超高层建筑结构设计

1超高层建筑结构设计陶礼斌南京金宸建筑设计有限公司2014年10月23目录一、我国超高层建筑发展概况二、超高层结构体系三、超高层结构抗震设计四、超高层结构抗风设计五、超高层建筑经济性分析六、二个超高层结构分析七、结束语4一、我国超高层建筑发展概况5随着技术进步、经济发展和人口密度的增加，超高层建筑不断突破新的高度,一些超高层建筑已成为城市的地标建筑。我国2012年已建成的250m以上的超高层建筑共94幢，250~300m的占59%，500m高的仅有一幢。2012年已建成的国内典型超高层建筑有上海环球金融中心（492m）和台北101大厦（509m）。2013年至2018年计划建成超高层项目达到164幢，300~400m以上超高层建筑占43%，500m以上超高层也相应增多，部分塔楼高度已突破600m，计划建成的国内典型超高层建筑有上海中心大厦（632m）、深圳平安金融中心（648m）。2012年之前的超高层建筑主要分布在经济发达的珠三角（39%）和长三角（34%）地区；2013~2018年计划建成的超高层建筑分布地区明显增加，环渤海地区成为新的超高层建筑集中地区，二线城市超高层建筑数量增加。67二、超高层结构体系8910（1）结构体系超高层建筑主要采用框架-核心筒、筒中筒、巨型框架-核心筒、巨型框筒-核心筒-巨型支撑4种结构体系。250~400m高度建筑多采用框架-核心筒及筒中筒结构，400m以上高度建筑常采用巨型框架-核心筒及巨型框筒-核心筒-巨型支撑结构。框架-核心筒、筒中筒结构类型占超高层建筑的主导地位。框架-核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的结构形式之一。核心筒的刚度和承载力较大，成为抗侧力的主体，框架承受的水平剪力较小。设置水平伸臂构件的加强层后，框架-核心筒结构的建造高度与筒中筒结构的建造高度接近。框筒作为外筒，将楼（电）梯间、管道竖井等服务设施集中在建筑平面的中心做成内筒，就成为筒中筒结构。筒中筒结构的平面外形宜选用圆形、正多边形、椭11圆形或矩形等，内筒宜居中。选用圆形和正多边形等平面，能减小外框筒的“剪力滞后”现象，使结构更好地发挥空间作用。筒中筒结构是双重抗侧力体系，在水平力作用下，内外筒协同工作，其侧移曲线呈弯剪型。外筒的平面尺寸大，有利于抵抗水平力产生的倾覆力矩和扭矩；内筒采用钢筋混凝土墙具有比较大的抵抗水平剪力的能力。巨型框架-核心筒、巨型框筒-核心筒-巨型支撑两种结构体系在第六章详细介绍。超高层结构体系选型需要综合考虑结构经济性、施工的可行性及周期、建筑功能与景观的影响，因此，结构体系选型需要在超高层项目方案阶段尽早介入。12（2）高宽比高层结构的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制，它主要影响结构设计的经济性。核心筒的宽度可为高度的1／12～1／15，如有另外的角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸可适当减小。高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，是决定结构刚度的重要指标。400m以上超高层的高宽比一般为7~9。高宽比9，超高层结构风荷载下加速度较大，舒适度要重点考虑。131415三、超高层结构抗震设计16（1）抗震设计450m以下的超高层建筑：当位于抗震设防烈度7度（0.1g）、基本风压0.6kN/m2时，结构弹性指标受风荷载控制；当位于抗震设防烈度8度（0.2g）、基本风压0.40kN/m2时，结构弹性指标受地震作用控制。结构高度达到450m时，不含伸臂桁架的弱框筒和筒中筒体系，结构刚重比成为主要控制参数，宜设置伸臂桁架以提高结构刚重比；结构高度超过450m时，弱框筒和筒中筒结构体系采用外框梁截面较高，用钢量较大，经济性较差；随着结构高度增加，巨型框架结构体系表现出良好的受力性能和经济性。从结构经济性角度出发，350m高度选择框筒-核心筒体系较优；450m高度选择巨型框架-核心筒体系较优。《高规》要求高度超过300m的结构，应有两个单位独立的结构弹塑性计算分析，进行校核。17（2）减轻塔楼重量随着塔楼高度的增加，塔楼墙、柱自重所占的比例增加，这一方面是由于塔楼抗侧刚度需要，另一方面是由于楼面恒载增加，导致承担的竖向荷载较大。楼面恒载所占的比例在20%~25之间,减轻楼面恒载可降低柱、墙承载的竖向荷载，减小塔楼的地震作用。减轻塔楼重量的方法：采用高强混凝土和高强钢材；采用混合结构体系；选择压型钢板组合楼盖体系；使用轻质隔墙。（3）长周期地震作用许多超高层建筑的自振周期都在5.5s以上。超高层建筑结构长周期响应对倾覆力矩起绝对的控制作用；高阶振型响应对基底剪力的影响较显著，不可忽略。上海中心第一周期为9s。18四、超高层结构抗风设计19风荷载是大部分超高层建筑的控制荷载,一般8度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。超高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状,对抗风有利的平面形状如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面,对抗风不利的平面如V形、Y形、H形、弧形等平面。