超限高层结构设计中的一些问题-沈蒲生

1、超限高层结构设计中的一些问题沈蒲生2014.12.291主要介绍的内容： 我省超限高层建筑的概况 超限高层结构设计中的一些问题2 一、我省超限高层建筑的概况3高层建筑是一个国家和地区经济繁荣、科技进步的象征。改革开放以来，我省的高层建筑得到了飞速的发展。近年来，我省的高层建筑在高度、跨度和结构复杂程度等方面正在发生深刻的变化，超限高层结构越来越多。 4（一）什么结构属于超限高层结构（1）高度超过A级高度的高层建筑；（2）跨度大于120m，悬挑长度大于40m ， 单向长度大于300m的结构；（3）平面和立面具有三项或三项以上一般不规 则的结构；（4）具有一项特别不规则的结构；（5）特殊类型的高层

2、结构。5拟建中的长沙远大天空城市，原设计为220层，838m高，总建筑面积约100万m2 。结构形式：钢束筒结构。建设地点：长沙市望城区。1、长沙远大天空城市大厦（二）工程实例原设计方案6修改后的方案为202层，建筑高度838m，屋面高度727.2m 。经过1年半左右的超限审查，于2014.4.1日通过了全国超限委员会的结构超限审查。现设计方案7（1）各段基本平面示意图8（2）单个框筒平面示意图每个框筒由4块大的预制板覆盖。910（3）框筒梁、柱示意图11（4）基础平面示意图122、长沙远大小天城长沙远大小天城位于长沙县星沙镇远大城，地上97层，地下2层。建筑高度401m，结构高度349.2m

3、。钢束筒结构。当前状况：高度太高，影响飞行，要求修改设计。J9713J57小天城J40远望一号修改后的设计：一变两。14（1）各层平面示意图J57平面图J40平面图15（2）单个框筒结构示意图16（3）梁、柱结构17长沙国际金融中心，T1塔楼高452m，T2塔楼高318m，总建筑面积为100万平方米。由香港九龙仓公司投资，上海华东院设计。结构形式：钢筋混凝土核心筒+型钢混凝土柱。建设地点：长沙市解放路与黄兴南路交叉处。当前状况：2012年通过了超限审查，正在施工中。3、长沙国际金融中心18（1）平面形式1920（2）结构体系21长沙国际金融大厦的特点是：基坑深度37m，基坑底部为中风化土，采用

4、天然地基和筏板基础。（3）基础形式224、长沙世茂广场长沙世茂广场位于长沙市五一大道与建湘路交叉处的西北角，地下4层，地上75层，建筑高度347.9m，结构高度327.75 m。结构形式：钢筋混凝土核心筒+型钢混凝土柱。当前状况：正在施工中。23（1）平面形式24（2）结构特点在避难层处设置加强层和水平环带，增加结构的整体性。25（3）基础形式根据地基情况采用桩筏基础。265、长沙新楚擎天广场 本工程位于五一大道以北，燕山路以南，佳兆业广场以东，芙蓉华天宾馆以西。本项目为双塔结构，西塔63层，高280m；东塔57层，高310m；地下6层，33m 。总面积为33.2万m2。两个塔楼均为高层混合结

5、构。27建筑平面图286、长沙梅溪湖国际文化艺术中心29工程概况：本工程由大剧场、小剧场和艺术馆 三部分组成。大剧场两个主轴方向的跨度分别为223m 和166m ，高52.5m。艺术馆两个方向的最大跨度分别为176 m 和90m，高41.4m 。属大跨超限结构。建设单位：长沙梅溪湖实业有限公司设计单位：广州珠江外资建筑设计院有限公司结构形式：（钢）框架-剪力墙结构当前状况：已经通过结构超限审查。30（1）场馆平面布置31（2）大剧院和剖面32（3）艺术馆平面图33（4）艺术馆横剖面347、长沙国际会展中心35工程概况：长沙国际会展中心集展览中心、会议中心、商务中心、购物中心和接待中心为一体，地

