100至200米超高层结构布置案例分析.docx

超高层建筑结构设计复盘：结构布置O概述近年新建的超高层建筑高度主要以200300m左右为主，本次共收集42个已建及在建超高层结构设计相关资料，共涉及19个城市，最低建筑高度179.2m,最高建筑高度348m,对200300m超高层建筑进行结构布置复盘。点冷州叫 地建广昆索沙门州施安寿兴域S寿城山京计 *长*«成西上细”三成0中北台建筑鬲度占比抗震分区占比 200m 2-250m 250-30Om 300m+6度区 7度N 7度半K ”8度区结构设计的目的就是花最少的钱，做最好的建筑，这就要求设计时对结构材料的充分利用，好钢用在刀刃上，在同等材料用量的前提下，充分利用结构受力原理，提高结构整体效率。混凝土基本理论的发展也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点：钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让它们自行地共同工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，使两种材料均产生非常好的性能。从上述结构构件的演化，推而广之，在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态,其材料的利用率才可以高，只有当构件处在合理的布置位置，其对整体结构刚度的贡献才可以提高，结构经济性也就越好。风荷载、地震作用是超高层建筑非常重要的外部输入荷载，通过合理的结构布置，提高整体结构抗风及抗震能力，对结构设计合理性、经济性都是及其重要的。1、抗风设计所有超高层建筑基本都受风荷载的影响，风荷载是结构设计的主要控制荷载，因此风荷载的大小对结构的经济性起着至关重要的作用。风荷载的大小主要与建筑的体形、结构的动力特性、大气风环境以及建筑物周边环境等因素有关。对于风荷载效应，最重要的考虑因素还是结构本身，优化超高层建筑的外形、立面开洞以及在场地上的朝向，都会极大地影响超高层建筑风荷载大小，并且在强度和正常使用抗风设计工况中显著减少材料用量。1.1 对称平面采用对称平面可减小风荷载作用下的结构扭转效应，常用的双轴对称建筑平面如下图所示：1.2 流线型平面高层建筑的楼层平面采用流线型形状，可显著减小高楼的风荷载效应，流线型平面的风荷载体型系数要比带棱角平面小得多。不同平面形状的顺风向体型系数如下图所示：1.3 横风减风措施高层建筑是否需要考虑横风向风振的影响比较复杂，一般要考虑建筑的高度、高宽比、结构自振频率及阻尼比等多种因素，一般而言，建筑高度超过15Om或高宽比大于5的高层建筑可能出现较为明显的横风向风振效应，并且效应随着建筑高度或建筑高宽比增加而增加。按响应方向分类顺风向振动沿来流风向的振动；主要由大气来流中的湍流脉动引起的。横风向振动与风向垂直的振动；主要由尾流漩涡的交替脱落引起。超高层建筑横风向荷载往往是主控风载，减小横风向荷载的一些常用措施如下:（a）角度柔化（b）竖向呈锥形（C）改变截面形状（d）立面旋转（e）立面开洞横向减风措施典型超高层建筑如下:(a)(b)(c)(d)1.4 平面朝向如果条件允许，可通过调整优化建筑物平面朝向，使大楼产生最不利气动响应的风向远离当地主要的强风方向，从而达到减小风荷载的效果。1.5 风洞试验建筑规范根据历史气象数据以及基于理论和试验的荷载公式确定风荷载，由于风荷载的复杂性，模拟边界层的风洞模型对于高层结构非常重要。近年来，计算流体动力学（CFD）建模技术广泛地应用于研究高层建筑的抗风性能，但风洞环境中的物理建模是确定一般风效应的最佳方法，通常可以得到最准确的结果，同时，风洞试验应该考虑现有和未来新建结构的影响。根据高层建筑混凝土结构技术规程，房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载：D平面形状或立面形状复杂；2）立面开洞或连体建筑；3）周边地形和环境较复杂；风洞试验主要研究内容建议如下：编号研究分项1400m以F可选项风气候分析2建筑体型优化（桌面研究）4测力试验（含风振分析）5测压试验（含风振分析）6建筑环境风研究7围护结构表面风压力研究8烟囱效应研究9400m以上附加项建筑体型优化（数值或风洞研究）IO气动弹性模型试验,11附加阻尼系统可行性评估*风洞试验结果，有条件时，建议考虑风向折减计算结果。2、抗震设计2.1超限定义1）高度超限房屋高度（m）超过下列规定的高层建筑工程，属于超限高层建筑:结构类型6度7度(含0i)8度(02()8度9度混凝土结构框架6050403524板架抗震墙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不应采用合构混结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110IlO907050框架-支撑（抗震墙板）220220200180140各类筒体和巨型结构3003002602401802） 一般不规则超限同时具有下列三项及以上不规则的高层建筑工程，不论高度是否超限，属于超限高层建筑。