[建筑设计]超高层建筑结构设计与研究–结构设计专项课题(nxpowerlite)

[建筑设计]超高层建筑结构设计与研究–结构设计专项课题(nxpowerlite)内容摘要：

(a)典型层结构平面； (b)结构剖面 图 30 深圳市赛格广场大厦外观 26 (2)塔楼采用芯筒 框架结构体系，主要抗侧力构件是芯筒，考虑到芯筒的高宽比已达到 15，抵抗水平荷载倾覆弯矩的能力偏弱，分别于塔楼的第 20 层、 35层、 50 层、 65 层和 71 层，由芯筒纵、横墙向外伸出一层楼高的刚性伸臂桁架，形成刚臂，与外圈框架柱 连接；并于该楼层，沿外圈框架设置一圈一层楼高的周边桁架 (图 31a、图 32a)，形成刚性环梁，使外圈框架柱与芯筒形成整体抗弯构件，共同抵抗塔楼的倾覆力矩。 图 32b 为塔楼第 71 层的帽桁架设置情况。 (3)裙房及地下室也采用钢梁和钢管混凝土柱，柱网尺寸为 12m179。 12m 图 32a 赛格广场大厦的加劲层 27 天津国贸中心 ： 天津国贸中心是一座集会议、酒店、写字楼及高级公寓于一身的综合性大厦，建筑面积 23 万㎡ (其中地上 万㎡，地下 万㎡ )。 整个建筑由三个部分组成，主塔： 64 层， 副塔： 33 层， 128m 公共裙房： 10 层 效果图 立面图 标准层平面图一 ： (1)天津国际贸易中心大厦的主楼，地下 3 层，埋深 ；地上 64 层，高260m；底层层高为 7m，典型楼层的层高为。 28 (2)建筑平面为近似椭圆的长方形，典型层结构平面如图 33 所示。 采用钢框架 支撑芯筒 刚臂体系。 两对边 钢框架轴线间的距离为 179。 ，支撑芯筒两对边轴线间的距离为 179。 图 33 典型层结构平面 (3)支撑芯筒的高宽比达到 21，抗倾覆能力 显然不足。 利用楼房的设备层和避难层，于第 22 和 23 层设置一道两层楼高的刚性伸臂桁架和周边桁架，于第 3 53 层各设置一道一层楼高的刚性伸臂桁架和周边桁架，形成三个加劲层。 使外圈框架柱与支撑芯筒连成一个整体的抗倾覆构件。 结构剖面示于图 34。 (4)地面以上采用钢结构，地下三层采用型钢混凝土结构，全部钢柱均延伸至基础底板。 地上钢柱采用 H 型钢和矩形钢管，钢梁采用工字形截面。 地上钢柱采用 H 型钢和矩形钢管，钢梁采用工字形截面。 各层楼板均采用波高 51 ㎜压型钢板上浇 69 ㎜厚的组合楼板。 (5)基础采用钻孔灌注柱，直径 800 ㎜，有效桩长 47m，单柱承载力标准值为 4400kN；基础底板厚。 图 34 支撑芯筒 刚臂 体系结构剖面 29 天津地铁大厦工程 ： 本工程为天津地铁大厦暨地铁海光寺站。 总建筑面积 78910 平方米，占地面积 2810 平方米，工程由地下及地上两部分组成。 地下二、三层为汽车库，地下一层是为地铁一号线海光寺站 2 号、 3 号出口服务的集散厅及附属设备用房 ，地上为地铁集散厅出口、营业厅、餐饮、办公及会所。 ： 天津地铁大厦工程地下三层，地上 41 层 (不含夹层 )，自室外地面算起主体高度约为 165m，采用钢管 混凝土 柱 框架 —— 型钢 混凝土核心筒结构体系，建筑物宽 ，为加强整体刚度，每层均布置为井字梁结构，混凝土抗震墙端部暗柱均设置型钢，以提高墙体延性。 柱网沿建筑物的纵向基本采用 ，沿建筑物的横向基本采用 柱距。 核心筒墙体厚度沿建筑物高度逐渐减少：外筒 3~21 层 600 ㎜， 22 层 ~31层 500 ㎜， 31 层 ~顶层 400 ㎜；核心筒内剪力墙： 3~顶层 250 ㎜。 主体钢管混凝土柱：ф 1200179。 ，ф 1000179。 ，ф 650179。 地铁大厦剖面图 地铁大厦典型平面图 30。 根据《岩土工程勘察报告》的结论和建议，采用桩基。 主体部分桩尖选在地表以下的 57m 的粉土层上，桩长为 42m，直径为 800 ㎜，考虑到主体部分荷载大，故采用大直径钻孔灌注桩，其单桩承载力特征值约为 3200KN。 