超限高层结构设计中的一些问题沈蒲生

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、柱示示意图11（4）基础平面示意意图122、长沙远大小天天城长沙远大小天城城位于长沙县星星沙镇远大城，，地上97层，地下2层。建筑高度401m，结构高度349.2m。钢束筒结构。。当前状况：高度度太高，影响飞飞行，要求修改改设计。J9713J57小天城J40远望一号修改后的设计：：一变两。14（1）各层平面示意意图J57平面图J40平面图15（2）单个框筒结构构示意图16（3）梁、柱结构17长沙国际金融中中心，T1塔楼高452m，T2塔楼高318m，总建筑面积为为100万平方米。由香香港九龙仓公司司投资，上海华华东院设计。结构形式：钢筋筋混凝土核心筒筒+型钢混凝土柱。。建设地点：长沙沙市解放路与黄黄兴南路交叉处处。当前状况：2012年通过了超限审审查，正在施工工中。3、长沙国际金融融中心18（1）平面形式1920（2）结构体系21长沙国际金融大大厦的特点是：：基坑深度37m，基坑底部为中中风化土，采用用天然地基和筏筏板基础。（3）基础形式224、长沙世茂广场场长沙世茂广场位位于长沙市五一一大道与建湘路路交叉处的西北北角，地下4层，地上75层，建筑高度347.9m，结构高度327.75m。结构形式：钢筋筋混凝土核心筒筒+型钢混凝土柱。。当前状况：正在在施工中。23（1）平面形式24（2）结构特点在避难层处设置置加强层和水平平环带，增加结结构的整体性。。25（3）基础形式根据地基情况采采用桩筏基础。。265、长沙新楚·擎天广场本工程位于五一一大道以北，燕燕山路以南，佳佳兆业广场以东东，芙蓉华天宾宾馆以西。本项项目为双塔结构构，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。两个塔楼均为高高层混合结构。27建筑平面图286、长沙梅溪湖国际际文化艺术中心29工程概况：本工程由大剧场、、小剧场和艺术馆馆三部分组成。。大剧场两个主轴轴方向的跨度分别别为223m和166m，高52.5m。艺术馆两个方向向的最大跨度分别别为176m和90m，高41.4m。属大跨超限结构构。建设单位：长沙梅溪湖实业有有限公司设计单位：广州珠江外资建筑筑设计院有限公司司结构形式：（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、长沙国际会展中中心35工程概况：长沙国际会展中心心集展览中心、会会议中心、商务中中心、购物中心和和接待中心为一体体，地上建筑面积积约30.8万平方米，地下建建筑面积约12.8万平方米。工程西西邻浏阳河，紧邻邻武广高铁新城。。建设单位：长沙国际会展中心心投资开发公司设计单位：同济大学建筑设计计研究院（集团））有限公司结构类型：钢屋盖+钢筋混凝土墙和柱柱。当前状况：已通过结构超限审审查。36（1）结构图37（2）内景图2388、长沙大王山冰雪雪世界394041424344本工程由于结构复复杂，造价过高，，正在将钢结构修修改为钢筋混凝土土结构，结构的跨跨度也将减少。45除此之外，我省近近年来在建和拟建建的超限高层建筑筑还有：长沙湖南出版集团团泊富大厦长沙湖南日报传媒媒大厦文化产业大大楼长沙华远金外滩长沙保利国际广场场长沙碧桂园威尼斯斯城四期1号至5号栋长沙楷林国际长沙绿地中心项目目T1办公楼长沙顺天国际金融融中心南楼46长沙达美梅溪湖c-19地块1号栋吉首艾利尚信国际际酒店常德大剧院湖南省博物馆改扩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；多个外省市在湘设设计单位。（三）超限结构的的设计队伍不断壮壮大48二、超限高层结构构设计中的一些问问题49（一）建筑平面是是否合理至关重要要1、选择对抗风和抗抗震有利的结构平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、长椭圆圆形、Y字形、十字形、工字形等等。