高層混合結構設計與施工

1高層混合構造設計與施工2一、高層混合構造的定義高層混合構造是指由鋼框架或型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土筒體〔或剪力墻〕所組成的高層建筑構造。

3

4

56二、高層混合構造的特點抗側剛度比鋼構造大，變形比鋼構造小；用鋼量比鋼構造省，造價比鋼構造低；構造的耐久性和耐火性比鋼構造好；延性比混凝土構造好，自重比混凝土構造輕；施工速度比混凝土構造快；構造所占面積比混凝土構造少。上海靜安希爾頓酒店方案比較[3]：43層，143.6m高。鋼筋混凝土中心筒，外鋼框架構造。78

指標

項目高層混合結構鋼結構鋼筋混凝土結構

結構自重總重量/t每平方米結構重量/(t/m2)百分率(%)664341.28100546261.0582941111.801.42

施工工期上部結構工期/d比率32212420.754341.47建筑使用空間結構面積/m2結構面積/總面積量(%)17303.313202.547009.0用鋼量總用鋼量/(kg/m2)型鋼用量/(kg/m2)鋼筋用量/(kg/m2)133696416514124

－－－

施工技術節(jié)點焊接量(%)高強螺栓量(%)100100250200

－－上海靜安希爾頓酒店三種構造方案技術經(jīng)濟分析9三、高層混合構造的工程運用國外：研討任務始于上世紀60年代。工程運用始于上世紀70年代。代表性建筑有：●美國芝加哥GatewayⅢBuilding，36層，m。●法國巴黎MainMantparnasse大樓，64層。●英國倫敦TheNationalWestMinsterBankBuilding.●捷克Guezla大樓，36層。●日本神奈縣海老名塔樓，25層?！裥录悠翺verseasUnionBuilding，64層。

法國AnacondaTower，40層。10美國芝加哥擬建的米格林-拜特勒大廈，483m。1112國內(nèi)：研討任務開場于上世紀80年代。工程運用開場于上世紀90年代。代表性建筑有：●北京香格里拉飯店，82.75m●上海希爾頓酒店，143.6m●大連遠洋大廈，200.8m●深圳賽格廣場，291.6m●上海金茂大廈，418m●上海環(huán)球金融中心大廈，492m13上海環(huán)球金融中心上海金茂大廈上海金茂大廈平面圖和剖面圖1415塔頂高450m，天線頂高610m。新型高層混合構造：16地上103層，高432m，外筒為鋼網(wǎng)筒構造，內(nèi)筒為混凝土構造?？傆娩摿考s4萬噸。四、高層混合構造設計時需求

注重的問題1、抗震性能問題高層混合構造在意大利有勝利的閱歷，但是，在美國和日本的大地震中有損傷和破壞的紀錄，如：1994年3月27日，美國阿拉斯加大地震〔8.3-8.6級〕中，多棟6-14層房屋出現(xiàn)混凝土部分壓碎，個別柱箍筋拉斷，主筋和型鋼屈曲，型鋼外鼓等景象。1995年1月17日，日本阪神地震〔7.2級〕中，多棟6-11層的混合構造房屋的格構式型鋼混凝土柱的型鋼骨架發(fā)生變形和外鼓等景象。因此，他們以為高層混合構造房屋的高度不宜超越150m。17182、由于荷載和混凝土收縮徐變等因素影響產(chǎn)生的豎向變形差問題鋼柱鋼柱鋼筋混凝土筒鋼梁構造變形鋼柱鋼筋混凝土筒鋼梁構造因豎向變形產(chǎn)生的內(nèi)力19鋼框架與鋼筋混凝土中心筒的質(zhì)量、剛度差別很大，自振周期不同，協(xié)同任務是一個問題。3、鋼框架與中心筒的協(xié)同任務問題20五、高層混合構造的抗震性能我國的部分實驗研討：●龔炳年等：23層混合構造模型動力特性實驗?！窭顕鴱姷龋?5層滬東造船廠綜合技術中心大樓構造模型振動臺實驗?！駞挝髁值龋?0層上海世茂國際廣場大廈、31層北京LG大廈構造模型振動臺實驗?！裥炫喔５龋?0層型鋼框架-中心筒構造模型擬靜力實驗?！裎覀儯簩幽Ｐ偷椭芊磸秃奢d實驗和13層框支框架-中心筒模型擬動力實驗。211、高層混合構造層平面模型低

