超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本控制

超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本控制廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所魏捷2010年8月27日一、超高層的定義我國(guó)90年代初期超高層的定義是超過(guò)100米的建筑。90年代末期深圳出現(xiàn)了地王大廈324.8米、賽格廣場(chǎng)278.8米的超高層，上海也建成了金茂大廈420米。進(jìn)入21世紀(jì)的十年，高度被不斷刷新，已建成最高的建筑是上海環(huán)球金融中心，高度為492米。90年代超高層代表超過(guò)400米高層一覽從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，一般認(rèn)為超過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》高度限值規(guī)定的高層稱之為“超高層”。

二、超高層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、超高層的主要受力特點(diǎn)：影響結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的主要因素是水平力的作用——地震作用和風(fēng)作用。2、地震作用主要是由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的慣性力。主要影響因素為：結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)剛度以及結(jié)構(gòu)的阻尼比。在高烈度地震區(qū)（如北京、西安、昆明、?？诘?度區(qū)）以及Ⅳ類場(chǎng)地的7度區(qū)（上海、天津部分地區(qū)），地震作用起主導(dǎo)。對(duì)結(jié)構(gòu)的要求是在具備一定剛度的同時(shí)應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的自重。3、在沿海地區(qū)，深圳、廈門、三亞等地區(qū)，由于風(fēng)荷載較大，對(duì)超高層其主要作用的是風(fēng)荷載。主要是100年一遇對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響以及10年一遇對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)的要求是具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度。三、超高層的結(jié)構(gòu)體系超高層從抗側(cè)力的角度主要有：1、框架；2、剪力墻（含筒體）；3、支撐三類構(gòu)件。一般需要設(shè)置兩道防線。常用的組合為：1+2、1+3、1+2+3三種。按材料劃分主要有：a、鋼筋砼結(jié)構(gòu)；b、鋼結(jié)構(gòu)；c、鋼—砼混合結(jié)構(gòu)。上述1+2體系多采用a；1+3體系多采用b；1+2、1+2+3體系多采用c。1、鋼筋砼框架—筒體結(jié)構(gòu)（a，1+2）在較低的超高層（200米以下）中應(yīng)用較為普遍。它具有：1）剛度大；2）結(jié)構(gòu)自重較大（大于20KN/㎡)；3）阻尼比大（0.05）；4）造價(jià)相對(duì)低廉等特點(diǎn)。在8度以下地區(qū)采用優(yōu)勢(shì)較為明顯。目前，即使超過(guò)300米的結(jié)構(gòu)仍然有一定優(yōu)勢(shì)。例如：深圳的漢國(guó)大廈。高311.9米，75層。由于核心筒距離外框架柱跨度較?。?米），采用砼體系仍然較為經(jīng)濟(jì)。按施工圖統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)造價(jià)約2700元/㎡。深圳漢國(guó)大廈提高結(jié)構(gòu)的剛度是本工程的主要目標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)以控制風(fēng)荷載位移為目標(biāo)，同時(shí)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在不同目標(biāo)風(fēng)速下的加速度?；炷翗巧w和鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋的比較——材料用量材料類型構(gòu)件

組合樓蓋

混凝土樓蓋

混凝土/組合方案

混凝土(m3)墻2915829158

柱80028002

梁-8598

樓板(包含核心筒梁)

