超高层结构优化经验学习报告

1、超高层结构优化经验,学习总结,程,健,一,超高层定义,二、超高层难题,三、超高层结构特点,四、超高层结构体系及适用性,五、影响结构成本的主要因素,六、超高层优化经验提炼,一、超高层的定义,1,建筑：民用建筑设计通则规定，建筑高度超过,100m,时,不论住宅及公共建筑均为超高层建筑,2,结构,超过高层建筑混凝土结构技术规程高度限值规定的高层称之为“超高层,结构类型,6,度,7,度,含,15g,8,度,0.20g,8,度,0.30g,9,度,混凝土结构,框架,60,50,40,35,24,框架,抗震墙,130,120,100,80,50,抗震墙,140,120,100,80,60,部分框支抗震墙,

2、120,100,80,50,不应采用,框架,核心筒,150,130,100,90,70,筒中筒,180,150,120,100,80,板柱,抗震墙,80,70,55,40,不应采用,较多短肢墙,100,60,60,不应采用,错层的抗震墙和框架,抗震墙,80,60,60,不应采用,混合结构,钢外框,钢筋混凝土筒,200,160,120,120,70,型钢混凝土外框,钢筋混凝土筒,220,190,150,150,70,钢结构,框架,110,110,90,70,50,框架,支撑,抗震墙板,220,220,200,180,140,各类筒体和巨型结构,300,300,260,240,180,2013,年

3、世界高层建筑排名,哈利法塔（原名迪拜塔,使用时间,2010,年,1,月,4,日,建筑高度,828,米,建筑用途,综合,建筑层数,162,层,设计,SOM,结构体系：带扶臂的核心筒,结构，下部混凝土，上部钢,结构,上海环球金融中心,建筑位置,上海市浦东陆家嘴金融贸易区,Z4-1,号,竣工日期,2008,年,8,月,29,日,用地面积,30,000,占地面积,14,400,建筑层数,地上,101,层、地下,3,层,建筑高度,492,米,结构体系：巨型结构，巨型柱、桁架、斜撑组成外部结,构，内部为钢骨钢筋混凝土核心筒，以及连接内部和外,部结构的伸臂桁架,上海中心大厦,建设地点：陆家嘴金融中心区,Z3

4、-2,地块,占地面积,2.03,万平方米,建筑高度,632,米,建筑层数,127,层,天津,117,大厦,位置：天津,高度,597m,楼层,117,层,面积,37,万平方米,钢板剪力墙,广州西塔,位置：广州,高度,440m,楼层,103,层,面积,44.8,万平方米,用途：酒店、办公室,结构体系：巨型钢管混凝土柱,斜交网格外筒,钢筋混凝土,内筒的筒中筒体系,最底层钢管直径,1800mm,香港国际商贸中心,位置,中国香港,九龙,高度,484m,楼层,118,层,面积,282,万平方英尺,用途,办公室，宾馆,金茂大厦,建设地点,中国上海浦东新区世纪大道,88,号,竣工日期,1999,年,3,月,1

5、8,日,占地面积,2.3,公顷,建筑面积,29,万平方米,建筑层数,地上,88,层，地下,3,层,建筑高度,420.5,米,台北,101,竣工时间,2003,年,10,月,17,日,占地面积,30278,平方米,建筑面积,28.95,万平方米,建筑高度,508,米,建筑层数：地上,101,层，地下,3,层,建设用途：购物中心，办公，观景,二、超高层难题,1,消防,2,结构,3,垂直交通,4,施工,5,运营维护,年份,警戒限,2009,年,200,米,2011,年,300,米,2013,年,800,米,预测,长沙天空之城,838,米,220,层,三、超高层结构特点,1,影响结构布置和结构构件尺寸

6、的主要因素是水平力的作用,地震作用,和,风作用,三、超高层结构特点,A,地震作用主要是由结构自重产生的,惯性力,主要影响因素为：结构自重,结构刚度以及结构的阻尼比。在高烈度地震区（如北京、西安、昆明、海,口等,8,度区）以及类场地的,7,度区（上海、天津部分地区），地震作用起,主导。对结构的要求是在具备,一定,刚度的同时应尽量减小结构的自重,B,在沿海地区，深圳、厦门、三亚等地区，由于风荷载较大，对超高层起,主要作用的是风荷载。主要是,100,年一遇对结构变形的影响以及,10,年一遇,对结构舒适度的影响。对结构的要求是具有,足够,的结构刚度,四、超高层结构体系及适用性,一、抗侧力构件,1,框架

