高層建筑結(jié)構(gòu)體系的確定

高層建筑結(jié)構(gòu)體系的確定與布置

廈門大學(xué)土木工程系

本節(jié)內(nèi)容高層建筑結(jié)構(gòu)性能需求評(píng)價(jià)高層建筑結(jié)構(gòu)性能控制和要求如何確定高層建筑結(jié)構(gòu)體系高層建筑高度社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)建筑高度的感受和接受程度在不斷提高。過去50多米高的建筑可能就感覺很高，而目前100多米的建筑隨處可見，都不會(huì)感覺高大。整個(gè)世界范圍的建筑平均高度都在迅速增高。

高層建筑高度計(jì)算高層建筑的高度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和動(dòng)力反應(yīng)有很大的影響，底部彎矩隨高度按倆次方增長，而變形按四次方關(guān)系增加?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3自室外地面至房屋主要屋面的高度?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99確定的建筑高度為室外地坪到建筑檐口高度?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂?shù)母叨?不包括局部突出屋頂部分)高層建筑高寬比高寬比是對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、傾覆、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。高寬比實(shí)際上反映了建筑物的“苗條”程度。隨著高寬比的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力也相對(duì)越強(qiáng)，傾覆力矩也越大。高層建筑高寬比計(jì)算最小投影法

加權(quán)平均寬度

面積法

剛度法高層建筑高度和高寬比限值高層建筑高度和高寬比限值高層建筑長寬比當(dāng)建筑物的高度一定時(shí)，隨著長寬比的加大，考慮偶然偏心作用對(duì)內(nèi)力的影響也在加劇；當(dāng)長寬比一定時(shí)，隨著建筑物高度的增加，考慮偶然偏心作用對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響在減少。高層建筑長寬比的計(jì)算長寬比越大建筑越窄，樓板變形會(huì)增大、結(jié)構(gòu)整體性連接降低、振動(dòng)不協(xié)調(diào)增加。高層建筑規(guī)則性平面布置平面宜簡單、規(guī)則、對(duì)稱、減少偏心；

平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過長.平面布置不規(guī)則平面布置不規(guī)則判斷平面布置不規(guī)則判斷高層建筑規(guī)則性--結(jié)構(gòu)豎向布置結(jié)構(gòu)豎向布置的原則是剛度均勻連續(xù)，避免剛度突變。在結(jié)構(gòu)豎向剛度有變化時(shí)要做到由上到下剛度逐漸變化，盡量避免在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位出現(xiàn)薄弱層。避免結(jié)構(gòu)頂部的局部突起引起“鞭梢效應(yīng)”。豎向不規(guī)則高層建筑5個(gè)性能需求指標(biāo)高層建筑5個(gè)指標(biāo)高低的判斷高層建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)符合的要求結(jié)構(gòu)性能影響因素高層建筑結(jié)構(gòu)體系確定方法計(jì)算確定結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)關(guān)鍵大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)踐都表明，項(xiàng)目策劃、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等前期策劃和設(shè)計(jì)階段影響整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目投資的可能性在80%以上。結(jié)構(gòu)成本占到建安成本的40%至60%。結(jié)構(gòu)成本還常常由于策劃及設(shè)計(jì)管理的好壞出現(xiàn)非常大的波動(dòng)。結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)成功實(shí)例馬那瓜美洲銀行

實(shí)例-馬那瓜美洲銀行

1972年12月23日尼加拉瓜首都馬那瓜發(fā)生罕遇的強(qiáng)烈地震，5000多人死亡，市區(qū)1萬多棟樓房靈為平地。而馬那瓜當(dāng)時(shí)最高的建筑，林同炎教授于1963年設(shè)計(jì)的18層、61m高的美洲銀行——一棟鋼筋混凝土塔樓，雖位于震中，在樓前的街道上出現(xiàn)了13mm寬的地裂縫，承受著比當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范(UBC，美國統(tǒng)一建筑規(guī)范)所要求的地面運(yùn)動(dòng)水平加速度0.06g大6倍的地震強(qiáng)度(0.35g，相當(dāng)于里氏6.3～6.5級(jí))而未倒塌，甚至未嚴(yán)重破壞。馬那瓜中央銀行大廈試問：那一幢破壞嚴(yán)重呢？馬那瓜美洲銀行大廈1）平面不規(guī)則4個(gè)樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻。4層以上的樓板僅為5cm厚，擱置在高45cm長14m小梁上。