周反復荷載實驗墻為鋼筋混凝土墻；柱分鋼筋混凝土柱、型鋼柱和型鋼混凝土柱三種類型，每種類型2個試件,共6個試件。22層模型加載安裝23層模型實驗室加載情況24層模型不分縫剪力墻破壞情況25層模型分縫剪力墻破壞情況26不分縫墻鋼筋混凝土柱荷載-位移滯回曲線分縫墻鋼筋混凝土柱荷載-位移滯回曲線不分縫墻型鋼柱荷載-位移滯回曲線分縫墻型鋼柱荷載-位移滯回曲線27不分縫墻勁性混凝土柱荷載-位移滯回曲線分縫墻勁性混凝土柱荷載-位移滯回曲線28實驗結果闡明：〔1〕一切試件的延性都比較好，滯回曲線比較豐滿?？蚣苤鶠樾弯撝托弯摶炷林鶗r的延性比鋼筋混凝土柱時好?！?〕構造破壞時，墻、柱、梁的強度都能較充分的利用?！?〕剪力墻分縫對構造的延性有明顯的改善。292、外框支框筒-內(nèi)中心筒高層混合構造模型的擬動力實驗

305~13層層高300mm主體構造為13層組合筒中筒構造模型，模型的縮比為1/10〔平面尺寸1800×1800，高4750〕1~4層層高450mm現(xiàn)場模型照片31試件加載圖32模型裂痕圖33樓面裂痕圖34底層中心筒破壞情況第4層中心筒破壞情況外框筒第9層破壞情況外框筒轉換層破壞情況35第5、13層位移時程曲線實驗與計算對比第5、13層位移時程曲線實驗與計算對比36工況1234加速度峰值0.22g0.40g0.62g1.00g最大層間位移角試驗值1/4811/3281/1721/106最大層間位移角計算值

1/5111/3091/1941/101最大層間位移角計算誤差(%)-5.96.1-9.45.0最大頂點相對位移試驗值

1/8471/4621/2941/177最大頂點相對位移計算值

1/9201/4301/2611/156最大頂點相對位移計算誤差(%)-7.97.412.613.5層間位移角、頂點最大相對位移計算與實驗比較37實驗結果闡明：〔1〕中心筒是抵抗程度剪力的主要構件。〔2〕連梁出現(xiàn)交叉裂痕，破壞最明顯。〔3〕構造具有良好的抗震性能，7度罕遇地震時，外框筒根本處于彈性形狀，8、9度罕遇地震時，內(nèi)、外筒混凝土裂痕開展較嚴重?！?〕鋼管混凝土柱承載力高，抗裂性和延性都很好，直至構造破壞時不斷堅持完好。383、滬東造船廠綜合技術中心大樓結

構模型振動臺實驗共25層，振動臺臺面輸入三種地震波：上海市人工地震波；Elcentro波；SanFernando波。39隨著振型階數(shù)的添加，實測自振頻率加大，阻尼比減少。40實驗結果闡明：〔1〕小震階段模型的頂點位移為1/600-1/1000，大震階段為1/45，闡明模型有較好的延性。〔2〕構造破壞主要集中于混凝土中心筒，表現(xiàn)為底層核心筒混凝土受壓破壞、暗柱和角柱縱筋壓屈，而鋼框架處于彈性階段。構造整體破壞屬于彎曲型?！?〕鋼框架梁與混凝土中心筒銜接處受力復雜，預埋件與混凝土的粘結易遭破壞，中心筒角部節(jié)點區(qū)混凝土破壞嚴重?！?〕只需設計合理，根據(jù)現(xiàn)行<建筑抗震設計規(guī)范>設計的構造，能滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒〞的要求。高層混合構造好的抗震性能是建立在以下的根底之上：1、構造的平面布置應盡能夠規(guī)整；2、構造的整體性要好；3、型鋼混凝土構件采用實腹式型鋼配筋；4、節(jié)點區(qū)箍筋要加密，梁與柱、梁與墻的銜接要可靠。41意大利的閱歷是：●樓面梁多采用混凝土梁；●樓面梁與混凝土中心筒或剪力墻的銜接多采用剛性銜接；●在鋼框架上設置斜向支撐；●根底多采用樁根底。42434445日本不同年代型鋼混凝土梁柱配筋方式變化4647六、高層混合構造的豎向變形

差分析不利要素：●豎向荷載在各豎向構件中的緊縮量不等?！窕炷習l(fā)生收縮、徐變變形，鋼材不會?！駵囟?。有利要素：●樓面標高丈量控制。●樓面高差混凝土找平?！皲摻顚炷潦湛s、徐變變形會產(chǎn)生約束?！窕炷林行耐渤笆┕?。48〔一〕構造自重等豎向荷載作用下思索施工過程影響的豎向變形差分析49思索施工過程的特點：構造逐漸構成，荷載逐層施加，豎向變形差隨著樓面標高丈量控制和混凝土找平而減少，計算較復雜，因此可采用近似加載法計算。矩陣方程為：[K][Δ]=[P]式中，[K]堅持不變，[P]為上三角矩陣。50例題1：近似解與準確解結果相近，一次解與準確解結果相差較大。51豎向荷載下的變形：s1d1s4s3s2d4d3d2S1為第1層豎向構件的最小緊縮量，d1為第1層豎向構件的豎向變形差。由于標高丈量控制和樓面找平關系，假設各層層高、梁柱截面以及豎向荷載一樣，可近似取：S4=4S1d4=4d152〔二〕思索豎向荷載和混凝土收縮徐變產(chǎn)

