超高层建筑若干结构新技术应用研究

超高层建筑若干结构新技术应用研究第一页，共62页。内容（1）技术应用背景（2）外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙（3）剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系（4）钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁（5）超高层消防水池TMD减震装置第二页，共62页。1.技术应用背景

广州珠江新城F2-4地块，总建筑面积42万m2，由三个塔楼和一个裙楼组成。地下室4层，裙房6层；北塔46层206米，南塔55层200米，西塔16层65米。

其中，南北塔采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构。基础采用天然岩基上的柱（墙）下扩展基础，基底持力层为中、微风化细砂岩。考虑到后期改造的可能，基础按结构高度为230m设计。工程概述：第三页，共62页。1.技术应用背景

本工程南塔由于功能的变化，结构设计经历了几个过程：1）原设计高度为200米。2）施工至裙房顶板时，建筑使用功能变化，结构高度要求提高至230m。3）裙房施工过程中，由于顶部酒店大堂层高调整为50m，结构高度提高至250m。4）由于消防要求，须在核心筒屋顶增加消防水池，消防水池重量约1875吨，相应结构高度提高至280m。技术应用背景：第四页，共62页。1.技术应用背景按普通框架-核心筒剪力墙结构进行增高后，存在以下问题：结构的刚度不足，结构刚重比小于1.4限值。竖向荷载增加，底部楼层核心筒剪力墙轴压比不满足规范要求。结构的基地剪力变大。基础及竖向构件承载力不足。1875吨大质量消防水池在280m高度处，会产生较明显的鞭梢效应。顶部50m高酒店大堂，施工难度较大。设计技术难点：第五页，共62页。1.技术应用背景减轻上部部分结构自重，减轻基础及底部楼层竖向构件的负担，减小底部补强加固的范围。改变结构形式，采用钢结构体系，提高结构刚度，同时提高结构的侧向变形能力。利用屋顶消防水池设置TMD减震措施，降低鞭梢效应，并利用屋面水池的减震作用，降低结构的侧向整体变形。提高结构的刚重比，降低结构基底剪力。解决方案：第六页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究从结构的32层以上，核心筒采用外包钢板与钢管混凝土的空实剪力墙体系。钢管柱与钢板围闭区域内局部浇注混凝土的组合构件形成剪力墙。第七页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究外包钢板与钢管混凝土的平面布置：第八页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究第九页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究钢-混凝土组合剪力墙

第十页，共62页。外包钢板与钢管混凝土的空实剪力墙构造：2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究第十一页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究外包钢板与钢管混凝土的空实剪力墙构造：第十二页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究钢板剪力墙与混凝土墙的连接构造：第十三页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究普通剪力墙结构平面空实组合剪力墙结构平面空实剪力墙与普通剪力墙动力特性对比：

普通剪力墙空实组合剪力墙空实组合剪力墙/普通剪力墙-1质量（kN）-8%（节省约20900t）第一周期7.1576.8873.8%第二周期6.6196.3713.7%第三周期3.1373.0991.2%结构质量和周期对比第十四页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究空实剪力墙比普通剪力墙的基底剪力约小10%，32层以上，结构楼层剪力降低较明显。空实剪力墙与普通剪力墙整体结果对比：楼层剪力第十五页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

空实剪力墙与普通剪力墙的剪重比基本一致。空实剪力墙与普通剪力墙整体结果对比：剪重比第十六页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

除200m以上，空实剪力墙比普通剪力墙的层间位移角减小3%。空实剪力墙与普通剪力墙整体结果对比：风荷载下层间位移角第十七页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

32层以上，空实剪力墙比普通剪力墙的层间位移角小，约为7%-9%。空实剪力墙与普通剪力墙整体结果对比：地震层间位移角第十八页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

结论：32层以上核心筒采用空实剪力墙核心筒，比采用普通剪力墙的相同高度结构，重量可减轻20900t，与原230m高度结构重量基本接近，原基础设计基本能满足结构增高的需要，避免核心筒基础补强，减少了底部补强加固的楼层范围。空实剪力墙较普通剪力墙刚度有所提高，解决结构增高后，刚重比不满足规范要求的难题，避免核心筒底部中震拉力较大。3.风荷载下，结构的楼层剪力和层间位移角比较接近；地震作用下，结构的楼层剪力和层间位移角降低较为明显。4.结构基底剪力减小，有利提高结构的抗震性能。第十九页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙设计轴压比

——钢-混凝土组合剪力墙轴压比——墙肢重力荷载代表值作用下轴向压力设计值；——混凝土抗压强度设计值；——钢-混凝土组合剪力墙中的混凝土部分面积；——钢-混凝土组合剪力墙中的钢板钢管的抗压强度设计值；——

钢-混凝土组合剪力墙中的钢板钢管的水平截面积和。第二十页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙设计2.抗剪承载力

——钢-混凝土组合剪力墙中腹板部分的抗剪承载力

——钢-混凝土组合剪力墙中混凝土端部钢管混凝土柱的抗剪承载力第二十一页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙设计3.压弯承载力