7、,2,剪力墙（含筒体,3,支撑,二、一般需要设置两道防线。常用的组合为,1+2,1+3,1+2+3,三种,三、材料,A,钢筋砼结构,B,钢结构,C,钢砼混合结构,四、上述,1+2,体系多采用,A,和,C,1+3,体系多采用,B,1+2+3,体系多采用,C,1,纯剪力墙结构,常州凯纳商务广场,7,度区,2,框架,支撑结构,人民日报大楼,3,框架,核心筒结构,诸暨富润屋,4,框筒,核心筒结构,纽约世贸中心,5,支撑框筒,核心筒结构,广州西塔,央视大楼,6,束筒结构,西尔斯大厦,7,巨型结构,上海环球金融中心,深圳平安中心,主要结构体系适应性,结构体系,特点,适用性,工程案例,钢筋砼框架,筒体结构,

8、1,刚度大,2,结构自重较大（大于,20KN,3,阻尼比大,0.05,4,造价相对低廉,在较低的超高层,200,米以下,和,8,度区以下应用较为普遍,即使超过,300,米的结构仍然有一,定优势,深圳的汉国大厦。高,311.9,米,75,层。结构造价约,2700,元,钢框架支撑体系,1,刚度较大,2,结构自重轻,1013KN,3,阻尼比小,0.02,4,造价相对较高,5,构件尺寸较小，节省较多建,筑空间,在,8,度及以上地区采用优势较为,明显,北京银泰用钢量,168Kg,天津津塔用钢量,191Kg,结构造价超过,3000,元,钢砼混合结构体系,主要是指梁为钢梁、柱为钢柱,钢管砼柱或型钢砼柱；核心

9、筒,为钢筋砼筒体,1,刚度大,2,自重适中,1718KN,3,阻尼比,0.0350.04,4,造价介于砼和钢结构之间,应用范围较广，国内高度前几位,的超高层建筑均采用此种体系,安徽国际金融中心,57,层,224,米，钢结构用量,76Kg,钢筋,用量,46Kg,砼用量为,0.46m,3,五、影响结构成本的主要因素,地下,1,基坑支护,2,桩基,3,底板,地上,1,结构体系,2,结构布置,3,结构构件：墙、柱、梁、板、支撑,1,基坑支护,桩锚体系,排桩、锚杆、冠梁、腰,梁等组成一个有机整体,抵抗水土压力,造价较高，安全性差,施工方便，适用性广,内支撑体系,内支撑体系由水平支撑,和竖向支承两部分组成

10、,水土压力可以通过内支,撑有效传递和平衡,相对便宜，安全性好,支撑影响上部结构施工,如可采用逆作法，综合,效益会比较明显,15,米的深基坑造价在,2.2-2.6,万元,米,根据,50-60,层结构项目测算，按单栋,10,万平米计算，基坑支护的造价约为,80-120,元,2,桩基,天然基础,情况很少,预制桩,钢管桩、预应力管桩,灌注桩,人工挖孔、机械成孔,根据经验统计，灌注桩的造价在,100-150,元,之间,3,底板,筏板的厚度不同的方案相差较大,基础选型的成本控制关键点是筏板,桩基是相对次要的,上海中心,6m,平安金融中心,4.5m,金茂大厦,4m,4,结构体系,结构体系的选择，不仅要满足建

11、筑使用功能要,求，节约投资，更主要的是取决于建筑的高度和体,型，要选择与其高度、体型和外力等级相匹配的抗,侧力体系，具有合适的刚度和变形能力,5,结构布置,1,在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建,筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的,建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程,度均控制在合理范围内,2,在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置,建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技,术经济性比较，选出最优方案,6,结构构件,1,在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致,的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降,低用钢量,2,在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢

