一般高層建筑舉例

高層建筑選型舉例上海電信大樓現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)54×34m的矩形平面30×l0m的中間矩形平面主樓結(jié)構(gòu)抗力體系主樓為現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。大跨度、大面積內(nèi)沒有柱子，而且做到建筑平、立面處理與結(jié)構(gòu)抗力體系相一致，外筒由密柱、窗裙暗梁等組成，內(nèi)筒由電梯井道等組合，筒中筒結(jié)構(gòu)體系的抗力特性，在于它的空間作用，為了保證水平力的傳遞，需使樓蓋的剛度在平面內(nèi)有滿足無窮大的假設(shè)，在樓蓋設(shè)計(jì)時(shí)采用了現(xiàn)澆梁疊合板，在內(nèi)外筒之間的四個(gè)角部為井字雙向樓蓋，樓蓋梁與內(nèi)外筒的連接為剛性節(jié)點(diǎn)。井字雙向樓蓋三種樓蓋方式筒中筒結(jié)構(gòu)體系的外框筒，在水平荷載作用下，其內(nèi)力的分布規(guī)律呈現(xiàn)出正應(yīng)力的衰減或遞增(剪力滯后)現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象隨著離地高度不同而變化，特別是正應(yīng)力的變化隨著高度的增加而趨于緩和，如電信大樓簡(jiǎn)中筒結(jié)構(gòu)按空間桿系力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果看出剪力滯后現(xiàn)象明顯的是在1—5層，此時(shí)角柱的正應(yīng)力比起其它柱的正應(yīng)力要大很多，為1.4—2．1倍，在5層以上角柱的正應(yīng)力比起其它校的正應(yīng)力就大得不多，甚至要比其近旁的翼緣柱要小一些。上海一高層住宅建筑物是由鋼筋混凝土核心筒體和框架—剪力墻組成的結(jié)構(gòu)體系由電梯間和樓梯間構(gòu)成核心筒體，筒壁厚度300mm，剪力墻設(shè)在端部，以增加建筑物整體剛度，結(jié)構(gòu)物自振周期、地震荷載、核心簡(jiǎn)、樓板、梁、柱及建筑物的側(cè)向位移等？墻金茂大廈結(jié)構(gòu)工程師環(huán)繞中心部分設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼筋混凝土的保護(hù)性結(jié)構(gòu)，往上則是高強(qiáng)度混凝土與結(jié)構(gòu)鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土內(nèi)筒通過外伸桁架與外檐處的8根超級(jí)巨柱結(jié)合在一起，共同承擔(dān)垂直與水平荷載。

從資料來看，這種組合結(jié)構(gòu)在美、英、法、日等國(guó)均被采用，其建筑物的層數(shù)均在30層到60層，高度在100m到200m之間。這種結(jié)構(gòu)體系可以分為：鋼筋混凝土核芯—鋼框架，鋼筋混凝土外框—鋼核芯，鋼筋混凝土框筒—鋼框架等幾種組合。

