超高层建筑结构设计难题探析

超高层建筑结构设计难题探析

摘要：超高层建筑在结构设计中涉及到较多的难题,结合某工程的结构设计，对基础设计、风洞试验、上部结构设计及结构设计的重点等进行了探析。

关键词：基础设计 结构设计 风洞试验 1 工程概况

该工程由一幢50层的超高层塔楼和相邻的五层裙房组成,总建筑面积约12.8万m2, 塔楼大屋面标181.650m,总高度196m ,属b级高度高层建筑,建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50年。塔楼部分为钢筋混凝土框架- 核心筒结构体系;裙楼高26m,为钢筋混凝土框架- 剪力墙结构。 2 基础设计

根据地质勘察报告,综合考虑场地环境因素,桩基类型选用钻孔灌注桩。

塔楼基础底板厚度根据冲切计算厚度取为3.1m, 轴力最大的两根柱下底板局部加厚至3.6m。裙楼底板厚度1m ,局部加厚至1.7m。经分析,塔楼基础底板较大拉应力多分布于柱墙下周边的板底区域内,故板面和板底的跨中区域,在满足内力计算和构造要求的前提下,双向一般均只布设两层钢筋,而在柱墙芯筒下拉应力较大的板底区域及个别板面区域,根据计算另加一至三层钢筋,从而使基础底板的用钢量得到较大幅度的减小。

塔楼基础底板总混凝土方量约13000立方,由于底板平面呈三角

形,如设置施工后浇带,1～2条无法均匀分割底板,如设置条数过多,既会给施工带来困难,又会增大底板因混凝土分多次浇捣而产生质量问题的可能性。故对底板一次性连续浇捣,不设施工后浇带。为确保基础底板施工质量,采取了以下措施:(1)底板厚度范围内设置两层(沿厚度方向每米一层)<14@300双向抗裂钢筋,板面设置<8@150双向抗裂钢筋;(2)基础底板混凝土强度等级采用60天,后期强度以降低水化热;(3)浇捣采用“分段定点、一个坡度、薄层浇捣、循序推进、一次到顶”的方法;(4)保温养护方面在底板面以“一层薄膜+两层草包+一层薄膜”为一个单元保温层;(5)加强监控,在基础底板每250～300 平方米设置1个测温点,每个点位在底板不同深度埋设3～5个热敏测点,并与电脑连网,一旦底板内外温差超过25℃即报警,同时采取措施加强保温。 2 风洞试验

本工程塔楼平面呈削角三角形,且塔楼顶部沿三角形三条边设置有三片约二十米高的幕墙,角部透空。规范中缺乏此种体型的风载体形系数、风振系数等设计所需参数,为保证结构安全和满足居住舒适度要求,故对该工程进行风洞试验,试验结果用于整体结构和围护结构设计。 2．1 风洞试验情况

风洞测压试验模型为刚体模型,具有足够的强度和刚度,在试风速下不发生变形,不出现明显的振动现象,以保证压力测量的精度。考虑到实际建筑物的情况,模型的几何缩尺比为1/250,模型与实物

保持几何相似。试验时将模型放置在转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向。

在模型上总共布置了625个测压孔。在模型顶部两面受风处和悬挑雨篷部分,每个测点位置布置1对测点,每对测点包括内、外(上、下) 表面两个测压孔,以同时测量该点处内外表面压力,该测点最终压力为外、内(上、下) 表面压力之差。根据周围数公里范围内的建筑环境,确定本试验的大气边界层流场模拟为b类地貌风场。定义来流风沿轴线方向吹向北立面时风向角为0°,按顺时针方向增加。试验风向角间隔取为15°,即试验中共模拟了24个风向的作用。试验分3轮进行,即总共进行了72个工况的试验。 2．2 风洞试验结果

在空气动力学中,物体表面的压力通常用无量纲压力系数cpi表示为 (1)