综合墙、柱冲切验算及减少主体和地下室裙房之间的沉降量及地下室整体刚度等因素，拟将主体部分底板厚度取为 2500㎜左右，裙房部分地下室底板厚度取为 1200 ㎜。 自室外地坪算起，地下室埋深为 物高度 1/13 左右，大于 1/18，满足规范要求。 地铁大厦立面图 31 天津市金皇大厦 ： 金皇大厦位于天津市河西区南京路东侧 (见图 )，总建筑面积 94800 ㎡，是一幢综合性的大型民用建筑。 主楼 47层，地下 3 层，裙房 5 层，建筑高度 188m。 ： 本工程结构体系采用全现浇钢筋混凝土筒中筒结构。 外筒总高 161m，为梁柱组成的框架筒体。 Y 方向柱距为 ，随弧而置， X 方向柱距为。 因下部 1~5 层为大堂入口、大型商场等大开间的需要，外框壁柱不能落地而采用了部分框剪力墙结构。 本工程利用 6层为结构刚度转换层。 转换层大梁截 面为 1200 ㎜179。 1600 ㎜，框支柱截面 为 1500 ㎜179。 1500 ㎜，板厚 200。 并在结构 短柱内设置核心柱，从而增加了延性，避免形成对抗震不利的典型框支柱。 内筒为电梯间、楼梯间等若干片钢筋混凝土剪力墙组成的实腹筒。 各层截面尺寸及混凝土强度等级，由下至上均匀递减，以调整结构竖向刚度。 内外筒 距10m左右，其高宽比 X 方向为 4， Y 方向为 5。 因本工程采用高强度混凝土，为解决施工浇灌高强度混凝土的困难，并保证质量，本工程充分利用了混凝土的后期强度指标，以达到设计强度要求。 经实践证明，此措施比较成功。 一年后通过检测， C55 混凝土后期强度已经超过 C60。 为提高本工程的整体抗震能力，在剪力墙上设置了素混凝土通缝。 为满足建筑使用功能的需要及施工单位的要求， 47 层主楼与 5 层裙房之间，没有设置沉降缝，采用调整基础底板厚度及地下连续深度等技术措施，经过沉降计算，有较的控制沉降差异，以满足结构及各方的要求。 金皇大厦外观 32 主楼 的结构设计除对竖向荷载、风、地震作用下一般分析外，还对地震的动态分析、环境、温度变化影响做了较详细的计算。 其结构第一自振周期约 ，最大的水平位移约 80 ㎜。 裙房柱网为 9m179。 9m，采用无梁楼盖结构形式板厚 300 ㎜。 5 层楼盖为 27m179。 27m空间网架结构。 地下 3 层按五级人防设计。 主楼与裙房均采用挡土围护墙及承重三位一体的地下连续墙结构设计。 主楼基坑净高 ，裙房基坑净高。 33 中国水利博物馆 ： 中国水利博物馆位于杭州市萧山区， 属 国家级博物馆，总建筑面积 36000㎡ ，主体高度 108m，塔尖高度 128m，局部一层地下室，地下室 底板 埋深 ，地上 11 层，其中 3~10 层各层 间含 回廊层 ， 基座 裙房 平面呈圆形 ，外形为 台阶状退台， 三 层以上为 主 塔，平面形状 呈 对称八角形， 仿照 古塔的风格，层层内收。 11 层 为 一个 25m 高的共享空间，中央 为 独立的琉璃小塔，形成 “ 塔中塔 ” 的建筑造型。 两部玻璃钢梯对称盘旋而上，独具匠心 (图 11，图 12)。 图 11 中国水利博物馆立面效果图 图 12 顶部共享空间 效果图 ： (1)建筑体形为 大底盘 单塔结构 ，属于竖向不规则结构。 (2)竖向由 不同 结构 体系组合而成：底部大底盘采用 型 钢混凝土核心筒 —钢筋混凝土框架结构体系，部分采用钢管混凝土柱 ，； 中部主塔为 型 钢混凝土核心筒 —钢框架结构体系；顶部空旷共享部分采用空间拱型网筒 —钢框柱组合结构，其中 “ 塔中塔 ” 造型为竖向悬臂筒 (图 21)。 (3)利用设备层 作为 加强层，实现了核心内筒向外筒的高位转换。 (4)主 塔层层内收，层间错柱 的 竖向传力采 用 了 ―斜柱节点 ‖。 34 ： (1)单塔大底盘结构和竖向刚度 突变的控制 针对可能形成相对薄弱层的三层及以上几层采取加强措施，将主塔落地的钢框柱改为钢管混凝土柱，并向上延伸 两 层。 采用钢管混凝土柱有效地提高了这些杆件的承载力和延性 ,也改善了与 裙房混凝土结构协同工作 的能力。 