超高层建筑关键构件与节点设计

超高层建筑关关键构件与节节点设计赵昕高工工同济大学建筑筑设计研究院院（集团）有有限公司目录1.结构高宽比2.伸臂桁架结构构3.巨型框架柱设设计1.结构高宽比超高层建筑关关键构件与节节点设计1.结构高宽比1.1概念关于结构整体体高宽比的讨讨论：高度和高宽比比是超高层结结构设计的主主要控制因素素，也是决定定结构刚度的的重要指标。。基底倾覆力矩矩与建筑高度度的平方成正正比建筑顶部侧移移与建筑高度度的四次方成成正比，并按按结构宽度的的三次方递减减超高层结构由由于占地和功功能的限制，，基底尺寸通通常不会过大大，一般为60~80m左右，因此，，对于超过400m以上超高层，，高宽比一般般为7~9。高宽比直接与与超高层结构构的受力性态态相关：高宽比<4，剪切变形为为主，类似框框架结构受力力性态高宽比=4~6，弯剪变形高宽比>6，弯曲变形为为主，剪切变变形引起的有有害位移通常常不足10%1.结构高宽比1.1概念关于结构整体体高宽比的讨讨论：当高宽比超过过8时，通常外筒筒设计为巨型型框架或巨巨型支撑框框架（框筒）），有效提高高结构的抗侧侧刚度。当高宽比超过过8时，横风向效效应显著增强强，在八度设设防以下地区区，风荷载通通常成为控制制因素。1.结构高宽比1.1概念关于核心筒高高宽比的讨论论：核心筒高宽比比的影响：对于常规的框框架-核心筒结构体体系，核心筒筒承担着大部部分剪力和倾倾覆力矩，故故核心筒高宽宽比也是一个个重要参考因因素。但对于于超高层而言言，巨型框架架、支撑框筒筒等高度更大大的外框结构构常常取代了了一般框架，，因此，核心心筒的承担剪剪力和倾覆力力矩比例会降降低。核心筒面积比比例：指核心心筒的围合面面积占楼面面面积的比例，，是另一个重重要参考指标标。围合面积比例例<20%，核心筒刚度度偏弱，宜加加强外框筒，，采用支撑框框筒或巨型结结构围合面积比例例=20~30%，核心筒刚度度适中围合面积比例例>30%，核心筒刚度度较大，承担担剪力和倾覆覆力矩比例大大幅提高，应应尤其注重核核心筒的性能能化设计及二二道防线设计计。1.结构高宽比1.2典型超高层建建筑高宽比项目上海中心环球金融金茂大厦台北101香港国金二期层数1241018810188高度m632/580492421508420高宽比7.08.588.28.71.结构高宽比1.2典型超高层建建筑高宽比项目深圳京基深圳平安广州西塔广州东塔武汉中心层数9810410311290高度m439648/540432530/518428高宽比9.57.36.98.47.41.结构高宽比1.2典型超高层建建筑高宽比项目天津津塔天津117天津周大福天津广东大厦香港环贸广场层数751179495118高度m333597530/470430/395484高宽比8.09.78.08.28.22.伸臂桁架结构构超高层建筑关关键构件与节节点设计2.伸臂桁架结构构2.1概念超高层建筑框框架-核心筒结构体体系，存在侧向刚度度不足、核心心筒倾覆力矩矩偏大的缺陷陷。通过设置抗弯弯刚度较大的的伸臂桁架，，连接核心筒筒和外框架，，可将周边柱柱的轴向刚度度用来增加结结构的抗倾覆覆力矩，显著著提高结构的的抗侧刚度，，减小核心筒筒倾覆力矩。。2.伸臂桁架结构构2.2形式形式1：两点连接方方式；形式2：单点上部连连接方式；形式3：单点下部连连接方式；形式4：单点中间连连接方式。形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架结构构2.2形式伸臂桁架结构构形式比较采用SAP2000对各种伸臂桁桁架形式进行行了极限承载载力分析形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架结构构2.2形式伸臂桁架结构构形式比较形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架结构构2.2形式伸臂桁架结构构形式比较形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架结构构2.3连接节点伸臂桁架与核核心筒连接节节点伸臂桁架与框框架柱连接节节点与核心筒连接接与框架柱连接接2.伸臂桁架结构构2.3连接节点伸臂桁架与核核心筒连接节节点方式1：伸臂桁架正正方（工型）），采用单板板与墙体内钢钢骨连接。应力云图评价优点：墙肢内连接接简单，适用用于墙肢较薄薄情况；缺点：节点板较厚厚；应用工程案例例：重庆国金中中心，上海中中心7、8区节点。2.伸臂桁架结构构2.3连接节点伸臂桁架与核核心筒连接节节点方式2：伸臂桁架侧侧方（H型），采用双双板在墙体内内与钢骨连接接。评价优点：节点板加厚厚较少；缺点：墙体内钢筋筋连接复杂，，适用于墙肢肢较厚情况。。