其中cpi为测点i处的风压系数,pi为作用在测点i处的压力,po 和p∞分别是试验时参考高度处的总压和静压。

试验给出的风压系数均是以梯度风压为参考风压的风压系数。这样,将各点的风压系数统一与实际梯度风压相乘即为该点对应的实际风压。得出各测点的风压系数后, 通过转换即得到各测点的体型系数μsi,再通过对面积的加权平均得到各个面上分块在各风向角下的体型系数。

试验结果表明:在50年重现期下,用于幕墙结构设计的风压值最

不利正压为2180kpa,最不利负压为-3194kpa。风洞试验结果表明塔楼顶点总加速度的最大值出现在120度风向角下,总加速度的最大值为0.04m/s2(10年重现期) ,满足居住舒适度限值的要求。 3 上部结构设计 3．1 结构体系的确定

该工程塔楼部分平面,采用钢筋混凝土框架-核芯筒结构体系。因在塔楼底部几层及主入口处大堂位置需要较大的开敞空间,故上部结构标准层处部分相应位置的框架柱无法落地,在六层(设备层)设置箱型断面钢桁架进行转换,转换钢桁架跨度13.6m。上下弦杆外包混凝土,钢桁架杆件中心线高度为设备层层高(5.5m)。由于转换层在六层,故属高位转换。

裙楼部分有餐厅、会议大厅等多种建筑功能,四层还有游泳池,局部柱距较大且有楼板开洞及错层等情况,故结构体系采用钢筋混凝土框架- 剪力墙结构,与纯框架结构相比较,布置部分剪力墙,加强了结构抗侧刚度,满足了位移、位移比等指标要求。由于建筑功能的要求有些柱距达到1618m ,悬臂达7m ,故部分框架梁采用有粘结预应力钢筋混凝土梁。 3.2 结构计算分析

本工程采用satwe进行计算, 以etabs作验算。抗震设防类别为丙类;抗震设防烈度为六度;地震加速度0.05g;设计地震分组第一组;水平地震影响系数最大值0.04;场地土类别ⅲ类;无地震液化;场地特征周期0.45s。基本风压0.50kn/m2(100年重现期);地面粗

糙度b类。

结构第一、二周期均为平动为主,第三周期扭转为主。有效质量参与系数:x向94.68%; y向96.28 % ,均大于规范要求的90 %。剪重比:x 向0165%; y向0.60 %。

本工程楼层的最大弹性水平位移及层间位移与该楼层两端弹性水平位移及层间位移平均值比值经复核小于1.4 。 4 结构设计中的重点 4.1 高位转换

针对本工程高位转换采取的抗震加强措施有:(1)框支柱采用钢骨混凝土劲性柱以控制柱轴压比,增加转换桁架上下弦杆与柱连接节点的强度并提高框支柱的延性。同时加厚落地芯筒外周的剪力墙厚度以增加框支层的延性和传力途径的安全度。转换层上下层剪切刚度比均控制到小于1.3;(2)框支柱和剪力墙的底部加强部位抗震等级按特一级设计;(3)为保证转换桁架上下弦杆所在楼面水平力的可靠传递,在转换桁架的上下弦杆上表面与混凝土楼板结合处设置栓钉,两层楼板均加厚至200mm以加强结构的平面整体性;(4)对转换层以上跨高比小于2及内力较大的连梁,在梁内增设型钢以提高连梁的抗剪能力和耗能水平;(5)除对转换层、框支柱进行重点加强外,对转换层以上的相邻两层剪力墙亦进行重点加强:剪力墙端部暗柱的竖向钢筋和箍筋、以及剪力墙水平和竖向分布钢筋的构造要求均按相应的抗震等级提高一级。

本工程采用箱形截面钢桁架转换上部框架柱,所有连接方式均

为焊接,且节点区均为全熔透焊缝。为确保转换钢桁架的施工质量,尽可能减少节点区的焊缝数量,设计对桁架节点区的下料尺寸、焊接顺序均提出明确要求,并与钢结构制作安装单位协商落实。 4.2 结构加强层的设置