2）豎向不規(guī)則塔樓上部（4層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（間距9.4m）。上下兩部分嚴(yán)重不均勻，不連續(xù)。主要破壞：第4層與第5層之間(豎向剛度和承載力突變),周圍柱子嚴(yán)重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿3層以上的所有樓板(有的寬達(dá)1cm),直至電梯井東側(cè)；塔樓西立面、其他立面窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其它非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均嚴(yán)重破壞或倒塌。震后計(jì)算分析結(jié)果:1.結(jié)構(gòu)存在十分嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)效應(yīng);2.塔樓3層以上北面和南面大多數(shù)柱子抗剪能力大大不足,率先破壞；3.水平地震作用下,柔而長的樓板產(chǎn)生可觀的豎向運(yùn)動(dòng)等。

馬那瓜中央銀行大廈

結(jié)構(gòu)是均勻?qū)ΨQ的，基本的抗側(cè)力體系包括4個(gè)L形的桶體，對(duì)稱地由連梁連接起來，這些連梁在地震時(shí)遭到剪切破壞，是整個(gè)結(jié)構(gòu)能觀察到的主要破壞。分析表明：1.對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置及相對(duì)剛強(qiáng)的聯(lián)肢墻，有效地限制了側(cè)向位移，并防止了明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；2.避免了長跨度樓板和砌體填充墻的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞；3.當(dāng)連梁剪切破壞后，結(jié)構(gòu)體系的位移雖有明顯增加，但由于抗震墻提供了較大的側(cè)向剛度，位移量得到控制。美洲銀行實(shí)例----馬那瓜美洲銀行馬那瓜美洲銀行大樓分析

美國ATC規(guī)程編制者RonaldSharpe所言：“到目前為止，抗震設(shè)計(jì)尚不能稱之為一門科學(xué)，而是一門藝術(shù)，很多問題的解決要靠工程判斷”。伯克利加州大學(xué)的教授V．Bertero在震后對(duì)這幢建筑作了動(dòng)力分析。當(dāng)核心筒連梁破壞后，四個(gè)L型角筒獨(dú)立作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期和頂部位移明顯加大，而基底剪力和傾覆力矩卻明顯減小。馬那瓜美洲銀行大樓分析

四個(gè)角筒共同作用四個(gè)角筒分別獨(dú)立作用自振周期(s)基底剪力(t)傾覆力矩(t·m)頂部位移(mm)1.32700930001203.3130037000240正確的判斷力對(duì)結(jié)構(gòu)起著重要作用現(xiàn)今的設(shè)計(jì)雖受規(guī)范條文的限制，但設(shè)計(jì)者必須通過思考和判斷去了解其內(nèi)容、吃透其中的實(shí)質(zhì)含義，而不是僅僅去滿足允許的最低限值。[英國]ChasE．Reynolds工程師所掌握的最佳計(jì)算方法，應(yīng)該是運(yùn)用最簡單、最直接的計(jì)算方法。切忌使用概念含糊不清的計(jì)算方法。[英國]A．L．L．Baker應(yīng)用現(xiàn)代高效能計(jì)算機(jī)，是能對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)做出可靠的分析，但更需要運(yùn)用正確的判斷力。尤其是當(dāng)我們把結(jié)構(gòu)開拓成綜合型、新材料和更大跨度的時(shí)候。[美國]林同炎變形縫的設(shè)置防震縫在地震作用下，特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的薄弱部位容易造成震害，可咀用防震縫將其劃分為若干獨(dú)立的抗震單元，使各個(gè)結(jié)構(gòu)單元成為規(guī)則結(jié)構(gòu)。伸縮縫為了避免收縮裂縫和溫度裂縫，房屋建筑可以設(shè)置伸縮縫。我國規(guī)范規(guī)定，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距分別為55m和45m，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距可根據(jù)具體情況介于45m和55m之間。沉降縫許多高層建筑由主體結(jié)構(gòu)和層數(shù)不多的裙房組成，裙房和主體結(jié)構(gòu)的高度及重量相差懸殊，可采用沉降縫將裙房和主體結(jié)構(gòu)從頂層到基礎(chǔ)全部斷開，使各部分自由沉降，避免由沉降差引起裂縫或破壞?？拐鹪O(shè)防的結(jié)構(gòu)，沉降縫的寬度應(yīng)符合防震縫最小寬度的要求?；A(chǔ)形式上海環(huán)球金融中心大廈

