凝土筒22019015015070钢结构框架110110907050框架-支撑(抗震墙板)220220200180140各类筒体和巨型结构3003002602401802013年世界高层建筑排名哈利法塔（原名迪拜塔）使用时间：2010年1月4日建筑高度：828米建筑用途：综合建筑层数：162层设计：SOM结构体系：带扶臂的核心筒结构，下部混凝土，上部钢结构上海环球金融中心建筑位置：上海市浦东陆家嘴金融贸易区Z4-1号竣工日期：2008年8月29日用地面积：30,000㎡占地面积：14,400㎡建筑层数：地上101层、地下3层建筑高度：492米结构体系：巨型结构，巨型柱、桁架、斜撑组成外部结构，内部为钢骨钢筋混凝土核心筒，以及连接内部和外部结构的伸臂桁架上海中心大厦建设地点：陆家嘴金融中心区Z3-2地块。占地面积；2.03万平方米。建筑高度：632米。建筑层数：127层。天津117大厦位置：天津高度：597m楼层：117层面积：37万平方米钢板剪力墙广州西塔位置：广州高度：440m楼层：103层面积：44.8万平方米用途：酒店、办公室结构体系：巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系最底层钢管直径1800mm香港国际商贸中心位置：中国香港九龙高度：484m楼层：118层面积：282万平方英尺用途：办公室，宾馆金茂大厦建设地点：中国上海浦东新区世纪大道88号竣工日期：1999年3月18日占地面积：2.3公顷建筑面积：29万平方米建筑层数：地上88层，地下3层建筑高度：420.5米台北101竣工时间：2003年10月17日占地面积：30278平方米建筑面积：28.95万平方米建筑高度：508米建筑层数：地上101层，地下3层建设用途：购物中心，办公，观景二、超高层难题1、消防2、结构3、垂直交通4、施工5、运营维护年份警戒限2009年200米2011年300米2013年800米预测……长沙天空之城838米,220层三、超高层结构特点1、影响结构布置和结构构件尺寸的主要因素是水平力的作用——地震作用和风作用。三、超高层结构特点A、地震作用主要是由结构自重产生的惯性力。主要影响因素为：结构自重、结构刚度以及结构的阻尼比。在高烈度地震区（如北京、西安、昆明、海口等8度区）以及Ⅳ类场地的7度区（上海、天津部分地区），地震作用起主导。对结构的要求是在具备一定刚度的同时应尽量减小结构的自重。B、在沿海地区，深圳、厦门、三亚等地区，由于风荷载较大，对超高层起主要作用的是风荷载。主要是100年一遇对结构变形的影响以及10年一遇对结构舒适度的影响。对结构的要求是具有足够的结构刚度。四、超高层结构体系及适用性一、抗侧力构件：1、框架2、剪力墙（含筒体）3、支撑二、一般需要设置两道防线。常用的组合为：1+2、1+3、1+2+3三种。三、材料：A、钢筋砼结构B、钢结构C、钢—砼混合结构四、上述1+2体系多采用A和C；1+3体系多采用B；1+2+3体系多采用C。1、纯剪力墙结构常州凯纳商务广场7度区2、框架-支撑结构人民日报大楼3、框架-核心筒结构诸暨富润屋4、框筒-核心筒结构纽约世贸中心5、支撑框筒-核心筒结构广州西塔央视大楼6、束筒结构西尔斯大厦7、巨型结构上海环球金融中心深圳平安中心主要结构体系适应性结构体系特点适用性工程案例钢筋砼框架-筒体结构1、刚度大2、结构自重较大（大于20KN/㎡）3、阻尼比大（0.05）4、造价相对低廉在较低的超高层（200米以下）和8度区以下应用较为普遍。即使超过300米的结构仍然有一定优势。深圳的汉国大厦。高311.9米，75层。结构造价约2700元/㎡。钢框架—支撑体系1、刚度较大2、结构自重轻（10~13KN/㎡）；3、阻尼比小（0.02）；4、造价相对较高5、构件尺寸较小，节省较多建筑空间在8度及以上地区采用优势较为明显。北京银泰用钢量168Kg/㎡；天津津塔用钢量191Kg/㎡。结构造价超过3000元/㎡钢—砼混合结构体系主要是指梁为钢梁、柱为钢柱、钢管砼柱或型钢砼柱；核心筒为钢筋砼筒体。1、刚度大2、自重适中（17~18KN/㎡）3、阻尼比0.035~0.044、造价介于砼和钢结构之间应用范围较广，国内高度前几位的超高层建筑均采用此种体系。安徽国际金融中心，57层，224米，钢结构用量76Kg/㎡、钢筋用量46Kg/㎡；砼用量为0.46m3/㎡五、影响结构成本的主要因素地下1、基坑支护2、桩基3、底板地上1、结构体系2、结构布置3、结构构件：墙、柱、梁、板、支撑1、基坑支护桩锚体系排桩、锚杆、冠梁、腰梁等组成一个有机整体，抵抗水土压力造价较高，安全性差，施工方便，适用性广。内支撑体系内支撑体系由水平支撑和竖向支承两部分组成，水土压力可以通过内支撑有效传递和平衡。相对便宜，安全性好。支撑影响上部结构施工。如可采用逆作法，综合效益会比较明显。15米的深基坑造价在2.2-2.6万元/米。根据50-60层结构项目测算，按单栋10万平米计算，基坑支护的造价约为80-120元/㎡2、桩基天然基础情况很少预制桩钢管桩、预应力管桩灌注桩人工挖孔、机械成孔根据经验统计，灌注桩的造价在100-150元/㎡之间。3、底板筏板的厚度不同的方案相差较大，基础选型的成本控制关键点是筏板，桩基是相对次要的。