——正截面受弯承载力，计算方法与普通剪力墙相同，端部钢管面积计入剪力墙端部钢筋面积。按现行国家标准JGJ3有关公式计算，计算公式中用代替。地震组合时，尚应考虑抗震承载力调整系数RE，由于墙肢中部钢板较薄，且局部未浇灌混凝土，故不考虑其对抗弯承载力的贡献。第二十二页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究

外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙设计4.计算模拟

由于通用计算程序无法直接建立钢板墙单元，故中部钢板剪力墙采用钢管支撑等刚度模拟，非浇灌混凝土的钢板墙采用深连梁方式模拟的计算方法。具体操作思路：首先模型中仅考虑浇灌混凝土部分的钢管混凝土柱承担竖向荷载，非浇灌混凝土部分钢板墙采用深梁方式模拟，不考虑侧向荷载，初步确定核心筒内钢管柱截面，确保其在竖向荷载作用下满足竖向构件轴压比要求；然后在模型中添加支撑，同时考虑风荷载、地震作用，确保结构整体的层间位移角等满足规范要求。第二十三页，共62页。2.外包钢板与钢管混凝土的空实剪力墙研究1.方钢管成排布置，内灌注混凝土；外包双钢板_混凝土组合剪力墙通过钢板分隔，局部分隔灌注混凝土，增加钢板平面外刚度，有很好的稳定作用。2.利用外包钢板对混凝土的套箍作用，提高混凝土抗压能力，同时外包钢板参与抗剪，使结构抗剪能力大大提高。3.混凝土外包钢材，延性好，不易开裂，能提高结构的侧向变形能力。4.减少混凝土的用量，减轻结构自重，降低结构的基底剪力，提高结构刚重比。5.直接采用外包钢板作为施工模板，施工速度快，同时解决50m高空酒店大堂的施工难题。6.钢构件可以标准化设计，在工厂完成焊接加工，现场完成装配及连接，符合建筑装配式施工发展的潮流，建造速度快，节约劳动力并可提高建筑质量。。技术创新点：第二十四页，共62页。2.外包双钢板_混凝土空实组合剪力墙研究现场施工图片：第二十五页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究

南塔、北塔塔楼的层高4.2米，连接核心筒与外框柱之间的框架梁，跨度约为11m，由于建筑净空的需要，框架梁的截面高度限制为450-500mm，按普通的框架-核心筒体系，型钢宽扁框架梁设计难以满足结构整体刚度及局部构件承载力的要求。设计技术难点：第二十六页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究采用一种新型的高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系。解决方案：第二十七页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究塔楼标准层模型剪力墙上增设了环状的墙帽，墙帽的内端内置于剪力墙筒体内，外延向外延伸了1.5～2.5m，框架梁和次梁与墙帽外端部连接，故可以有效地缩短梁的跨度，使得梁的截面高度也能得以减小，同时，由于墙帽的配筋深入剪力墙筒体内，并围成闭合的环状，然后与剪力墙一体浇筑成型。墙帽模型：第二十八页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究墙帽构造：第二十九页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究有墙帽结构主梁截面为1350*450mm，无墙帽结构主梁截面为600*800mm，两种截面面积相差26%，有墙帽比无墙帽整体钢筋用量小约7.2%。无墙帽平面配筋有墙帽平面配筋无墙帽与有墙帽配筋结果对比：

单位钢筋计算用量kg/㎡单位砼计算用量m³/㎡有墙帽1280.41无墙帽1380.39第三十页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究X向有墙帽比无墙帽的楼层剪力略大，最大差别不超过1%，Y向无墙帽比有墙帽的楼层剪力略大1%。无墙帽与有墙帽整体结果对比：楼层剪力第三十一页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究有墙帽比无墙帽的层间位移角十分接近。1）有墙帽结构比无墙帽结构的主梁高度和用钢量明显减小，有较好的经济性。2）结构的楼层剪力和变形比较接近，说明有墙帽结构与无墙帽结构刚度接近。无墙帽与有墙帽整体结果对比：层间位移角第三十二页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究1.本技术增设的墙帽，能够缩短梁跨，因而减小梁的截面高度，增加楼层净空。墙帽配筋深入剪力墙筒体内，并与剪力墙一体浇筑成型，能够提高梁刚度，也有助于加强剪力墙的刚度，进一步提高其抗剪能力，有助于提高结构整体刚度。墙帽增大了剪力墙筒体与框架梁的接触面积，能够改善剪力墙筒体的受力，消除框架梁与剪力墙筒体相交节点应力集中的现象，这种应力集中的现象在剪力墙筒体转角处尤为明显。降低因核心筒与外框柱之间竖向变形不同而导致框架梁与剪力墙筒体相交节点超筋的情况。技术创新点：第三十三页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究现场施工图片：第三十四页，共62页。3.高层建筑剪力墙筒体外伸墙帽建筑结构体系研究现场施工图片：第三十五页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究混凝土组合U型梁平面布置：第三十六页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究