1982019820

總計(jì)5697965577115.1%平均(m3/m2)0.500.58115.1%用鋼量

(t)壓型鋼板(m2)81500-F15以下墻體內(nèi)埋666666

柱69796979

伸臂桁架39073907

梁7303-

總計(jì)188551155361.3%平均(kg/m2)16710261.3%2、鋼框架—支撐體系（b,1+3體系）。具有：1）剛度較大；2）結(jié)構(gòu)自重輕（10~13KN/㎡）；3）阻尼比?。?.02）；4）造價(jià)相對(duì)較高等特點(diǎn)。在8度及以上地區(qū)采用優(yōu)勢(shì)較為明顯。例如：天津津塔、北京銀泰中心等。由于構(gòu)件尺寸較小，節(jié)省較多建筑空間。北京銀泰高250米，標(biāo)準(zhǔn)層僅為40米X40米；在使用空間相同的情況下，比一般的砼結(jié)構(gòu)的45米X45米的平面節(jié)省面積26.5%。北京銀泰用鋼量168Kg/㎡；天津津塔用鋼量191Kg/㎡。結(jié)構(gòu)造價(jià)超過(guò)3000元/㎡北京銀泰津塔銀泰平面津塔平面3、鋼—砼混合結(jié)構(gòu)體系主要是指框架的梁、柱為鋼梁、鋼管砼柱或型鋼砼柱；核心筒為鋼筋砼筒體。應(yīng)用范圍較廣。具有：1）剛度大；2）自重適中（17~18KN/㎡）；3）阻尼比0.035~0.04；4）造價(jià)介于砼和鋼結(jié)構(gòu)之間。目前，國(guó)內(nèi)高度前幾位的超高層建筑均采用此種體系。我所設(shè)計(jì)的安徽國(guó)際金融中心（57層，224米）采用此體系，鋼結(jié)構(gòu)用量76Kg/㎡、鋼筋用量46Kg/㎡；砼用量為0.46m3/㎡。結(jié)構(gòu)造價(jià)較便宜。安徽國(guó)際金融中心四、超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的主要因素1、選擇恰當(dāng)?shù)目箓?cè)力體系1）保證足夠的抗側(cè)剛度；2）保證兩道抗震防線—筒體、框架；3）保證結(jié)構(gòu)的舒適度。結(jié)構(gòu)體系第一道防線核心筒第二道防線框架2、選擇恰當(dāng)?shù)臉巧w體系鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系宜選擇鋼筋砼主次梁樓蓋?？缍纫话阍?0米以內(nèi)較為經(jīng)濟(jì)。選擇寬扁梁，鋼筋用量一般增加20%左右。也有采用空心平板體系，跨度在9米以內(nèi)可考慮?；旌辖Y(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)一般選擇鋼梁—組合樓板體系。主要是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)施工速度快的特點(diǎn)。對(duì)于跨度大于12米的情況，經(jīng)濟(jì)性明顯。組合樓蓋主要有樓承板、鋼筋桁架板、鋼筋砼預(yù)制現(xiàn)澆疊合板等形式。幾種組合樓板型式3、選三擇恰三當(dāng)?shù)娜龢?gòu)件三組合三型式采用三鋼筋三砼柱三時(shí)，三一般三采用三鋼筋三砼梁三；采用三型鋼三砼柱三時(shí)，三可采三用鋼三梁和三鋼筋三砼梁三均可三。取三決于三樓蓋三體系三。采用三鋼管三砼柱三（圓三形、三方形三）時(shí)三，應(yīng)三盡量三考慮三采用三鋼梁三。采三用砼三梁時(shí)三應(yīng)注三意節(jié)三點(diǎn)的三處理三方式三：砼三環(huán)梁三節(jié)點(diǎn)三影響三建筑三立面三。目三前有三采用三鋼管三開孔三的節(jié)三點(diǎn)型三式，三雖有三試驗(yàn)三結(jié)論三，尚三未形三成規(guī)三范。節(jié)點(diǎn)三實(shí)例4、選三擇恰三當(dāng)?shù)娜A(chǔ)三型式基礎(chǔ)三型式三主要三取決三于地三質(zhì)條三件。三恰當(dāng)三的基三礎(chǔ)型三式造三價(jià)僅三占主三體造三價(jià)的10三%以內(nèi)三。選擇三合理三的持三力層三；如三：強(qiáng)三風(fēng)化三承載三力低三、埋三藏淺三；微三風(fēng)化三承載三力高三、埋三藏深三。應(yīng)三進(jìn)行三經(jīng)濟(jì)三分析三。選擇三最適三合場(chǎng)三地施三工、三質(zhì)量三易控三制的三樁型三。綜合三考慮三樁基三和承三臺(tái)的三成本三。主樓三范圍三外的三地下三室抗三浮方三案對(duì)三成本三影響三較大三。五、三影響三結(jié)構(gòu)三成本三的幾三個(gè)主三要因三素1、基三坑支三護(hù)。超高三層結(jié)三構(gòu)由三于埋三深的三要求三，地三下室三較深三。一三般至三少三三層，三深度三在15米以三上。三目前三深基三坑主三要分三樁錨三體系三和內(nèi)三支撐三體系三兩大三類。三其中三內(nèi)支三撐體三系中三包含三“逆三作法三”。