50结构平面好，超限限设计事半功倍；；结构平面不好，，超限设计将遇见见许多困难。高宽比是房屋结构构刚度、整体稳定定、承载力和经济济合理的宏观控制制。房屋底部平面的短短边边长不宜小于于房屋高度的1/8。核心筒的短边边长长不宜小于房屋高高度的1/12。51长沙国际金融中心心T1塔楼平面T2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相差较大时，在风风荷载和地震作用用下，结构的扭转转较大；核心筒的的高宽比大，结构构的刚度弱，变形形大。2、两个方向的刚度度相差不宜过大563、框架与核心筒的的刚度要协调框架-核心筒结构是当今今我国超限高层建建筑的主要结构体体系。框架-核心筒结构有两道道抗震设防体系，，是很好的结构体体系。但是，框架架与核心筒的刚度度要协调才能很好好的受力。框架承担的剪力应应满足下面两个条条件的限制：Vf≥min（0.2Q0,1.5Vf,max）当前的主要问题时时核心筒的刚度较较大，框架的刚度度很弱。在风荷载载和地震作用下，，结构的弯矩和剪剪力几乎全由核心心筒承担。574、最新规定框架与墙体、筒体体共同抗侧力的各各类结构中，框架部分地震剪力力的调整应依据其其超限程度比规范范的规定适当增加加(如取规范所规定的的较大值或基底剪剪力的25%)；超高的框架-核心筒结构，其混混凝土内筒和外框框之间的刚度宜有有一个适当的比例例，框架部分计算分配配的楼层地震剪力力，除底部个别楼层、、加强层及其相邻邻上下层外，多数不低于基底剪剪力的8%（最大宜达到10%），最小不低于5%。主要抗侧力构件中中沿全高不开洞的的单肢墙，应针对对其延性不足采取取相应措施。58长沙世茂广场，巨巨型框架结构采用巨型框架，加加强层不在同一平平面内。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）建筑立面要要平缓变化结构竖向刚度变化化要平缓，防止突突变。平缓变化的立面突变的立面63做好结构方案设计计是做好结构设计计的关键一步。结构设计人员从方方案设计阶段开始始就应介入设计。。结构设计人员在整整个设计过程中都都应加强与建筑设设计人员以及其他他工种设计人员的的沟通。64（三）结构刚度是是结构最基本的特特性地震作用下，刚性性结构和柔性结构构的特点如下表。。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、结构刚度的重要要性65结构刚度是结构的的基本特性，是结结构其他性能代表表值。结构的刚度要刚柔柔适当，不要走极极端。当前的主要倾向是是刚度偏柔。几个例子比较：上海环球金融中心心：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多栋建筑结构高度度与结构自振周期的关系67建议的结构自振周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、建议的结构自振振周期最大限值68（四）风洞试验基基本知识1、规范的风荷载取取值（长沙地区））规范的风荷载取值值适用于房屋不是是特别高且体型比比较规则、周围环环境比较简单的建建筑。692、什么情况下宜进进行风洞试验？房屋高度大于200m或有下列情况之一一时，宜进行风洞洞试验：（1）平面形状或立面面形状复杂；（2）立面开洞或连体体建筑；（3）周围地形和环境境复杂。703、风洞试验常用方方法还可以用计算机软软件进行风荷载模模拟。（1）测力试验：直接测量刚性缩尺尺模型总体风荷载载，包括高层建筑的高频频底部力的测量。。此法方法较简单，省时省钱。（2）测压试验：在刚性缩尺模型上上布置许多测点，，直接测量各测点上的风风压值。此法较麻麻烦，但结果较好。（3）气动弹性模型试验验：采用弹性缩尺模型型，直接测量总体平均和动力荷荷载及响应，包括括位移、扭转角和和加速度。此法测量量结果比较能够反反应结构的真实受受力情况，特别是动动力响应情况，但但模型制作要求高，试验费用较高高。