6、上建筑面积约30.8万平方米，地下建筑面积约12.8万平方米。工程西邻浏阳河，紧邻武广高铁新城。建设单位：长沙国际会展中心投资开发公司设计单位：同济大学建筑设计研究院（集团） 有限公司结构类型：钢屋盖+钢筋混凝土墙和柱。当前状况：已通过结构超限审查。36（1）结构图37（2）内景图2388、长沙大王山冰雪世界394041424344本工程由于结构复杂，造价过高，正在将钢结构修改为钢筋混凝土结构，结构的跨度也将减少。45 除此之外，我省近年来在建和拟建的超限高层建筑还有： 长沙湖南出版集团泊富大厦 长沙湖南日报传媒大厦文化产业大楼 长沙华远金外滩 长沙保利国际广场 长沙碧桂园威尼斯城四期1号至5

7、号栋 长沙楷林国际 长沙绿地中心项目T1办公楼 长沙顺天国际金融中心南楼46 长沙达美梅溪湖c-19地块1号栋 吉首艾利尚信国际酒店 常德大剧院 湖南省博物馆改扩建工程 长沙嘉熙中心 长沙佳兆业云顶梅溪湖项目17、18号栋 长沙佳兆业广场 长沙广告产业园一期1号栋 长沙芙蓉国 豪庭广场47 省院； 中机国际设计院； 航三院； 湖大设计院； 多个外省市在湘设计单位。（三）超限结构的设计队伍不断壮大48二、超限高层结构设计中的一些问题49（一）建筑平面是否合理至关重要1、选择对抗风和抗震有利的结构平面有利的结构平面：圆形、正方形、多边形、椭 圆形等。不利的结构平面：长条形、长椭圆形、Y 字形、 十

8、字形、工字形等。50结构平面好，超限设计事半功倍；结构平面不好，超限设计将遇见许多困难。高宽比是房屋结构刚度、整体稳定、承载力和经济合理的宏观控制。房屋底部平面的短边边长不宜小于房屋高度的1/8。核心筒的短边边长不宜小于房屋高度的1/12。51长沙国际金融中心T 1塔楼平面T 2塔楼平面好的结构平面52西安新长安二期结构平面图好的结构平面53郑州绿地中央广场结构平面图好的结构平面54上海中心好的结构平面55两个方向的刚度相差较大时，在风荷载和地震作用下，结构的扭转较大；核心筒的高宽比大，结构的刚度弱，变形大。2、两个方向的刚度相差不宜过大563、框架与核心筒的刚度要协调框架-核心筒结构是当今我

9、国超限高层建筑的主要结构体系。框架-核心筒结构有两道抗震设防体系，是很好的结构体系。但是，框架与核心筒的刚度要协调才能很好的受力。框架承担的剪力应满足下面两个条件的限制： Vf min（0.2Q0, 1.5Vf,max）当前的主要问题时核心筒的刚度较大，框架的刚度很弱。在风荷载和地震作用下，结构的弯矩和剪力几乎全由核心筒承担。574、最新规定框架与墙体、筒体共同抗侧力的各类结构中，框架部分地震剪力的调整应依据其超限程度比规范的规定适当增加(如取规范所规定的较大值或基底剪力的25%)；超高的框架-核心筒结构，其混凝土内筒和外框之间的刚度宜有一个适当的比例，框架部分计算分配的楼层地震剪力，除底部个

10、别楼层、加强层及其相邻上下层外，多数不低于基底剪力的8%（最大宜达到10%），最小不低于5%。主要抗侧力构件中沿全高不开洞的单肢墙，应针对其延性不足采取相应措施。58长沙世茂广场，巨型框架结构采用巨型框架，加强层不在同一平面内。 59天津117大楼巨型框架-核心筒-巨型支撑筒结构60上海金茂大厦61台北101大楼62（二）建筑立面要平缓变化结构竖向刚度变化要平缓，防止突变。平缓变化的立面突变的立面63做好结构方案设计是做好结构设计的关键一步。结构设计人员从方案设计阶段开始就应介入设计。结构设计人员在整个设计过程中都应加强与建筑设计人员以及其他工种设计人员的沟通。64（三）结构刚度是结构最基本的

11、特性地震作用下，刚性结构和柔性结构的特点如下表。结构优 点缺 点刚性结构1、当地面运动周期较长时震害 较小2、结构变形小，非结构构件的 损害小3、安全储备较大4、刚度大，空间整体性好1、当地面运动周期短时有产 生共振的可能性2、地震作用及效应较大3、结构的变形能力小，延性 较差4、材料的用量较多柔性结构1、当地面的运动周期短时震害 较小2、地震作用及效应较小3、结构的自重较轻，材料用量 较少1、当地面运动周期长时易发 生共振2、非结构构件的损害较大3、变形大，二阶效应较大， 稳定性较差1、结构刚度的重要性65结构刚度是结构的基本特性，是结构其他性能代表值。结构的刚度要刚柔适当，不要走极端。当前