樁錨三體系三造價(jià)三較高三，安三全性三差。三施工三方便三。內(nèi)支三撐體三系相三對(duì)便三宜，三安全三性好三。支三撐影三響上三部結(jié)三構(gòu)施三工。三如可三采用三逆作三法，三綜合三效益三會(huì)比三較明三顯。內(nèi)支三撐體三系15米的三深基三坑造三價(jià)在2.三2~三2.三6萬(wàn)元/延長(zhǎng)三米。三根據(jù)50三~6三0層結(jié)三構(gòu)項(xiàng)三目測(cè)三算，三按單三棟10萬(wàn)平三米計(jì)三算。三基坑三支護(hù)三的造三價(jià)約三為80三~1三20元/㎡。2、樁三基選三型除個(gè)三別可三以采三用天三然地三基的三情況三外，三絕大三多數(shù)三超高三層結(jié)三構(gòu)采三用樁三基。三樁基三分為三預(yù)制三樁和三灌注三樁兩三大類三。1）超三高層三建筑三可以三采用三預(yù)應(yīng)三力管三樁的三情況三較少三。主三要采三用鋼三管樁三，如三上海三金茂三采用Φ9三14的鋼三管樁三。承三載力三一般三，造三價(jià)較三高，三施工三速度三快。2）灌三注樁三。按三成孔三形式三分為三人工三挖孔三和機(jī)三械成三孔兩三類。三按受三力型三式分三為摩三擦樁三和摩三擦端三承樁三。軟土三地質(zhì)三條件三都是三摩擦三樁。三由于三其承三載力三較低三，一三般按三群樁三和厚三筏板三共同三工作三的方三式設(shè)三計(jì)。三其特三點(diǎn)是三承臺(tái)三較厚三。在三受力三上，三布樁三與板三厚的三關(guān)系三比較三密切三，需三要做三不同三的方三案進(jìn)三行經(jīng)三濟(jì)比三較。巖層三埋藏三較淺三的地三質(zhì)條三件，三應(yīng)首三選大三直徑三摩擦三端承三樁。三盡量三做到三一柱三一樁三，核三心筒三的樁三布置三在墻三下。三目的三是減三小承三臺(tái)厚三度。根據(jù)三經(jīng)驗(yàn)三統(tǒng)計(jì)三，灌三注樁三的造三價(jià)在10三0元/㎡三~1三50元/㎡之間三。而三筏板三的厚三度不三同的三方案三相差三較大三，因三此基三礎(chǔ)選三型的三成本三控制三關(guān)鍵三點(diǎn)是三筏板三，樁三基是三相對(duì)三次要三的。3、主三體結(jié)三構(gòu)1）剪三力墻超高三層的三剪力三墻一三般抗三震性三能目三標(biāo)都三是將三底部三加強(qiáng)三區(qū)設(shè)三定為三中震三彈性三。其三抗剪三承載三力是三小震三的2.三8倍左三右。三墻體三的配三筋率三一般三在0.三6%以上三，暗三柱一三般需三要設(shè)三置型三鋼。三底部三加強(qiáng)三區(qū)的三范圍三取結(jié)三構(gòu)總?cè)叨热?/三8取整三后再三加一三層的三高度三。設(shè)置三剛性三加強(qiáng)三層的三結(jié)構(gòu)三，其三加強(qiáng)三層以三及上三下層三也常三常需三要設(shè)三定為三中震三彈性三。配三筋同三底部三加強(qiáng)三區(qū)。剪力三墻的三造價(jià)三在主三體構(gòu)三件中三占35三%左右三。底部三加強(qiáng)三區(qū)剛性三加強(qiáng)三層非底三部加三強(qiáng)區(qū)剪力三墻部三位指三示非底三部加三強(qiáng)區(qū)三，一三般按三構(gòu)造三配筋三。分三布筋三為0.三3%。2）框三架柱型鋼三砼柱三：在三底部三加強(qiáng)三區(qū)按三中震三彈性三設(shè)計(jì)三。其三余部三位應(yīng)三按規(guī)三范4%的最三小配三鋼率三配置三型鋼三。鋼管三砼柱三：除三底部三加強(qiáng)三區(qū)外三，其三余部三位應(yīng)三按計(jì)三算值三控制三。在鋼三管或三型鋼三的設(shè)三計(jì)中三，應(yīng)三特別三注意三材質(zhì)三和鋼三板厚三度的三需選三擇。普通三的Q3三45三B、C鋼材三其強(qiáng)三度按三厚度三分組三，厚三度超三過(guò)35三mm時(shí)，三強(qiáng)度三僅為26三5M三Pa，因三此厚三鋼板三應(yīng)優(yōu)三先選三擇Q3三45三GJ的高三建鋼三，其三強(qiáng)度三不分三組。此外三，當(dāng)三鋼板三厚度三超過(guò)40三mm小于60三mm時(shí)，三必須三提供Z1三5的Z向性三能要三求；三大于60三mm時(shí)需三要Z2三5性能三。這三樣的三材料三價(jià)格三一般三比中三厚板三高15三%~三20三%，且三有一三定的三訂貨三期。三設(shè)計(jì)三中應(yīng)三盡量三避免三采用三。當(dāng)柱三斷面三較大三時(shí)，三應(yīng)注三意核三算每三層型三鋼或三鋼管三的重三量。三盡量三避免三單件三重量三過(guò)大三的情三況，三這往三往是三施工三選擇三塔吊三的決三定因三素。三超過(guò)36三B的塔三吊費(fèi)三用將三成幾三倍的三增加三。在三較長(zhǎng)三的工三期中三，成三本和三用電三量都三很明三顯增三大。柱的三鋼材三用鋼三量一三般占40三~4三5K三g/三㎡。3）樓三層梁選擇三鋼梁三體系三的樓三