上海靜安希爾頓酒店(43層、高146m)就是采用鋼筋混凝土核芯簡(jiǎn)—鋼框架組合的結(jié)構(gòu)體系靜安希爾頓酒店在結(jié)構(gòu)的選型上考慮了三種不同的方案：第一種方案是采用鋼結(jié)構(gòu)方案．即采用鋼框架及鋼板剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。第二種方案是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案，即采用鋼筋混凝土框架及剪力墑作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。第三種方案是采用鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)方案，即最后采用的方案，此方案由鋼筋混凝土核芯簡(jiǎn)體與外圍鋼框架組成而以鋼筋混凝土核芯簡(jiǎn)體抵抗水平荷載，鋼框架則僅承受垂直荷載及由于核芯簡(jiǎn)體水平位移而引起的彎矩。三種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)方案重量輕、建造速度快、節(jié)省基礎(chǔ)費(fèi)用，但總造價(jià)大、進(jìn)口鋼材量大、施工技術(shù)要求高、防火處理復(fù)雜；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案造價(jià)低，但重量大、基礎(chǔ)難以處理、平面布置不靈活。鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)方案與鋼結(jié)構(gòu)方案相比具有節(jié)省大量大型鋼材、簡(jiǎn)化計(jì)算分析、節(jié)省節(jié)點(diǎn)用鋼和工作旦、減少防火處理、減少施工難度及降低造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)；鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)方案與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案相比具有減輕自重、節(jié)約基礎(chǔ)造價(jià)、平面布置靈活、加快建造速度及增加使用空間等優(yōu)點(diǎn)，因此最后選用了鋼—鋼筋混凝上組合結(jié)構(gòu)體系。由于主樓呈三角形，故抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系由三角形的現(xiàn)澆鋼筋混凝土核芯簡(jiǎn)體及兩側(cè)的“L”形勁性配筋混凝土剪力墻組成，圍繞核芯為外圍一圈的鋼框架。樓蓋體系由鋼筋混凝土樓板與鋼梁組合，鋼筋混凝土板與鋼梁之間通過剪力栓結(jié)合，現(xiàn)澆樓板采用壓型鋼板做板并加強(qiáng)與鋼梁的結(jié)合，但不考慮壓型鋼板的配筋受力作用以簡(jiǎn)化防火處理。部分剪切垂直荷載以中國(guó)規(guī)范及英國(guó)規(guī)范為主，采用兩個(gè)規(guī)范中的較大者。風(fēng)荷載基本上采用加拿大新的風(fēng)荷載規(guī)范，以上海的10分鐘平均風(fēng)速34．4m／秒按50年一遇來計(jì)算風(fēng)的壓力。地震荷載采用美國(guó)規(guī)范按K類地區(qū)來計(jì)算，并以中國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范來復(fù)核。鋼結(jié)構(gòu)部分及其他有關(guān)設(shè)計(jì)如中國(guó)沒有規(guī)范的均按英國(guó)規(guī)范計(jì)算。arup根據(jù)電算來控制厚度；1—15層墻厚500mm，16—26層墻厚400mm，27—43層墻厚300mm。鋼框架的構(gòu)件尺寸是根據(jù)鋼框架承受的荷載及由于鋼筋混凝土核芯簡(jiǎn)在水平力下位移引起鋼框架變形而產(chǎn)生的彎矩來分析的，鋼柱為箱型斷面，最大尺寸400x400×75mm，而從底層開始往上每隔幾層改變柱壁的厚度來減少用鋼量，鋼主梁尺寸530×210×13×15mm，次梁尺寸326×160×11×13mm，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，均為半剛接或鉸接。滯回曲線，耗能為了對(duì)這種組合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析對(duì)比．現(xiàn)以靜安希爾頓酒店相同的條件，設(shè)計(jì)了全鋼結(jié)構(gòu)體系，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系與組合結(jié)構(gòu)體系加以初步電算設(shè)計(jì)分析，并從三個(gè)方面對(duì)比如下1．結(jié)構(gòu)自重比較(1)全鋼結(jié)構(gòu)方案核芯簡(jiǎn)體采用小鋼栓與鋼板組成的鋼剪力墻十外圍鋼框架組成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，最大鋼柱尺寸550×550×50mm，鋼柱在43層中斷面變化6次；鋼主梁尺寸530×210×13×15mm，次梁尺寸326×160×11×13mm；樓板為壓型鋼板上澆厚150mm鋼筋混凝土板。

(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案主要結(jié)構(gòu)布置如下：主要柱子尺寸：1—15層1m×2．5m，16—26層lm×1.6m，27—43層1m×lm。

剪力墻厚：1一l5層750mm，16—26層600mm，27—43層500mm。

主梁尺寸：350×700mm，次梁尺寸：300×550mm，樓板尺寸：150mm厚鋼筋混凝上樓板。

(3)鋼—鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)方案主要結(jié)構(gòu)布置如下：最大鋼柱尺寸400×400x75mm，鋼柱在43層中僅箱形注壁厚變化6次外形一樣大小，梁與樓板的結(jié)構(gòu)與全鋼結(jié)構(gòu)方案相同。剪力墻厚：1—15層500mm，16—26層400mm，27—43層300mm。

三種方案的上部結(jié)構(gòu)自重比較(含活荷載)如下：組合結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要求較低，再?gòu)匿摻Y(jié)構(gòu)的加工制作、油漆、安裝都較貴，僅從用大建筑型鋼量少、節(jié)點(diǎn)處理簡(jiǎn)單，就可以明顯看到組合結(jié)構(gòu)的造價(jià)必然比鋼結(jié)構(gòu)低．加上組合結(jié)構(gòu)的防火處理工作量也比鋼結(jié)構(gòu)減少一半，也必然減少組合結(jié)構(gòu)的造價(jià)。