塔楼在风荷载作用下y向(较弱方向)顶点位移及层间位移均较大,且x向(较强方向)部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的位移比大于1.4,未能满足b级高度高层建筑位移比的控制要求。为减小顶点位移及层间位移,改善平面扭转,设计在六层、二十二层和三十六层三个设备层设置了结构加强层。

一般框架———核芯筒结构的超高层建筑当结构抗侧刚度较弱,侧向位移无法满足时,往往利用建筑设备层或避难层布置结构加强层,在这些楼层的核芯筒与外围框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件(梁或桁架)。在水平荷载作用时,刚性水平伸臂构件会使外框架柱产生轴向拉力和压力,形成一个力偶,以平衡一部分外荷载产生的倾覆力矩,从而减小核芯筒承受的力矩及底部核芯筒剪力墙的压力,同时也可有效减小侧向位移。

由于塔楼及核芯筒平面均呈三角形,芯筒内部剪力墙与外周边框架柱网完全错开,故水平伸臂构件布置困难:如以外周边框架柱网为轴线向内延伸布置,只能与芯筒周边墙体垂直相交,再向内则因芯筒内部布置有电梯井道、设备管弄等而无法延伸;如以芯筒内部剪力墙为轴线向外延伸,则无法与外周边框架柱网相交。有鉴于

此,最终设计采用了沿加强层外围框架设置刚度较大的周边带状钢桁架的方式,带状钢桁架上下弦杆中心线高度等于设备层层高。此种加强方式的优点在于:(1) 由于将楼层外围周边框架柱以钢桁架环向联结,相当于沿外围边柱从上到下均匀布置了三道深梁,这样可加强带状桁架平面内框架的整体抗弯能力,进一步提升周边框架柱的整体轴向抗压能力,使其能吸收更多的倾覆力矩。进而提高结构的整体抗侧刚度,改善结构的位移、强度、稳定和延性;(2)能有效减弱剪力滞后效应,使周边框架柱底轴力趋向均匀,受力更合理;(3)设置周边带状桁架的加强方式属于一种“有限刚度”的加强,其对结构刚度和内力突变的影响相对于布置水平伸臂构件要小得多。后种方式由于水平伸臂构件的刚度远大于外围框架柱,地震作用下易于在与水平伸臂构件相连接的外围框架柱柱端先出现塑性铰,形成薄弱层,使结构难以达成“强柱弱梁、强剪弱弯”的延性屈服机制。而周边带状桁架的加强方式属轴力杆系加强,不会在与带状桁架相连接的框架柱柱端出现塑性铰;(4)楼层外围周边布置带状钢桁架等结构加强构件,相对于布置水平伸臂构件对建筑使用功能的影响大大减小。表1是设置周边带状加强桁架前后的部分计算分析结果。

分析结果对比说明:设置周边带状加强桁架后,结构层间位移减小,最大位短,达到预期效果。

4．3 竖向刚度突变处的抗震加强措施

由于建筑从二十三层起直至楼顶将核芯筒内部分电梯井道取消,同时在芯筒外周边的剪力墙上增开大洞。其直接结果造成二十三层上下结构竖向刚度突变,核芯筒刚度削弱,且增大了楼层质心和刚心的偏心。针对以上情况,采取下列加强措施:(1)二十三层上下相邻两层核芯筒剪力墙水平和竖向分布钢筋的构造要求均按相应的抗震等级提高一级;(2)在核芯筒外周边每层剪力墙顶部设置拉通的边框梁以加强核芯筒的整体性并使核芯筒周边的连梁得到加强;(3)在核芯筒内楼板开洞区域设置三角形斜交密肋梁,以斜交密肋梁极大的平面内刚度来加强核芯筒内因楼板开圆洞而削弱的面内刚度,保证楼板内水平力的有效传递。

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