12、的主要倾向是刚度偏柔。几个例子比较： 上海环球金融中心：101层，492m，6.50s。 远大小天城：97层，349.20m，6.35s。 长沙某广场：59层，267.90m，6.60s。662、我国300多栋建筑结构高度与结构自振 周期的关系67建议的结构自振周期最大限值房屋结构高度/m结构自振周期/s房屋结构高度/m结构自振周期/s501.2804507.8611002.5885008.2931503.8295508.6852005.0006009.0352505.7226509.3443006.3187009.6133506.8737509.8404007.38880010.0203、建

13、议的结构自振周期最大限值68（四）风洞试验基本知识1、规范的风荷载取值（长沙地区）规范的风荷载取值适用于房屋不是特别高且体型比较规则、周围环境比较简单的建筑。692、什么情况下宜进行风洞试验？房屋高度大于200m或有下列情况之一时，宜进行风洞试验：（1）平面形状或立面形状复杂；（2）立面开洞或连体建筑；（3）周围地形和环境复杂。703、风洞试验常用方法还可以用计算机软件进行风荷载模拟。（1）测力试验：直接测量刚性缩尺模型总体风荷载，包 括高层建筑的高频底部力的测量。此法方法较简 单，省时省钱。（2）测压试验：在刚性缩尺模型上布置许多测点，直接 测量各测点上的风压值。此法较麻烦，但结果较 好。（

14、3）气动弹性模型试验：采用弹性缩尺模型，直接测量 总体平均和动力荷载及响应，包括位移、扭转角和 加速度。此法测量结果比较能够反应结构的真实受 力情况，特别是动力响应情况，但模型制作要求 高，试验费用较高。714、风洞试验模型比例：1/3001/500；考虑周围建筑或地貌影响。72风向角间隔：10度。共进行36个风向的测量。风速11.88m/s。735、与规范值比较长沙地区的风洞试验实测值一般情况下略低于规范值，但局部可能高于规范值，按包络图设计。74756、按包络值进行设计76按包络图设计。77我国已经编制建筑工程风洞试验方法标准，风洞试验可按这个标准的规定进行。78（五）地震安全性评价基本知

15、识1、什么结构需要进行安全性评价？根据湖南省政府2001年第134号令：坚硬、中硬场地上80m以上或者中软、软弱场地上60m以上高层建筑工程；百百万人口以上城市的各类救灾应急指挥机构用房，应进行抗震安全性评价。79按规范的地震参数：按安评的地震参数：2、天空城市的安评结果50年超越概率 Amax (cm/s2)maxTgh1h2小 震180.040.350.970.0261.268中 震500.120.350.970.0261.268大 震1250.280.400.970.0261.26880设计反应谱的参数当按上式计算的max值小于规范值时，按规范值计算。小震、中震、大震的放大系数按2.25

16、取值。即：81设计用的地震参数：50年超越概率 Amax (cm/s2) maxTgh1h2小 震300.0680.350.970.0261.268中 震850.1910.400.970.0261.268大 震1600.3600.400.970.0261.26882小震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s后反应谱曲线为水平线。83中震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s后反应谱曲线按直线下降。华东院设计指南：如结构周期大于6s时，超过6s 部分的反应谱曲线，可按照斜率0.02线性延伸衰减。84大震下的反应谱曲线：特点：自振周期大于6s 后反应谱曲线按直线下降。85小震下按规范和按设计反应谱

17、的楼层剪力比较：86小震下按规范和按设计反应谱的楼层倾覆力矩比较：87小震下按规范和按设计反应谱的楼层剪力比较：883、安评存在的问题1）各地需要进行安评的建筑高度相差很大。如：上海市2009年规定下列高层结构需要进行抗震安全性评价：（1）高度在300米（含300米）以上的所有 超限高层建筑。（2）高度在160米以上有重大价值和有重大 影响的超限高层建筑。湖南省规定的建筑高度远小于上海市。2）安评的放大系数与建筑抗震设计规范 的放大系数不一致，因此不能直接用于设计。89（六）剪重比是当前超限高层结构 设计中最突出的问题1、规范对剪重比最小限值的要求高规规定：小震下结构各楼层对应于地震作用标准值