714、风洞试验模型比例：1/300～1/500；考虑周围建筑或地地貌影响。72风向角间隔：10度。共进行36个风向的测量。风风速11.88m/s。735、与规范值比较长沙地区的风洞试试验实测值一般情情况下略低于规范范值，但局部可能能高于规范值，按按包络图设计。74756、按包络值进行设设计76按包络图设计。77我国已经编制《建筑工程风洞试验验方法标准》，风洞试验可按这这个标准的规定进进行。78（五）地震安全性性评价基本知识1、什么结构需要进进行安全性评价？？根据湖南省政府2001年第134号令：坚硬、中硬硬场地上80m以上或者中软、软软弱场地上60m以上高层建筑工程程；百百万人口以以上城市的各类救救灾应急指挥机构构用房，应进行抗抗震安全性评价。。79按规范的地震参数数：按安评的地震参数数：2、天空城市的安评评结果50年超越概率Amax(cm/s2)αmaxTgγh1h2小震180.040.350.970.0261.268中震500.120.350.970.0261.268大震1250.280.400.970.0261.26880设计反应谱的参数数当按上式计算的αmax值小于规范值时，，按规范值计算。。小震、中震、大震震的放大系数按2.25取值。即：81设计用的地震参数数：50年超越概率Amax(cm/s2)αmaxTgγh1h2小震300.0680.350.970.0261.268中震850.1910.400.970.0261.268大震1600.3600.400.970.0261.26882小震下的反应谱曲曲线：特点：自振周期大大于6s后反应谱曲线为水水平线。83中震下的反应谱曲曲线：特点：自振周期大大于6s后反应谱曲线按直直线下降。华东院《设计指南》：如结构周期大于于6s时，超过6s部分的反应谱曲线线，可按照斜率0.02线性延伸衰减。84大震下的反应谱曲曲线：特点：自振周期大大于6s后反应谱曲线按直直线下降。85小震下按规范和按按设计反应谱的楼楼层剪力比较：86小震下按规范和按按设计反应谱的楼楼层倾覆力矩比较较：87小震下按按规范和和按设计计反应谱谱的楼层层剪力比比较：883、安评存存在的问问题1）各地需需要进行行安评的的建筑高高度相差差很大。。如：上海海市2009年规定下下列高层层结构需需要进行行抗震安安全性评评价：（1）高度在300米（含300米）以上上的所有有超限高层层建筑。。（2）高度在160米以上有有重大价价值和有有重大影响的超超限高层层建筑。。湖南省规规定的建建筑高度度远小于于上海市市。2）安评的的放大系系数与《建筑抗震震设计规规范》的放大系系数不一一致，因因此不能能直接用用于设计计。89（六）剪剪重比是是当前超超限高层层结构设计中最最突出的的问题1、规范对对剪重比比最小限限值的要要求《高规》规定：小小震下结结构各楼楼层对应应于地震震作用标标准值的的剪力与与该层的的重力荷荷载代表表值之比比（简称称为剪重重比）不不应小于于下表所所列的值值。注：1基本周期期介于3.5s和5.0s之间的结结构，应应允许线线性插入入取值；；27、8度时括号号内数值值分别用用于设计计基本地地震加速速度为0.15g和0.30g的地区。。90当前的问问题是：：（1）结构越越高，剪剪重比的的要求可可能越难难满足；；（2）设防烈烈度越低低，剪重重比的要要求可能能越难满满足；（3）场地土土越好，，剪重比比的要求求可能越越难满足足。912、对剪重重比问题题的几种种有代表表性的观观点（1）广东省省《高规》地方标准准第4.3.13条规定：：“当小小震弹性性计算的的楼层剪剪力小于于规定的的最小值值时，可可直接放放大地震震剪力以以满足楼楼层最小小地震剪剪力要求求，放大大后的基基底总剪剪力尚不不宜小于于按底部部剪力法法算得的的总剪力力的85%。”92（2）上海华华东建筑筑设计研研究院汪汪大绥等等“对高度度不是特特别高，，例如300m左右的超超高层建建筑，其其周期也也可能在在7s～8s，此时不不应放松松要求以以防结构构过柔。。”