生的豎向變形差適用分析方法●僅思索豎向構件在軸力作用下的變形?！裢搀w應力較小，混凝土徐變?yōu)榫€性徐變，迭加原理適用?！裼嬎阈熳兪湛s豎向位移時，不思索程度構件對相鄰豎向構件變形的約束。1、根本假定532、鋼筋混凝土軸壓構件分批加載時混凝土徐變收縮分析的簡化方法〔1〕徐變的計算定義：在荷載堅持不變的情況下，變形隨時間推移繼續(xù)增大的景象。特點：早期開展快，但可以延續(xù)數(shù)年?；炷恋男熳兣c混凝土的資料組成、應力大小、養(yǎng)護情況和加載齡期等許多要素有關，情況較復雜。54假定混凝土的應力較小，徐變是線性的，迭加原理適用。根據(jù)ACI規(guī)范可得混凝土的徐變應變公式如下：式中，△σi、γai、γh、γti、γλ分別為第i級荷載時的荷載增量以及加載齡期、構件厚度、持荷時間、環(huán)境相對濕度有關的徐變影響系數(shù)。當t→∞時，γti＝1。時辰t的徐變應變:最終徐變應變:5556〔2〕收縮的計算定義：混凝土在空氣中結硬時體積減小的景象。收縮率：3×10-4。收縮=凝縮+干縮。特點：早期快，可延續(xù)1～2年?；炷恋氖湛s與混凝土的組成及配合比，尤其是水灰比；養(yǎng)護條件；運用時的溫度與濕度有關。與荷載的大小無關。57式中，——繼續(xù)時間影響系數(shù)，〔潮濕養(yǎng)護〕，〔蒸汽養(yǎng)護〕，t是養(yǎng)護終了以后的天數(shù)?；炷潦湛s應變可按以下公式計算：58〔3〕混凝土豎向承重構件收縮、徐變變形的計算第i層豎向構件收縮、徐變由以下幾部分組成：分析闡明，高層混合構造豎向變形差的大小為0.5mm~1.0mm/m。其中：由于荷載引起的豎向變形差約占1/3；由于混凝土的收縮、徐變引起的豎向變形差約占2/3。有些要素和施工措施可以減小豎向變形差，如縱向受力鋼筋和中心筒超前施工等。5960〔三〕配筋率影響的計算混凝土截面最終收縮徐變應變：式中：61〔四〕混合構造中心筒超前施工的影響混凝土中心筒超前施工的目的是：使樓面施工到達這一層之前，中心筒由于荷載和混凝土的收縮、徐變產(chǎn)生的變形曾經(jīng)完成了一部分，當樓面施工到這一層時，豎向變形差比不超前施工的小。62上海地域部分混合構造中心筒超前施工情況