18、的剪力与该层的重力荷载代表值之比（简称为剪重比）不应小于下表所列的值。注：1 基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，应允许线性插入取值； 2 7、8度时括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和 0.30g的地区。90 当前的问题是：（1）结构越高，剪重比的要求可能越难满足；（2）设防烈度越低，剪重比的要求可能越难满足；（3）场地土越好，剪重比的要求可能越难满足。912、对剪重比问题的几种有代表性的观点（1）广东省高规地方标准第4.3.13条规定：“当小震弹性计算的楼层剪力小于规定的最小值时，可直接放大地震剪力以满足楼层最小地震剪力要求，放大后的基底总剪力尚不宜小于按底部剪力法算得

19、的总剪力的85%。”92（2）上海华东建筑设计研究院汪大绥等“对高度不是特别高，例如300m左右的超高层建筑，其周期也可能在7s8s，此时不应放松要求以防结构过柔。”“对于高度很高（超过500m）的超高层建筑，可通过提高结构刚度、减小结构自重、合理选择计算参数来提高结构的地震剪力系数。”93（3）中国建筑科学研究院王亚勇 当结构扭转效应明显或基本周期小于3.5s 时，地震剪力系数 应不小于0.2max；B. 当结构基本周期大于5.0s 时， 应不小于 0.15max；C. 基本周期介于3.5s 和 5s 之间的结构，楼 层最小地震剪力系数值min按插入法取值；D. 当结构的基本周期远大于5s

20、时，可以将结 构的楼层最小地震剪力系数值减少15% ， 即 0.850.15max0.12max ，但不宜小 于1%。94我们对我国195栋高层建筑剪重比所做的统计结果如下图所示：3、我们所做的工作95964、最新的规定结构总地震剪力以及各层的地震剪力与其以上各层总重力荷载代表值的比值，应符合抗震规范的要求，、类场地时尚宜适当增加(如增加10%左右)。当结构底部计算的总地震剪力偏小需调整时，其以上各层的剪力、位移也均应适当调整。计算的底部剪力系数，对基本周期大于6s的结构可比规定值低20%以内，对基本周期3.55s的结构可比规定值低15%以内。6度设防的结构，当按底部剪力系数0.8%换算的层间

21、位移满足规范要求时，即可采用规范规定的剪力系数最小值进行抗震承载力验算。97（七）弹塑性性能设计1、“抗震设防的核心目标是中震设防，性能化设计的重点理应是针对中震的”提法不妥我国采用“三水准、两阶段”的抗震设计方法进行结构的抗震设计，“三水准”指的是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。“两阶段”指的是第一阶段进行小震下的内力、变形和配筋计算；第二阶段是对于抗震能力较低、容易倒塌的结构，要进行大震下的弹塑性变形验算，保证大震下不出现结构倒塌。中震不用计算，中震只需采用构造措施实现。说明中震设防并不比小震、大震更重要。 98抗震性能设计要求对小震设防、中震设防、大震设防都要进行计算，并且都要达到相应

22、的性能目标。因此，如果说结构抗震性能设计将中震设防提到了和小震设防和大震设防同等重要的地位的说法有点过，也不能说中震设防是抗震性能设计的核心。 992、抗震规范性能设计略有不足之处是变形限值没有给出定量指标100结构类型完好轻微破坏中等破坏不严重破坏钢筋混凝土框架1/5501/2501/1201/60钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/10001/5001/2501/130钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒1/8001/4001/2001/110钢筋混凝土框支柱1/10001/5001/2501/135钢结构1/3001/2001/1001/55高层混合结构1/8001/4001/20

23、01/110华东院建议的不同破坏状态参考值1013、阻尼比选择受荷情况混凝土结构钢结构混合结构小震0.050.03（50mH200m)；0.02(H 200m)；0.005（偏心支承负担大时）0.04中震0.050.04大震0.05（弹塑性）0.050.05风荷载楼层位移验算和构件设计0.050.020.02-0.04舒适度0.020.010.01-0.021024、各类结构中关键构件、普通竖向构件 和耗能构件构件类型框架结构剪力墙结构框架-剪力墙结构框架-筒体结构框支剪力墙结构关键构件 在同一楼层数量相当的各长短柱底部加强部位的重要剪力墙底部加强部位的重要剪力墙加强层伸臂、周边环带、承托上部