序号不规则类型简要涵义备注Ia扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于L2参见GB5OOU-3.4.2Ib偏心布置偏心率大于0.15或相邻层质心相差大于相应边长15%参见JGJ99-3222a凹凸不规则平面凹凸尺寸大于相应边长30%等参见GB5OOU-3.4.22b组合平面细腰形或角部蝇形参见JGJ343.33楼板不连续有效宽度小于50%,开洞面积大于30%,错层大于梁高参见GB5001134.24a刚度突变相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%参见GB50011-3.4.24b尺寸突变登向构件位置缩进大于25%,或外挑大于10%和4m,多塔参见JGJ3-4.4.55构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类参见GB500U-3.4.26承载力突变相邻层受剪承裁力变化大于80%参见GB500U-3.4.27其它不规则如局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换已计入卜6项者除外3）特别不规则超限具有下列某一项不规则的高层建筑工程，不论高度是否超限，属于超限高层建筑。序号不规则类型简要涵义1扭转偏大帝房以上的较多楼层，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于09混合结构扭转周期比大于6853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的50%4高位转换框支墙体的转换构件位置：7度超过S层，8度超过3层5厚板转换7-9度设防的厚板转换结构6塔楼偏置单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%7复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层连体两端塔楼高度、体型或者沿大底盘某个主轴方向的振动冏期显著不同的结构8多重更杂结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔等复杂类型的3种4）其他高层建筑一序号简称简要涵义1特殊类型高层建筑抗震规范、高层混凝土结构规程和高层钢结构规程暂未列入的其他高层建筑结构，特殊形式的大型公共建筑及超长悬挑结构，特大跨度的连体结构等2超限大跨空间结构屋盖的跨度大于120m或悬挑长度大干40m或单向长度大于300m,屋盖结构形式超出常用空间结构形式的大型列车客运候车室、一级汽车客运候车楼、一级港口客运站、大型航站楼、大型体育场馆、大型影剧院、大型商场、大型博物馆、大型展览馆、大型会展中心，以及特大型机库等建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。2.2 平面布置1)平面布置原则平面宜简单、规则、对称，减小偏心；应尽可能采用方形、圆形等双轴对称的简单平面形状；平面布置应减小扭转效应的影响。设防烈度L/BUBranUb6、7度60<0.352.08、9度5.00.301.52)结构平面抗侧效率当平面面积和柱面积之和一定时，各个平面形状抗剪刚度相同，但平面抗弯刚度不同；随多边形边数的增加，平面抗弯刚度不断变小，三角形抗弯刚度最大,圆形抗弯刚度最小。表2-3不同形状的平面抗的刚度平面形状等边三角形正方形正六边形IEA边形圆环限面抗弯刚度1.54EZE/O.75E/0.71EI0.63E/OS1.5410.750.710.63相同方形楼层平面，当各平面的柱总面积相同时.，柱的不同布置对平面抗弯刚度产生影响。当柱集中布置在4个角点时，平面抗弯刚度最大；而集中布置在平面各边中点时，平面抗弯刚度最小。(a) 4个角柱(48)(b)4个角柱+4个中柱 (4CC+4MC)(C) 4个角柱72个中柱 (4CC+12MC)(d)4个中柱 (4MC)表2-4不同布置的平面抗毒刚度立柱布置4CC4CC+4MC4CC+12MC4MC平面抗电刚度L日0.74El0.69日.0.SEJ1.000.740.690.52.3 立面布置1）立面布置原则竖向体型宜规则、均匀，结构刚度下大上小；立面形状宜采用矩形、梯形或三角形等沿高度均匀变化的简单几何图形;避免采用楼层平面尺寸存在剧烈变化的阶梯形立面。1）当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度Hl与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸Bl不宜小于下部楼层水平尺寸B的75%（图a>b）；2）当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，上部楼层水平尺寸Bl不宜大于下部楼层的水平尺寸B的1.1倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m（图c、d）o2）结构立面抗侧效率当结构高度和立面面积不变时，不同的立面形状对结构的抗侧刚度会产生较大的影响。立面形状应尽量采用“下大上小二表2-5不同形状的立面影响系数立面形状三角形梯形矩形倒梯形1.661.571.000.483、建筑高宽比建筑的高宽比是建筑的高度与最小结构宽度的比值，对于超高层建筑，充分利用建筑物的整个结构宽度是很重要的。典型超高层建筑，高宽比统计如下所示：超高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济性合理性的宏观控制。复盘超高层建筑高宽比平均值为5.7,超高层建筑高宽比在57之间，处于合理范围，高宽比一般不应超过8,当高宽比超过10以后，结构的经济性会存在较大问题。