新錦江大酒店結(jié)構(gòu)布置新錦江大酒店主樓和裙房是兩個(gè)獨(dú)立的體系。主樓與裙房分別設(shè)置沉降縫。主樓的框架系統(tǒng)由32根700×700mm鋼柱組成：6層以上為500×500mm的鋼柱，結(jié)構(gòu)體系采用芯體與框架共同工作方法，中央芯體由18根500×500mm的鋼柱組成?？紤]到建筑物的整體剛度，為降低結(jié)構(gòu)自振周期和減少風(fēng)荷載引起的水平位移分別在第23層和頂層設(shè)置剛腰架以增加建筑物的整體剛度。以第23層為分界，該層以下芯體用鋼板連接支柱形成抗水平荷載系統(tǒng)，該層以上則以鋼支撐系統(tǒng)抗水平荷載．從40一43層除芯體部分鋼柱間的支撐系統(tǒng)外，在外圍框架部分也加設(shè)了鋼支撐以形成一個(gè)桁架受力系統(tǒng)鋼梁采用焊接“I”字梁，上下冀緣平面呈啞鈴式,座處大，跨中小，其鋼梁高度不變。鋼梁上下翼緣與鋼柱焊接承受節(jié)點(diǎn)彎矩，梁腹板與柱聯(lián)結(jié)用高強(qiáng)螺拴，在受力時(shí)承受剪力。剛性伸臂桁架結(jié)構(gòu)—它是一種增加抗彎剛度減少結(jié)構(gòu)變形的好方法，在超高層建筑中，結(jié)構(gòu)截面及剛度設(shè)計(jì)已不是由垂直荷重單獨(dú)控制，而是由水平荷載與垂直荷載的組合荷載所控制，為此需尋求一種既能節(jié)省鋼材，又能滿足剛度的結(jié)構(gòu)體系，剛腰架也就是在這樣的情況下產(chǎn)生的。剛腰架是在中部核心筒體(或剪力墻)的任一高度橫向水平，連接一個(gè)有彈性的剛度較大的桁架，似在中部伸出一個(gè)剛臂，使中部筒體與周邊的柱聯(lián)成整體。支撐筒體新錦江大酒店在初步設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)水平變形的要求，計(jì)算求得結(jié)構(gòu)橫向側(cè)移點(diǎn)剛度，定出鋼柱與鋼梁的斷面，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量偏大，但由于受到建筑乎面的限制，而無法采用一些更加適合高層建筑的結(jié)構(gòu)形式來降低用鋼量，因此利用設(shè)備層設(shè)置剛腰架來增加抵抗彎矩，以減少水平變形而收到了較好的效果。在方案比較中，如果不加剛腰架則頂點(diǎn)位移為332．69，位移就只有原來的90．8％，如在第7層再加一個(gè)剛腰架則頂點(diǎn)位移只有原來的86．9％，在作技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，由于建筑有變動(dòng)，在第7層無法設(shè)置剛腰架而改為在23層及頂部43層分別設(shè)置剛腰架。比較比較支撐——框筒重技派SOM建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所是美國(guó)最大的建筑師-工程師事務(wù)所之一。早期作品受L.密斯·范·德·羅的影響很大上小下大，斜撐外露,屋頂豎有高106米的兩層電視塔；每平方米耗鋼量為145千克，相當(dāng)于一般傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)40～50層塔式建筑的用鋼量。主體系InternationalstyleMordernstyle重技派建筑大開窗框筒束體系革新意義的"束筒結(jié)構(gòu)體系"的典型代表大廈結(jié)構(gòu)工程師是1929年出生于達(dá)卡的美籍建筑師F.卡恩。他為解決像西爾斯大廈這樣的高層建筑的關(guān)鍵性抗風(fēng)結(jié)構(gòu)問題，提出了束筒結(jié)構(gòu)體系的概念并付諸實(shí)踐。整幢大廈被當(dāng)作一個(gè)懸挑的束筒空間結(jié)構(gòu)，離地面越遠(yuǎn)剪力越小，大廈頂部由風(fēng)壓引起的振動(dòng)也明顯減輕。頂部設(shè)計(jì)風(fēng)壓為305千克力／米2，設(shè)計(jì)允許位移（振動(dòng)時(shí)允許產(chǎn)生的振幅）為建筑總高度的1/500，即900毫米，建成后最大風(fēng)速時(shí)實(shí)測(cè)位移為460毫米。"形式隨從功能"西爾斯塔所采用的框筒束，底部尺寸為68.6×68.6m，按井字形分隔成9個(gè)22．9米見方的子框筒，即框筒單元。到第51層時(shí)，減去對(duì)角線的兩個(gè)框簡(jiǎn)單元，到第66層時(shí)．再減去另一對(duì)角線上的兩個(gè)框筒單元，到第91層以上時(shí)，則僅保留兩個(gè)框筒單元西爾斯塔樓的結(jié)構(gòu)體形75英尺×75英尺的方筒周邊柱子按15英尺中距排列。為了減少剪切力，只在每一處向里收縮的下兩層處（設(shè)備層）設(shè)置斜角撐。隨著樓層往上，組成束筒的方筒逐一收束，造型別致建筑承受的風(fēng)力也相應(yīng)減小。大廈的造型有如9個(gè)高低不一的方形空心筒子集束在一起，挺拔利索,簡(jiǎn)潔穩(wěn)定。不同方向的立面,形態(tài)各不相同，突破了一般高層建筑呆板對(duì)稱的造型手法。這種束筒結(jié)構(gòu)體系是建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新相結(jié)合的成果。比較建筑的高寬比為6．6。由于采用筒束體系，框筒束在設(shè)計(jì)風(fēng)載下的計(jì)算層間側(cè)移僅為760mm。塔樓的基本周期為7．8s，比世界貿(mào)易中心大樓(高412m)的基本周期(10s)還短。西爾斯大廈用鋼材76000噸,每平方米用鋼量比采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的帝國(guó)大廈降低20％，僅相當(dāng)于采用5跨框架結(jié)構(gòu)的50％?？蚝?jiǎn)體系具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，442m高的建筑，單位建筑面積的結(jié)構(gòu)用鋼量?jī)H為160kg／m2。