由于风速较大，结构高柔，超高层建筑易受涡激振动影响产生横风向风荷载。当来流风速增加到一定临界值时，建筑周围产生漩涡脱落现象，从而造成涡激振动。横风向风振效应对超高层建筑是不可忽略，某些超高层建筑甚至起控制作用。当高宽比超过8时，横风向效应显著增强。通过气动优化，可以减小涡激振动在超高层建筑高度方向的一致性，从而减小了超高层的横风向风荷载。风荷载研究与优化的主要方法有现场监测；风洞试验；数值模拟。2021《高规》4.2.7条房屋高度大于200m、平面形状或立面形状复杂、立面开洞或连体建筑、周围地形和环境较复杂时，宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载。22超高层建筑在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不舒适，甚至不能忍受。《高规》3.7.6条房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求。风振加速度是超高层建筑舒适度控制的主要指标，气动优化是超高层建筑设计成败的关键之一。超高层建筑气动优化：1角沿处理（削弱涡的强度，提高涡的频率）；2立面收进（削弱涡的相关性，提高整体抗力）；3立面变化，a局部开洞（气流通过开洞，减小压差；破坏涡流整体性，减小局风压）,b截面旋转（削弱涡的相关性）。232425五、超高层建筑经济性分析26混合结构既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点,所以混合结构是我国超高层建筑结构材料应用的主流,混合结构占98.4%。建筑高度增加，工程造价随之增加；混合结构造价高于钢筋混凝土结构（每m2价格增加200到400元）；地震烈度增加，工程造价随之增加；高度250~300m的超高层建筑，土建工程造价约占建安造价的30%~35%；高度超过600m，土建工程造价将超过35%；地下部分与地上部分结构造价之比约4：6。上海中心大厦土建工程各部分造价对比图27图11上海中心大厦土建工程各部分造价对比28六、二个超高层结构分析293031上海中心建筑高度632m（结构高度580m），共124层。采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系。在8个机电层区布置6道两层高外伸臂桁架和8道箱形空间环形桁架，由箱形空间环形桁架和巨柱形成外围巨型框架。8根巨型柱、4根角柱均采用型钢混凝土柱。核心筒为钢筋混凝土结构，在地下室以及1~2区核心筒翼墙和腹墙中设置钢板，形成了钢板组合剪力墙结构。设置水平伸臂构件的楼层称为加强层。加强层一般结合建筑使用功能的要求，设于避难层或设备层。核心筒和框架柱之间设置水平伸臂构件，伸臂桁架将筒体剪力墙的弯曲变形转换成框架柱的轴向变形以减小水平荷载下结构的侧移。它使一侧框架柱受压、另一侧框架柱受拉，对核心筒形成反弯，减小了结构的侧移和伸臂构件所在楼层以下核心筒截面的弯矩。周边带状桁架可增大结构侧向刚度，增强加强层结构的整体性，减少周边柱子的竖向变形差异。3233上海中心有8个巨型柱。其竖向荷载分配：54%；底部剪力分配：57%；底部倾覆力矩分配：79%。巨型柱采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱：1）SRC型钢混凝土柱，包括上海中心、深圳平安、上海环球金融中心等；2）CFT钢管混凝土柱，包括天津117、台北101、深圳京基中心等。从吊装和安装角度，型钢混凝土柱较有优势。钢管混凝土可使柱混凝土处于有效侧向约束下，形成三向应力状态，延性和承载力提高较多。钢管混凝土柱如用高强混凝土浇筑，可以使柱截面减小至原截面面积的50％左右。钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的节点构造十分重要，也比较复杂。3435天津高银117大厦建筑高度597m，共117层，采用巨型框架-核心筒-巨型支撑结构体系。周边结构构成多道设防的结构体系，提供强大的侧向刚度。底部节间考虑建筑主入口要求为人字支撑，其余节间采用交叉支撑，以最大程度地发挥构件效率。由于建筑方面要求弱化交叉支撑的视觉效果，避免斜支撑及边梁柱相互交叉导致传力路径不清晰，设计中采取了将斜撑与周边框架在平面上错开的方案，两者相互独立。3637巨型框架-核心筒结构适用于超高层建筑,常用于建筑使用功能要求外框架大柱距且建筑高度较大；在风或小震作用下，核心筒翼缘墙受拉。其受力特点为：加强层伸臂桁架及其连结的巨柱、核心筒弯曲刚度很大，基本满足平截面假定，侧向荷载产生的转角引起巨柱的拉伸和压缩，由于巨柱间力臂较大，从而提供了巨大的抗倾覆力矩，大大减小核心筒承担的倾覆力矩。与此同时，由于巨型框架的侧向刚度大致与伸臂加强层间的间距的三次方成反比例关系，故其侧向刚度很小，核心筒几乎承担全部的水平剪力。此外，建筑物的全部重量集中于核心筒及少数几根巨柱，巨柱的竖向荷载较大，在大风及强震作用下一般不出现拉力，从而提高了结构的整体抗倾覆稳定性。383940深圳平安中心超高层建筑41巨型柱、空间带状桁架、伸臂桁架、巨型斜撑相交节点42七、结束语唐诗:欲穷千里目，更上一层楼。43参考文献1超高层建筑结构设计现状和一些问题的探讨:丁洁民2超高层建筑风荷载与抗风设计:金新阳44谢谢!