“对于高度度很高（（超过500m）的超高高层建筑筑，可通通过提高高结构刚刚度、减减小结构构自重、、合理选选择计算算参数来来提高结结构的地地震剪力力系数。。”93（3）中国建建筑科学学研究院院王亚勇勇当结构扭扭转效应应明显或或基本周周期小于于3.5s时，地震震剪力系系数λ应不小于于0.2αmax；B.当结构基基本周期期大于5.0s时，λ应不小于于0.15αmax；C.基本周期期介于3.5s和5s之间的结结构，楼楼层最小地地震剪力力系数值值λmin按插入法法取值；；D.当结构的的基本周周期远大于5s时，可以将将结构的楼层层最小地地震剪力力系数值值减少15%，即0.85×0.15αmax≈0.12αmax，但不宜宜小于1%。94我们对我我国195栋高层建建筑剪重重比所做做的统计计结果如如下图所所示：3、我们所所做的工工作95964、最新的的规定结构总地地震剪力力以及各各层的地地震剪力力与其以以上各层层总重力力荷载代代表值的的比值，，应符合合抗震规规范的要要求，Ⅲ、Ⅳ类场地时时尚宜适适当增加加(如增加10%左右)。当结构构底部计计算的总总地震剪剪力偏小小需调整整时，其其以上各各层的剪剪力、位位移也均均应适当当调整。。计算的底底部剪力力系数，，对基本周周期大于于6s的结构可比规定定值低20%以内，对对基本周周期3.5~5s的结构可可比规定定值低15%以内。6度设防的的结构，，当按底底部剪力力系数0.8%换算的层层间位移移满足规规范要求求时，即即可采用用规范规规定的剪剪力系数数最小值值进行抗抗震承载载力验算算。97（七）弹弹塑性性性能设计计1、“抗震震设防的的核心目目标是中中震设防防，性能能化设计计的重点点理应是是针对中中震的””提法不不妥我国采用用“三水水准、两两阶段””的抗震震设计方方法进行行结构的的抗震设设计，““三水准准”指的的是“小小震不坏坏，中震震可修，，大震不不倒”。。“两阶阶段”指指的是第第一阶段段进行小小震下的的内力、、变形和和配筋计计算；第第二阶段段是对于于抗震能能力较低低、容易易倒塌的的结构，，要进行行大震下下的弹塑塑性变形形验算，，保证大大震下不不出现结结构倒塌塌。中震震不用计计算，中中震只需需采用构构造措施施实现。。说明中中震设防防并不比比小震、、大震更更重要。。98抗震性能能设计要要求对小小震设防防、中震震设防、、大震设设防都要要进行计计算，并并且都要要达到相相应的性性能目标标。因此此，如果果说结构构抗震性性能设计计将中震震设防提提到了和和小震设设防和大大震设防防同等重重要的地地位的说说法有点点过，也也不能说说中震设设防是抗抗震性能能设计的的核心。。992、抗震规规范性性能设设计略略有不不足之之处是是变形形限值值没有有给出出定量量指标标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1/8001/4001/2001/110华东院院建议议的不不同破破坏状状态参参考值值1013、阻尼比比选择择受荷情况混凝土结构钢结构混合结构小震0.050.03（50m＜H﹤200m)；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、各类结结构中中关键键构件件、普普通竖竖向构构件和耗能能构件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））需进进行顶顶点水水平风风振加加速度度验算算1、《高规》的规定定房屋高高度不不小于于150m的高层层混凝凝土建建筑应应满足足风振振舒适适度要要求。。在10年一遇遇的风风荷载载标准准值作作用下下，结结构顶顶点的的顺风风向和和横风风向振振动最最大加加速度度计算算值或或试验验值不不应超超过下下表要要求。。使用功能alim(m/s2)住宅、公寓0.15办公、旅馆0.25高层建建筑混混凝土土结构构设计计技术术规程程规定定104计算时时结构构阻尼尼比宜宜取0.01～0.02。