同时，对三层楼板、楼面梁予以加强，在塔体和基座之间形成一个过渡层，以减缓楼层刚度的变化幅度。 (2)空旷顶部结构的处理 11 层的共享空间高 25m， 构成“ 塔中塔 ” 造型的悬臂筒 由于与其他构件没有连接，因而整个 共享空间 仅由塔身外侧的 八 根 角柱 支撑， 而且， 本工程的 顶部结构 不仅 要有足够的抗推刚度以抵御水平荷载的作 用， 还 要有足够的强度和刚度以承受 来自螺旋 钢梯 和 休息平台 的 竖向荷载 ，而以 八 根 角柱组成框架结构， 显然不能满足要求。 在设计中采用了 空间拱型网筒 —钢框柱组合结构体系 (图 31)。 由 ANSYS 的内 力分析可以看出： 各条拱相交后形成的空间结构体系空间整体作用明显 ； 杆件内力分布 呈“ 杆 ”的受力 特征，各条拱实际起到支撑的作用 ， 其变形以剪切型变形为主 ； 组合结构分工明确，受力合理，八根组合角柱承担了顶部结构的竖向垂直荷载，而水平荷载基本上由空间拱形网筒承担。 图 21 ETABS 结构 模型简图 35 图 31 拱形网筒 钢框柱组合结构简图 图 32 飞檐的结构模型 (3)核心内筒向外筒的高位转换 与框筒、网筒约束扭转的控制 为实现十一层抗侧力体系由 核心内筒向外 网 筒的高位转换 ，在 第十层 (设备层 )设置了由 八榀核心筒外伸帽式桁架 与周边环形桁架 及刚性楼板组成 的刚性转换层。 核心筒的外伸刚臂使得核心筒﹑帽式桁架及周边立柱一起工作，增加了整个抗侧力体系的有效宽度 ,减少了核心筒的内力，提高了整体结构的抗震性能。 此刚性层连同网筒顶部的 刚性帽式桁架 以及 利用休息环廊 做 成环型水平隔板 ， 使拱型网筒的空间刚度 得以增强。 对网筒的扭转振动和侧移的 起到了 约束作用，明显改善了网筒的受力性能。 同时，将 塔体 “ 飞檐 ” 设计 成 钢管桁架 结构 (图 32)，相当于筒 体 的水平刚性加劲肋，作用效果相当明显。 根据 ETABS 的 计算 结果比较 ：整体结构的抗扭刚度 得到 加强， 高振型中的 扭振明显减少， 结构扭转效应 得到改善。 (4)竖向错柱结构 本 工程延承了中国传统楼阁式木塔的建筑风格，自四层起，上层外柱均向内缩约半个柱截面的高度，构成收分。 由于竖向错柱，使得结构的竖向传力路径不连续，而且，随柱子竖向 偏心 的逐层叠加， 使得底 层柱 存在较大的 偏心矩。 设计 时 利用了 “ 斗拱 ” 的建筑造型，在 “ 斗拱 ” 的高度范围内将上下错柱的节点设计成 “ 斜柱 ” 的节点形式 (图 33)。 上柱的轴力通过斜 柱 直接传递到下柱，解决了上下传力路径的不连续问题。 同时在节点下端沿径向设水平拉杆，利用径向拉杆和周边桁架梁共同抵抗水平推力，径向拉杆的拉力通过核心筒的钢骨柱传递 给 水平 钢 暗梁，水平 钢 暗梁沿核心筒形成环向自平衡体系 (图 34)，楼层处钢框梁承受来自节点的压力。 考虑到错柱节点在整个结构体系中的重要性，因而，在设计时对节点的承载力予以特别地提高。 36 图 33“ 斜柱节点 ” 大样 及 等效应力 SEQV 图 图 34 水平传力路线图 37 横滨陆地标志大楼 ： 所在地：神奈川县横滨市西区港未来 22 楼层总面积： 392284 ㎡ 层数：高层 地下 3 层，地下 70 层，塔楼 3 层 裙房：地下 4 层，地下 5 层一部分 7 层，塔楼 1 层 用途：办公楼，宾馆，商场，文化设施，停车场 高度： 296m 图 182 制振装置 图 183 骨架模型 ： 结构类别：基础 直接基础 框架 8 层以下 钢骨钢筋混凝土、一部分钢筋混凝土 9 层以上 钢结构 横滨陆地大楼是日本最高 (296m)的超高层建筑，也是具有办公楼178。 宾馆178。 商场和文化设施等复合用途的大型建筑物。 至今为止在日本建设的超高层大楼都以考虑地震作用为主，但在本建筑中，图 181 建筑外观 38 风荷载起着和地震作用相同或更大的作用。 为了确保能够抵抗风荷载引起的倾覆力矩，采用了竖向荷载在建筑物的边角部传递的框架结构。 对于承受高轴压力的边角部的柱材，使用了极厚的高强度 SM5。