本工程多处出现大跨度、大荷载梁，最大跨度28m，其上有1.5m覆土；因楼层净高严格受控，梁截面高度不得超过1000mm，普通混凝土梁及常规的型钢组合梁难以满足设计要求。设计技术难点：解决方案：新型的钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁第三十七页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究在支座内设“”型钢与U型钢焊接，内填混凝土，在跨中处设置空心钢管。混凝土组合U型梁构造：第三十八页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究混凝土组合U型梁构造：第三十九页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究U形外包钢-混凝土组合梁截面构造示意图1—底钢板；2—侧钢板；3—外翼缘钢板；4—梁面纵筋；5—梁面横向分布筋；6—翼板；7*—梁底纵筋；8*—底部抗剪栓钉；9*—横向加劲肋；10*—拉条；11*—外翼缘抗剪栓钉；12*—板托；13*—抗剪钢筋；14*—中部腹板；15*—上翼缘钢板；16*—上翼缘抗剪栓钉。（带“*”者为可选项）第四十页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究

中震工况下，除跨中梁面上层柱底处局部出现375MPa的应力外其它部位的应力均小于80MPa。远远小于Q345型钢的设计应力值。混凝土组合U型梁有限元分析：局部应力375MPa其他位置应力很小第四十一页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究

受拉损伤：跨中梁面上层柱底、跨中梁底部基本无受压损伤。混凝土组合U型梁有限元分析：U型梁适用于大跨度、大荷载的梁设计，1m高U型梁的跨度可达到30米。第四十二页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究现场施工图片：第四十三页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究现场施工图片：第四十四页，共62页。4.钢箱组件及由其组成的钢箱—混凝土组合U型梁研究（1）U型型钢直接作为施工支承模板，在施工过程中无需另外搭建施工模板和拆除模板，有效缩短工期。（2）两端支座处设置型型钢，可提高梁支座处的抗弯承载力，同时减小支座处的负筋的配筋面积。（3）U型梁顶部型钢可伸入楼板内，型钢外露的部分减小，与现有普通钢箱梁相比，既有利于支座部分的受力，又有效增大楼层净空，防腐防火处理面积减小，节省防腐防火成本，提高了经济性。（4）U型型钢可出任意钢牛腿与次梁连接，因此施工方便。（5）跨中圆管内中空，不需灌注混凝土，在不降低梁的刚度与承载力的前提下，约可减小25%的自重。技术创新点：第四十五页，共62页。5.超高层消防水池TMD减震装置研究水池TMD减震装置

南塔1875吨大质量消防水池在250m高度处会产生的较大的地震力，会产生明显的鞭梢效应，同时导致结构底部剪力墙在中震下出现较大的拉力。设计技术难点：解决方案：采用一种新型大质量消防水池TMD减震装置。第四十六页，共62页。TMD减震系统，一般是通过弹簧和阻尼系统将质量块连接在结构上，无其他支撑质量调谐阻尼器（TMD），由质块，弹簧与阻尼系统组成。一般将其振动频率调整至主结构频率附近，改变结构共振特性，以达到减振作用。最初是由FRahm发明，名为“动力振动吸振器”。桥塔上抗风涡激用摆动式阻尼TMD5.超高层消防水池TMD减震装置研究第四十七页，共62页。首先增加TMD后结构的动力特性发生变化，致使输入能发生变化。在输入能一定的情况下，TMD的刚度比结构小，通常是整个系统的薄弱部位，致使振动过程中，TMD分配的能量较多，大大减小了流向主体结构的能量。当TMD存在阻尼时，TMD将消耗能量，将这些能量转化成热能，应变能等等。因此，TMD最终减振效果取决于输入能的变化，分配的能量，以及本身的阻尼耗能能力。用TMD减振消能是一种经济、实用，又不影响美观的方法。TMD减震原理5.超高层消防水池TMD减震装置研究第四十八页，共62页。质量比:一般来说TMD的质量越大减震效果越好.质量比的常选用范围为:0.01

到0.1但为了不给施工和设计带来大的困难一般在0.01-0.04之间

频率比:0.98-0.86

阻尼比:0.08-0.20

橡胶隔震支座侧向线刚度为909kN/m，竖向刚度线为2,097,000kN/m；速度型粘滞阻尼器线刚度为600,000kN/m，阻尼系数为600kN/（m/s）,阻尼指数为0.8。TMD最佳参数的常用范围本项目设计参数5.超高层消防水池TMD减震装置研究第四十九页，共62页。5.超高层消防水池TMD减震装置研究

大质量消防水池底部加橡胶隔震支座和水平位移限值装置，隔震支座数量为12个；沿水池壁周边设置速度型粘滞阻尼器，数量16个，共3层，底部4个，布置在水池中部4个方向；中部8个，布置在水池中部与角部；顶部4个，布置在水池4个角部。阻尼器设备相连的梁柱的抗震等级需提高一级。TMD减震装置计算模型：第五十页，共62页。5.超高层消防水池TMD减震装置研究风作用结构基底剪力和层间位移角对比顶点加速度对比

在风荷载作用下，结构的减震效果不明显，但对结构舒适度控制有一定的效果。不加TMD时，舒适度不满足规范0.25m/s2的要求，加TMD后，舒适度满足规范要求。TMD减震计算结果第五十一页，共62页。5.超高层消防水池TMD减震装置研究基底剪力计算结果（kN）层间位移角