工程概況

上海環(huán)球金融中心大廈系一幢以辦公為主，集商貿(mào)、賓館、觀光、展覽及其它公共設(shè)施于一體的大型超高層建筑。主樓地下3層，地上101層，地面以上結(jié)構(gòu)高度492m。大樓建筑面積為252935m2，裙房為33370m2，地下室為63751m2，合計(jì)約35萬m2。此工程由日本森大廈株式會(huì)社一級(jí)建筑師事務(wù)所（MoriBuildingArchitects&Engineers）負(fù)責(zé)總設(shè)計(jì)和審查；由美國KPF（KohnPedersonFoxAssociates）建筑師事務(wù)所負(fù)責(zé)建筑設(shè)計(jì)；美國賴思里.羅伯遜聯(lián)合股份有限公司（LeslieE.RobertsonAssociates）負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002），其結(jié)構(gòu)高度492m超過了型鋼混凝土框架－鋼筋混凝土筒體最大高度190m的限值，同時(shí)高寬比8.49超過了設(shè)防烈度7度的上海地區(qū)高寬比限值為7的要求。上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)體系由巨型柱、巨型斜撐構(gòu)成的巨型框架-支撐結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱之間相互作用的伸臂鋼桁架組成。有7道加強(qiáng)層的框架-支撐巨型框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)核心筒在57層-60層及78層-79層樓層處進(jìn)行了二次轉(zhuǎn)換,內(nèi)部核芯筒由平面形狀不同的低筒、中筒和上部筒組成；伸臂桁架在核心筒內(nèi)不貫通；由于考慮到建筑立面效果和采光的要求，巨型斜撐采用的是單向斜撐。巨型斜撐巨型柱A帶狀桁架核芯筒伸臂桁架巨型柱B巨型柱A巨型柱B上海環(huán)球金融中心

結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷建筑平面為59.95m

59.95m的正方形形狀規(guī)則，無局部凸凹；建筑的立面形狀逐漸變化，無過大外挑和內(nèi)收。上海環(huán)球金融中心的平面布置和豎向體型無明顯的不規(guī)則性。核芯筒豎向布置不連續(xù)，不符合豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通的要求。帶狀桁架、伸臂桁架和核芯筒內(nèi)的轉(zhuǎn)換桁架等結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，使得結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度沿豎向分布不均勻。結(jié)構(gòu)高度、高寬比超限。上海環(huán)球金融中心的高度和高寬比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范限值；且結(jié)構(gòu)豎向變化較大；筒體多次轉(zhuǎn)換；多重結(jié)構(gòu)體系混用，是屬于特別復(fù)雜的超高層結(jié)構(gòu)體系。主樓規(guī)范限值檢查結(jié)果H(m)492190超限B(m)57.95––L(m)57.95––H/B8.217.0超限上海虹口中信城

地上47層.高度230米.總建筑面積14萬m2建筑結(jié)構(gòu)方案建筑：平面、立面規(guī)則；剛度、質(zhì)量分布均勻。高度230米：滿足300（抗震），160（190）（高層混規(guī)），180（高層混規(guī)）；高寬比5小于6.5（抗震），5（高層鋼規(guī)），7（高層混規(guī)）；長寬比1.04結(jié)構(gòu)體系：有四道加強(qiáng)層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)；構(gòu)件布置均勻?qū)ΨQ。平面布置調(diào)整前后調(diào)整結(jié)果和效果調(diào)整結(jié)果樓板由156mm改為120mm；鋼骨混凝土柱改為鋼管混凝土柱，柱距離從5000m多調(diào)整為10000m多；剪力墻有1000-800-700mm厚度變化改為