12、筋,彻底降低含钢量,六、超高层优化经验提炼,1,合理的高宽比,内筒高宽比,10-12,外柱高宽比,8,以内,京基,100,高,441.8,米，高宽比,9.5:1,即使超大柱,2.7mX3.9m,超厚墙已超过,1.9m,厚,风荷载下的弹性层位移角是,1/470,仍未达到,1/500,之要求,成为唯一,1,个,100,层的未达到位移要求的超高层,2,尽量把抗侧力构件布置在外围,3,控制层高,层高每下降,10,厘米,工程造价降低,1,左右,墙体材料降低,10,左右,4,采用轻质墙体材料,隔墙费用占房屋造价的,12,左右，研究表明,上海某,28,层住宅采用轻质石膏板内隔墙体系,主要,的土建结构造价比传

13、统砖石混凝土体系的土建结,构造价降低,10,建筑工程的总造价降低,4.27,5,计算参数,5.1,结构抗震等级,控制结构高度界限,比如,80m,100m,130m,150m,5.2,计算振型数应合理,一般来讲当有效质量系数大于,0.9,时，基底剪力,误差小于,5,所以满足规范要求即可没有必要过多,增加振型数,5,计算参数,5.3,周期折减系数,周期折减系数的取值直接影响到竖向构件的配,筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收,的地震力也增大，最后柱配筋随之增大,5.4,双向地震扭转效应,考虑双向地震作用后结构配筋一般增加,5%-8,单构件最大可能增加,1,倍左右，可见双向地震作用对,结构用

14、钢量影响较大。控制高层结构位移比不超标,是是否考虑双向地震作用的关键，也是控制钢筋用,量的关键环节,5,计算参数,5.5,斜交抗侧力构件方向的附加地震作用,当相交角度大于,15,度时应分别计算各抗侧力构,件方向的水平地震作用。考虑多方向地震对构件配,筋有明显的影响，配筋平均增加,5,左右,5.6,考虑活荷载折减,竖向构件和基础考虑活荷载折减，可降低用钢量,6,优化整体指标,检查总信息、位移、周期、地震力与振型输出,文件，查看各指标是否控制在合理范围内：如轴压,比、刚度比、位移比、周期、刚重比、层间受剪承,载力比、有效质量比、超筋信息等，如不合理，应,继续优化,7,单个构件理想状态,7.1,墙柱

15、的轴力设计值绝大部分为压力,7.2,墙柱大部分构件为构造配筋,7.3,底层墙柱轴压比大部分比规范限值小,0.15,以内,7.4,梁经济配筋率,底部跨中,0.7%-1.0,支座上部,1.2%-1.6,7.5,板的经济配筋率,0.2%-0.4,7.6,柱的经济配筋率,0.6%-1.8,柱的实际配筋率，按抗震概念设计不应过小,8,宜采用塑性理论计算板的配筋,按混凝土结构设计规范,5.3.1,与,5.3.2,条规,定,板可以使用塑性理论来计算,同时应满足正常使,用极限状态的要求或采取有效措施。用,PKPM,软件对,板配筋结果对比显示,双向板用塑性理论计算得到的,结果比用弹性理论计算得到的结果少,30,

16、左右,9.,低、高区,伸臂和环带谁优先,9.,低、高区,伸臂和环带谁优先,A,8,度区，框架核心筒,250m,以上须做伸臂,225-238m,插,值后，可不做伸臂,B,位移角不足时，腰桁架优先，最后才设计伸臂,C,伸臂一般设计在黄金分割点也即,0.618,倍高度处对位移,刚度的贡献才最有效,10,解决中震下，墙肢拉应力不满足或大于,2f,tk,的,四种经验措施,目的：这个指标主要是为了控制剪力墙不宜产生较,大的拉应力，否则容易出现裂缝，产生较大的损,伤。若核心筒墙厚“先天不足”，通过无限制的,通过增加型钢、钢筋，甚至“钢板剪力墙”等手,法，使得混凝土与钢材或钢筋无法共同工作，导,致脆性破坏,方法,降伸臂，增小墙，做减法，换概念,降伸臂,位移富裕较多时，伸臂也可下移至低区，可能能解决中震下,内筒四角,墙肢拉应力大于,2f,tk,的问题，也即对中震下的,墙肢拉应力不超过,2f,tk,很有帮助,加小墙,在底部加强部位的楼梯间等建筑不重要部位，沿着内筒周圈,加一些,200,厚的不必到底的小墙，帮着受拉，这些小墙可在,地下,1,2,层被梁转换掉，或者干脆不转换，直接落在板上,做减法,做减法,