框筒束的構(gòu)成為了抵抗“風(fēng)城’的大風(fēng)，保證房屋具有足夠的抗推剛度，控制房屋主體結(jié)構(gòu)的高寬比是必要的。然而，平面尺寸大了，外框筒的剪力滯后效應(yīng)增大，框筒整體作用減弱。一般而言，當(dāng)框筒結(jié)構(gòu)中垂直于風(fēng)力方向的翼緣框架的寬度大于45m時(shí)，筒體效果將顯著降低?？蛲彩母拍?，就是在房屋內(nèi)部，沿縱向和橫向各設(shè)置兩道密排柱框架，將一個(gè)大框筒分隔成9個(gè)相連的小框筒。計(jì)算結(jié)果表明，剪力滯后效應(yīng)降低到很小數(shù)值，提高了框筒的整體性。減少了框筒翼緣框架的無支承寬度，框筒的整體剛性得到了保證。西爾斯塔樓束筒結(jié)構(gòu)平面吊裝組合件“樹狀柱”工字柱腹板平行于框架需要指出的是，當(dāng)框架采用工字形截面時(shí)，因?yàn)楣ぷ中谓孛嬖趦蓚€(gè)主軸方向的慣性矩大小懸殊，從提高框筒的剛度和承哉力出發(fā)，需要將工字形情的腹板，在框架所在的平面內(nèi)。因?yàn)榫偷挚顾胶奢d而言，框架筒體的作用相當(dāng)于帶孔薄墻筒體，不論是腹板框架還是翼緣框架．主要受力面部是沿著框架所在的平面，平面外很少受力．柱在平面外的穩(wěn)定性也因各層樓板的橫向支承而不成問題，所以，當(dāng)框架柱不是采用方管截面，而是矩形管狀截面或者工字形截面時(shí)，就應(yīng)該將具有較大截面慣性矩的方向設(shè)置在框架平面內(nèi)。加強(qiáng)層為進(jìn)一步提高框簡(jiǎn)束的豎向剪切剛度，每隔若干樓層，利用大樓的設(shè)備層，沿各框架平面，設(shè)置帶狀的加勁衍架。因?yàn)槊辫旒鼙妊旒艿淖饔酶鼜?qiáng)，而設(shè)備層一般均能布置在每個(gè)框筒單元中止的頂層．在第66層和第90層布置的設(shè)備層。在這兩層設(shè)置的加勁桁架．對(duì)中止的框簡(jiǎn)單元來說，就是帽桁架，其效果將優(yōu)于設(shè)置在中間樓層的腰桁架。美國(guó)芝加哥的“宏偉里程“大廈，平面為狹長(zhǎng)的L形，而且左、中、右三部分的高度相差很大．分別為57層、49層和22層。最后決定采用框筒束體系，從而妥善地解決了建筑外觀、使用功能、結(jié)構(gòu)受力、控制造價(jià)等問題?？蛲彩晒Φ赜糜趶?fù)雜體形高層建筑的抗側(cè)力體系。復(fù)雜體形建筑的框筒束體系框筒束與豎向支撐并用體系聯(lián)合銀行塔樓，高296m，平面由兩個(gè)1／4圓形框筒反對(duì)稱組合而成．框簡(jiǎn)密排柱的間矩為4.6m。在每個(gè)1／4圓筒的中部，還布置一列豎向支撐，并每隔若干樓層設(shè)置伸臂桁架和外圍桁架，加強(qiáng)內(nèi)部豎向支撐與外圍框筒的剛性連接，以提高豎向支撐與外框筒的共同工作，減小框筒的剪力滯后效應(yīng)。巨型空間桁架風(fēng)格立體桁架firstcompositemegastructurespaceframehigh-risebuilding.

鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維連接處理辦法香港，為紐約風(fēng)兩倍，漢考，落物風(fēng)水中環(huán)視景風(fēng)力作用（漢考克，落下構(gòu)件）轉(zhuǎn)換層標(biāo)準(zhǔn)層原方案減小底部剪力，底部6層梁脫開（變形值小，可以放大）8,816sqm另一座高層Thecoreframeatthecentreofthebuilding.Thiscoremeasuresroughly25mx25m,and