应用工程案例例：深圳京基中中心，上海中中心1~6区。应力云图2.伸臂桁架结构构2.3连接节点伸臂桁架与框框架柱连接节节点方式1：伸臂桁架正正方（工型）），采用单板板与柱体内钢钢骨连接。评价优点：内力传递直直接，节点板板最少，适用用于十字形钢钢骨；缺点：伸臂桁架与与框架柱内纵纵筋、箍筋相相碰（型钢混混凝土柱的缺缺点）；应用工程案例例：重庆国金中中心，上海白白玉兰广场。。应力云图2.伸臂桁架结构构2.3连接节点伸臂桁架与框框架柱连接节节点方式2：伸臂桁架侧侧方（H型），采用双双板与柱体内内钢骨连接。。评价优点：适用于钢管管混凝土柱或或者内包钢管管的型钢混凝凝土柱；缺点：伸臂桁架与与框架柱内纵纵筋、箍筋相相碰（型钢混混凝土柱的缺缺点）；应用工程案例例：上海中心等等。应力云图3.巨型框架柱设设计超高层建筑关关键构件与节节点设计3.巨型框架柱设设计3.1概念巨型框架-核心筒结构中中重要的受力力构件；主要承担外筒重力荷载载和倾覆弯矩；巨型柱的地位非常常重要，对构构件选型需要要重点考虑。。3.巨型框架柱设设计3.1概念上海中心巨型型柱受力情况况：竖向荷载分配配：54%底部剪力分配配：57%底部倾覆力矩矩分配：79%3.巨型框框架柱柱设计计3.2形式目前常常用的的两种种构件件形式式：1、SRC型钢混混凝土土柱。。包括：：上海海中心心、深深圳平平安、、上海海环球球金融融中心心等；；2、CFT钢管混混凝土土柱。。包括：：天津津117、台北北101、深圳圳京基基中心心等。。SRCCFT3.巨型框框架柱柱设计计3.2形式巨型钢钢管混混凝土土柱3.巨型框框架柱柱设计计3.3受力性性态（（上海海中心心为例例）单工况作作用下下的轴轴力3.巨型框框架柱柱设计计3.3受力性性态（（上海海中心心为例例）小震组合合——通高小小偏心心受压压3.巨型框框架柱柱设计计3.3受力性性态（（上海海中心心为例例）中震震震组合合——1～2区为小小偏压压，3区为大大偏压压，4区为大大偏拉拉，5～8区为小小偏拉拉。3.巨型框框架柱柱设计计3.3受力性性态（（上海海中心心为例例）大震组组合——通高-小偏心心受拉拉3.巨型框框架柱柱设计计3.4设计指指标材料：C70～C50；Q345GJ～Q390GJ抗震等级：：通高特特一级抗震性性能目标标：中震弹弹性、、大震震不屈服轴压比限限值：：0.60（1.2重力+1.3小震）钢骨含钢率率：标准段段不小小于4％，节节点区区及上上下各各一层层范围围内不不小于于5％，并并根据据节点点计算算的需需要调调整。纵筋配筋筋率：：标准段段1.2％，节节点区区由于于纵筋筋将被被伸臂臂、环环带桁桁架的的杆件件截断断，取取0.8％。配箍率：：不小于于1.0％；剪压比：：V＜=1/γRE(0.36*βc*fc*b*ho)3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——金茂大大厦环球金金融中中心巨巨柱平平面布布置巨柱巨柱金茂大大厦巨巨柱平平面布布置巨柱巨柱3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——金茂大大厦构件楼层底部－17层17－31层31－53层53－64层64－87层巨柱1500mm×5000mm1500mm×4500mm1000mm×3000mm材料C60C50C40金茂大大厦型型钢混混凝土土巨柱柱构造造3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——台北101台北101巨柱平平面布布置巨柱3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——台北101台北101钢管混混凝土土巨柱柱构造造巨柱截截面2.4mX3.0m；含钢率率10％左右右3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海环环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心连接节节点3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——环球金金融中中心3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心8层巨型型框架架+6道伸臂臂+核心筒筒体系系巨型框框架：：8根巨柱柱+8道环带带桁架架伸臂桁架核心筒巨型柱柱环带桁桁架外伸臂臂+环带桁桁架环带桁桁架3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心上海中中心巨巨型柱柱选型型：1、从受受力角角度，，两种种巨型型柱形形式都都满足足要求求；2、从吊吊装和和安装装角度度，型型钢混混凝土土柱较较有优优势。。