上海中心6m平安金融中心4.5m金茂大厦4m4、结构体系结构体系的选择，不仅要满足建筑使用功能要求，节约投资，更主要的是取决于建筑的高度和体型，要选择与其高度、体型和外力等级相匹配的抗侧力体系，具有合适的刚度和变形能力。5、结构布置1、在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内；2、在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案；6、结构构件1、在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；2、在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。六、超高层优化经验提炼1.合理的高宽比内筒高宽比10-12，外柱高宽比8以内。京基100，高441.8米，高宽比9.5:1，即使超大柱2.7mX3.9m，超厚墙已超过1.9m厚，风荷载下的弹性层位移角是1/470，仍未达到1/500之要求，成为唯一1个100层的未达到位移要求的超高层。2.尽量把抗侧力构件布置在外围3.控制层高层高每下降10厘米，工程造价降低1%左右，墙体材料降低10%左右4.采用轻质墙体材料隔墙费用占房屋造价的12%左右，研究表明,上海某28层住宅采用轻质石膏板内隔墙体系,主要的土建结构造价比传统砖石混凝土体系的土建结构造价降低10%,建筑工程的总造价降低4.27%。5.计算参数5.1结构抗震等级控制结构高度界限，比如80m、100m、130m、150m。5.2计算振型数应合理一般来讲当有效质量系数大于0.9时，基底剪力误差小于5%，所以满足规范要求即可没有必要过多增加振型数。5.计算参数5.3周期折减系数周期折减系数的取值直接影响到竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收的地震力也增大，最后柱配筋随之增大。5.4双向地震扭转效应考虑双向地震作用后结构配筋一般增加5%-8%，单构件最大可能增加1倍左右，可见双向地震作用对结构用钢量影响较大。控制高层结构位移比不超标是是否考虑双向地震作用的关键，也是控制钢筋用量的关键环节。5.计算参数5.5斜交抗侧力构件方向的附加地震作用当相交角度大于15度时应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。考虑多方向地震对构件配筋有明显的影响，配筋平均增加5%左右。5.6考虑活荷载折减竖向构件和基础考虑活荷载折减，可降低用钢量。6.优化整体指标检查总信息、位移、周期、地震力与振型输出文件，查看各指标是否控制在合理范围内：如轴压比、刚度比、位移比、周期、刚重比、层间受剪承载力比、有效质量比、超筋信息等，如不合理，应继续优化。7.单个构件理想状态7.1墙柱的轴力设计值绝大部分为压力7.2墙柱大部分构件为构造配筋7.3底层墙柱轴压比大部分比规范限值小0.15以内7.4梁经济配筋率：底部跨中0.7%-1.0%，支座上部1.2%-1.6%7.5板的经济配筋率0.2%-0.4%7.6柱的经济配筋率0.6%-1.8%柱的实际配筋率，按抗震概念设计不应过小。8.宜采用塑性理论计算板的配筋按《混凝土结构设计规范》5.3.1与5.3.2条规定,板可以使用塑性理论来计算,同时应满足正常使用极限状态的要求或采取有效措施。用PKPM软件对板配筋结果对比显示,双向板用塑性理论计算得到的结果比用弹性理论计算得到的结果少30%左右。9.(低、高区)伸臂和环带谁优先9.(低、高区)伸臂和环带谁优先A、8度区，框架核心筒，250m以上须做伸臂，225-238m插值后，可不做伸臂。B、位移角不足时，腰桁架优先，最后才设计伸臂。C、伸臂一般设计在黄金分割点也即0.618倍高度处对位移、刚度的贡献才最有效10.解决中震下，墙肢拉应力不满足或大于(2ftk)的四种经验措施目的：这个指标主要是为了控制剪力墙不宜产生较大的拉应力，否则容易出现裂缝，产生较大的损伤。若核心筒墙厚“先天不足”，通过无限制的通过增加型钢、钢筋，甚至“钢板剪力墙”等手法，使得混凝土与钢材或钢筋无法共同工作，导致脆性破坏。方法：降伸臂，增小墙，做减法，换概念降伸臂：位移富裕较多时，伸臂也可下移至低区，可能能解决中震下，(内筒四角)墙肢拉应力大于(2ftk)的问题，也即对中震下的墙肢拉应力不超过(2ftk)，很有帮助。加小墙：在底部加强部位的楼梯间等建筑不重要部位，沿着内筒周圈加一些200厚的不必到底的小墙，帮着受拉，这些小墙可在地下1、2层被梁转换掉，或者干脆不转换，直接落在板上。做减法：做减法(效果一般优于做加法)，核心筒墙开洞，或者减薄换概念：把墙换成柱，不建议11.解决大震下，墙体受剪截面控制条件。V大震≤0.15fckbh0加法：利用核心筒中的“建筑小墙”做结构墙，帮着受剪减法：开洞弱化12.解决小震时，框架-核心结构，柱子的层剪力的分担率不足的经验措施。超高层结构的设计实践中，外围框架柱分担的楼层剪力一般小于10%。如增加柱子截面，往往效果不佳，且建筑师一般难以接受，一般采用对核心筒之剪力墙做减法，尤其适度减薄核心筒内部（非周边）的墙厚，其实现柱子层剪力10%分担率，效果更显著。