工程項目

核心筒超前施工層數(shù)核心筒占標準層面積（%）

金茂大廈1526

震旦大廈6-12

世茂國際廣場12-1524

上海銀行6-1021

商品交易大廈9

香港新世界10中心筒超前施工的層數(shù)應根據(jù)筒體的承載力、穩(wěn)定和變形計算確定。文獻[65]引見了閱歷確定法、簡單估算法和整體分析法，可供設計和施工參考。63例題2：上海環(huán)球金融中心中心筒超前施工分析[70]64混合構造層高3.6m，總高度216m(60層)。其他情況與例題1一樣。環(huán)境相對濕度40％，潮濕養(yǎng)護天數(shù)4d，施工速度4d/層，剪力墻豎向分布鋼筋的配筋率0.2％。例題3：算例平面圖65樓層不考慮鋼筋影響時徐變收縮豎向位移考慮鋼筋影響時豎向位移徐變/mm收縮/mm總豎向變形/mm豎向變形/mm減小量/%11.211.322.532.481.8255.985.4611.4311.221.871011.839.1520.9720.571.921517.4111.9429.3528.781.932022.6114.1836.8036.081.952529.5817.3846.9646.031.993035.9919.8955.8854.742.043541.6021.9863.5762.262.074046.3123.7870.0968.622.104554.4227.0481.4679.652.235061.4229.6091.0388.892.355566.5831.7598.3495.922.456069.7133.62103.34100.642.61〔1〕剪力墻B點的徐變和收縮豎向位移/mm混凝土豎向收縮、徐變變形量約為0.5mm/m。66〔2〕配筋率和中心筒超前施工的影響67例題4：南京紫峰大廈[29]墻和柱不思索施工調(diào)整時的豎向變形量約為0.65mm/m。6869〔四〕減少豎向變形差的措施資料方面盡量采用高強度的混凝土，且混凝土必需采取合理的養(yǎng)護方法。防止過大的水灰比。盡量添加骨料的含量，選用彈性模量較大的骨料。盡量運用快硬水泥，減少混凝土的徐變。運用減水劑以添加混凝土的強度，減小混凝土的徐變和收縮。70設計方面構造平面布置均勻?qū)ΨQ，豎向構件重力荷載下壓應力盡可能相等或接近，控制豎向構件的軸壓比。適當增大豎向構件的配筋率，且相鄰豎向構件的配筋率應盡量接近。在構件體積不變的前提下，適當添加構件截面的厚度。盡量采用剛性節(jié)點。外鋼框架柱盡量采用鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱。設置加強層、程度環(huán)帶、巨型斜向支撐等。71施工方面中心筒應超前外鋼框架施工。普通高層建筑超4～8層，超高層建筑可超8～15層。剛性節(jié)點先鉸接后剛接，保證施工期間構件豎向自在變形。加強標高丈量控制和樓面找平。調(diào)整鋼柱的下料長度。正在施工中的上海金茂大廈72七、框架與中心筒的協(xié)同任務鋼框架梁柱銜接節(jié)點、樓面梁與框架柱和混凝土墻的銜接方式：剛接：整體性好，框架與筒體協(xié)同任務好。鉸接：整體性差，施工方便。半剛性銜接：整體性較差，施工較方便。通常的做法是：框架梁柱銜接采用剛性節(jié)點，樓面梁與框架和混凝土墻銜接采用鉸接節(jié)點，從上到下設置幾道外伸桁架將框架與筒體拉接在一同。〔一〕加強節(jié)點銜接剛性737475767724層，層高3.6m，連梁與鋼框架和混凝土中心筒的銜接以及鋼框架中鋼梁與鋼柱的銜接按剛接、半剛性銜接和鉸接三種情況思索。Ⅱ類場地土，設防烈度為8度，根本地震加速度為0.15g。例題5：78幾種情況下的側移曲線比較：79〔二〕設置加強層80例題6[87]：81在高層混合構造中設置加強層不只是出于減少構造側向變形的需求思索，更重要的是出于保證中心筒與外部鋼框架協(xié)調(diào)任務的任務思索。8283八、工程設計與施工實例[實例1]上海環(huán)球金融中心[70]：地上95層，地下4層，高492m。建筑面積33萬m2，總用鋼量2.6萬噸。鋼筋混凝土中心筒，外框架的角柱為型鋼混凝土柱，其他柱為鋼柱。建筑設計為美國KPF建筑師事務所，構造設計為美國LeslieE.RobertsonAssociates，華東建筑設計研討院為設計顧問單位，并完成施工圖設計。84帶狀桁架巨型斜撐巨型柱混凝土周邊墻三層樓高的外伸桁架中心筒巨型柱8586878889正在施工中的上海環(huán)球金融中心大廈90[實例2]湖南文化大廈

91原設計為31層，99.5，鋼筋混凝土構造，塔樓設16層中庭，1997年施工完地下室和5層裙房后因故停工營業(yè)。2000年保利南方房產(chǎn)接手，改為27層，99.98m高，但面積添加到6.74萬m2。經(jīng)檢測，已施工的框架柱混凝土強度比設計要求低。92設計時曾思索三種方案：按原設計施工：面積不能滿足要求，50%的框架柱要加固，大劇院要停業(yè)。加轉換層的鋼筋混凝土構造：面積可達要求，但50%的框架柱要加固，大劇院要停業(yè)。高層混合構造：面積可滿足要求，自重輕，工程量小，施工速度快。最后決議采用混合構造。9394

鋼筋用量

（t）

鋼材用量

（t）

混凝土量（m3）

結構造價

方案13084

—19000838元/m2

方案23292

—20800858元/m2

方案394029149200861元/m2表7.17工程造價比較Y方向前兩階振型95振型頻率周期/s振型參與

系數(shù)振型參與質(zhì)量（%）

1

20.2821.4373.5430.6961.510.77

64.8

18.9表7.18構造y向前二階模態(tài)96樓層多模態(tài)推覆時程分析均值

誤差（絕對值）樓層位移

（mm）層間位移（mm）樓層位移

（mm）層間位移（mm）樓層位移

（%）層間位移

(%）14812162024280.86.018.330.944.058.575.594.20.82.23.33.54.14.95.35.50.96.820.633.845.056.975.3100.10.92.43.43.24.25.45.75.511.411.511.48.62.22.90.25.911.29.71.78.13.78.55.80.4表7.227度多遇地震下樓層位移比較97樓層多模態(tài)推覆時程分析均值

誤差（絕對值）樓層位移

（mm）層間位移（mm）樓層位移