Or型钢混混凝土土柱SRC钢管混混凝土土柱CFT3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心ZONE6～8典型平平面8根主巨巨柱ZONE1～5典型平平面8层主巨巨柱+4根角柱柱区段截面（m）砼等级含钢率8主1.9x2.4C504%7主2.3x3.3C504%6主2.5x4.0C604%5主：2.6x4.4C604%次：1.2x4.5C604%4主：2.8x4.6C604%角：1.5x4.8C604%3主：3.0x4.8C704%角：1.8x4.8C704%2主：3.4x5.0C704%角：2.2x5.0C704%1主：3.7x5.3C705%角：2.4x5.5C704%3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心Or格构式式钢骨骨布置置实腹式式钢骨骨布置置SRC柱内钢钢骨布布置方方案3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心方案一一：九九肢格格构式式钢骨骨九肢型型钢分分散布布置，，需通通过缀缀板连连接以以协调调抗力力。但但型钢钢肢数数越多多，传传力越越不直直接，，各肢肢协同同工作作的难难度越越大。。伸臂只只和中中间三三肢型型钢直直接连连接，，需要要通过过大量量的缀缀板连连接后后才能能把力力传递递给其其他六六肢，，传力力途径径不直直接。。型钢间间联系系很弱弱，依依靠缀缀板传传力在在节点点区应应力集集中处处，易易产生生纵向向劈裂裂破坏坏和剪剪切破破坏。。抗震性性能不不好。。3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心方案二二：‘‘王’’字形形实腹腹式钢钢骨可有效效解决决协同同抗力力和剪剪切破破坏两两个关关键问问题。。钢骨内内部形形成约约束混混凝土土，提提高巨巨型柱柱的抗抗压能能力和和延性性。在节点点区域域与伸伸臂和和环带带桁架架的连连接较较方便便，伸伸臂和和环带带的力力可直直传递递给整整个钢钢骨。。钢骨可可在工工厂焊焊接完完成，，现场场可整整体吊吊装，，减少少了现现场焊焊接量量。3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心1、从受受力角角度，，实腹腹式钢钢骨的的延性性和整整体性性优于于格构构式钢钢骨；；2、从施施工角角度，，实腹腹式钢钢骨现现场施施工方方便；；3、从节节点域域整体体性，，实腹腹式方方案钢钢骨传传力更更加直直接。。Or格构式式钢骨骨布置置实腹式式钢骨骨布置置3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心钢骨与与伸臂臂的连连接3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心计算长长度确确定巨型框框架模模型第1阶屈曲曲模态态3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心承载力力验算算采用纤纤维单单元法法得到到SRC巨型柱柱的空空间屈屈服曲曲面。。将巨巨型柱柱的内内力状状态和和空间间屈服服曲面面绘制制在同同一内内力坐坐标下下，进进行比比较，，当荷荷载对对应的的空间间点落落在空空间屈屈服曲曲面内内时，，则可可以判判定该该构件件满足足承载载力要要求。。巨型柱柱纤维维单元元模型型承载力力验算算3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心延性分分析采用ABAQUS实体单单元对对巨型型柱的的延性性进行行研究究。巨型柱柱实体体有限限元模模型承载力力验算算混凝土土巨型柱柱钢骨钢筋笼笼3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心延性分分析采用ABAQUS实体单单元对对巨型型柱的的延性性进行行研究究。巨型柱柱实体体有限限元模模型3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心延性分分析巨型柱柱延性性系数数达到到了2.81，说明明巨型型柱延延性较较好。。巨型柱柱延性性曲线线DuctilityCurve混凝土土开裂裂钢筋与与钢骨骨强化化3.巨型框框架柱柱设计计3.5实例——上海中中心延性分分析混凝土土应力力分布布钢骨应应力分分布钢筋应应力分分布箍筋应应力分分布巨型柱柱极限限状态态下应应力分分布3.巨型框框架柱柱设计计3.5