24、多个楼层框架的腰桁架、底部加强层部位的重要剪力墙框支柱、转换梁、转换层以下落地剪力墙、转换层以上加强层部位的重要剪力墙普通竖向构件框架柱除关键构件外的剪力墙除关键构件外的剪力墙与柱筒体剪力墙、框架柱除关键构件外的剪力墙耗能构件框架梁连 梁框架梁连 梁框架梁和连梁连 梁103（八）需进行顶点水平风振加速度验算1、高规的规定房屋高度不小于150m的高层混凝土建筑应满足风振舒适度要求。在10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度计算值或试验值不应超过下表要求。使用功能alim(m/s2)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25高层建筑混凝土结构设计技术规程规定104计算时结构

25、阻尼比宜取0.010.02。使用功能住宅、公寓公共建筑峰值加速度（m/s2)0.200.28高层民用建筑钢结构设计规程规定1052、宜采用气弹模型进行试验刚性模型试验结果：气弹模型试验结果：1063、顶点风振舒适度不满足要求时的措施 顶点风振加速度不满足要求时，可采用以下措施。如：（1）设置主动调谐阻尼器（AMD) ；（2）设置调谐液体阻尼器（TLD）；（3）设置黏弹式阻尼器（VED）。107远大天空城市J220曾经考虑的阻尼器形式：1081091101111124、几栋300m以上超高层建筑的顶点水平 加速度比较 工程名称结构高度（m）结构类型顶点水平加速度（m/s2)远大天空城市(J202

26、)远大小天城(J97)长沙国金中心T1塔楼长沙国金中心T2塔楼长沙世茂国际广场A座长沙新楚擎天广场东塔792727.20349.20349.20440.45308335.3310钢结构钢结构钢结构钢结构混合结构混合结构混合结构混合结构0.483（原方案）0.137（修改后）0.254（原方案）0.232（修改后）0.07720.06250.09650.08301135、长沙远大J30舒适度验算 本工程标准层平面尺寸为2424m,共30层，层高3300mm ,总高度99m。重现期为10年的风压为0.25kN/m2，B类粗糙度。 114115116阻尼比GB 50009-2012JGJ 99-98

27、日本AIJ2004加拿大NBC20050.01000.01250.01500.01750.02000.2300.2090.1930.1810.1720.1580.1430.1330.1240.1180.2410.2150.1970.1820.1700.2290.2050.18701.730.162顺风向顶点水平加速度（m/s2)117阻尼比GB 50009-2012JGJ 99-98日本AIJ2004加拿大NBC20050.01000.01250.01500.01750.02000.2520.2280.2100.1950.1830.5520.4930.4500.4170.3900.3960.3

28、550.3240.3000.2800.4710.4220.3850.3560.333横风向顶点水平加速度（m/s2)118（九）大跨楼盖要进行舒适度验算楼盖和人行天桥上的人行荷载和有节奏的运动有可能使人产生不舒适的感觉。人行激励的荷载频率在1.5Hz9Hz范围内，常用的钢-混凝土组合楼盖的自振频率为38Hz，容易产生共振。1、楼盖上静力荷载与动力荷载的差别 119 钢筋混凝土楼盖结构竖向频率不宜小于 3Hz，竖向振动加速度不应超过下表：楼盖竖向振动加速度限值 表3.7.7人员活动环境峰值加速度限值（m/s2）竖向自振频率不大于2Hz竖向自振频率不小于4Hz住宅、办公0.070.05商场及室内连

29、廊0.220.15 楼盖结构自振频率为2Hz 4Hz时，峰值 系数限值可按线性插值法选取。2、高规对楼盖舒适度的要求 1201）简化计算法：可用于初步设计阶段对楼板体系振动的估算。2）有限元分析法（1）模态分析：通过模态分析可以得到楼板体系各阶主要模态的特性。（2）稳态分析：通过稳态分析可以楼板体系任意位置的自振频率，从而判断楼板体系的不利振动位置。（3）时程分析：求位移、速度、加速度随时间变化而改变的状态。3、楼盖振动舒适度的分析方法1214、某大跨楼盖舒适度加固改造实例某五层建筑，钢框架结构，建筑总高度26m，15层层高均为5.2m，结构布置如图1所示 。图1 结构平面布置图1）基本情况122框架柱截面尺寸均为40016，外侧框架梁和框架柱刚接，楼层梁和柱铰接，次梁间距1.2m，次梁和主梁铰接。其中，6m跨度的框架梁采用H6002001117，10.8m跨度的框架梁选用H70030