使用功能住宅、公寓公共建筑峰值加速度（m/s2)0.200.28高层民民用建建筑钢钢结构构设计计规程程规定定1052、宜采采用气气弹模模型进进行试试验刚性模模型试试验结结果：：气弹模模型试试验结结果：：1063、顶点点风振振舒适适度不不满足足要求求时的的措施施顶点风风振加加速度度不满满足要要求时时，可可采用用以下下措施施。如如：（1）设置置主动动调谐谐阻尼尼器（（AMD)；（2）设置置调谐谐液体体阻尼尼器（（TLD）；（3）设置置黏弹弹式阻阻尼器器（VED）。107远大天天空城城市J220曾经考考虑的的阻尼尼器形形式：：1081091101111124、几栋栋300m以上超超高层层建筑筑的顶顶点水水平加速度度比较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)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、长沙沙远大大J30舒适度度验算算本工程程标准准层平平面尺尺寸为为24××24m,共30层，层层高3300mm,总高度度99m。重现现期为为10年的风风压为为0.25kN/m2，B类粗糙糙度。。114115116阻尼比GB50009-2012JGJ99-98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顺风向向顶点点水平平加速速度（（m/s2)117阻尼比GB50009-2012JGJ99-98日本AIJ2004加拿大NBC20050.01000.01250.01500.01750.02000.2520.2280.2100.1950.1830.5520.4930.4500.4170.3900.3960.3550.3240.3000.2800.4710.4220.3850.3560.333横风向向顶点点水平平加速速度（（m/s2)118（九））大跨跨楼盖盖要进进行舒舒适度度验算算楼盖和和人行行天桥桥上的的人行行荷载载和有有节奏奏的运运动有有可能能使人人产生生不舒舒适的的感觉觉。人人行激激励的的荷载载频率率在1.5Hz～9Hz范围内内，常常用的的钢-混凝土土组合合楼盖盖的自自振频频率为为3～8Hz，容易易产生生共振振。1、楼盖盖上静静力荷荷载与与动力力荷载载的差差别119●钢筋混混凝土土楼盖盖结构构竖向向频率率不宜宜小于于3Hz，竖向向振动动加速速度不不应超超过下下表：：楼盖竖竖向振振动加加速度度限值值表表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商场及室内连廊0.220.15●楼盖结结构自自振频频率为为2Hz—4Hz时，峰值系数限限值可可按线线性插插值法法选取取。2、《高规》对楼盖盖舒适适度的的要求求1201）简化化计算算法：：可用于于初步步设计计阶段段对楼楼板体体系振振动的的估算算。2）有限限元分分析法法（1）模态态分析析：通过模模态分分析可可以得得到楼楼板体体系各各阶主主要模模态的的特性性。（2）稳态态分析析：通过稳稳态分分析可可以楼楼板体体系任任意位位置的的自振振频率率，从从而判判断楼楼板体体系的的不利利振动动位置置。（3）时程程分析析：求位移移、速速度、、加速速度随随时间间变化化而改改变的的状态态。3、楼盖盖振动动舒适适度的的分析析方法法1214、某大大跨楼楼盖舒舒适度度加固固改造造实例例某五层层建筑筑，钢钢框架架结构构，建建筑总总高度度26m，1～5层层高高均为为5.2m，结构构布置置如图图1所示。。图1结构平平面布布置图图1）基本本情况况122框架柱柱截面面尺寸寸均为为φ400××16，外侧侧框架架梁和和框架架柱刚刚接，，楼层层梁和和柱铰铰接，，次梁梁间距距1.2m，次梁梁和主主梁铰铰接。。其中中，6m跨度的的框架架梁采采用H600××200××11×17，10.8m跨度的的框架架梁选选用H700××300××13×24，次梁梁选用用H198××99×4.5×7，钢材材均采采用Q235B。楼板板采用用开口口式压压型钢钢板+混凝土土的组组合楼楼板，，楼板板混凝凝土强强度等等级为为C30，组合合楼板