高層溷合結構設計與施工1004[共100頁]

1、1,高層混合結構設計與施工,湖南大學 沈蒲生,2,一、高層混合結構的定義,高層混合結構是指由鋼框架或型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土筒體（或剪力墻）所組成的高層建筑結構。,3,4,5,6,二、高層混合結構的特點,抗側剛度比鋼結構大，變形比鋼結構??； 用鋼量比鋼結構省，造價比鋼結構低； 結構的耐久性和耐火性比鋼結構好； 延性比混凝土結構好，自重比混凝土結構輕； 施工速度比混凝土結構快； 結構所占面積比混凝土結構少。,上海靜安希爾頓酒店方案比較3：,43層，143.6m高。 鋼筋混凝土 核心筒，外 鋼框架結構。,7,8,上海靜安希爾頓酒店三種結構方案技術經濟分析,9,三、高層混合結構的工程應用,國外：

2、研究工作始于上世紀60年代。 工程應用始于上世紀70年代。代表性建筑有： 美國芝加哥 Gateway Building，36層，137m。 法國巴黎 Main Mantparnasse 大樓，64層。 英國倫敦 The National West Minster Bank Building . 捷克 Guezla大樓，36層。 日本神奈縣海老名塔樓，25層。 新加坡 Overseas Union Building ，64層。,法國 Anaconda Tower，40層。,10,美國芝加哥擬建的米格林-拜特勒大廈，483m。,11,12,國內： 研究工作開始于上世紀80年代。 工程應用開始于上世

3、紀90年代。代表性建筑有： 北京香格里拉飯店，82.75m 上海希爾頓酒店，143.6m 大連遠洋大廈，200.8m 深圳賽格廣場，291.6m 上海金茂大廈，418m 上海環(huán)球金融中心大廈，492m,13,上海環(huán)球金融中心,上海金茂大廈,上海金茂大廈平面圖和剖面圖,14,15,塔頂高450m，天線頂高610m。,新型高層混合結構：,16,地上103層，高432m，外筒為鋼網筒結構，內筒為混凝土結構?？傆娩摿考s4萬噸。,四、高層混合結構設計時需要 重視的問題,1、抗震性能問題 高層混合結構在意大利有成功的經驗，但是，在美國和日本的大地震中有損傷和破壞的紀錄，如： 1994年3月27日，美國阿拉

4、斯加大地震（8.3-8.6級）中，多棟6-14層房屋出現混凝土局部壓碎，個別柱箍筋拉斷，主筋和型鋼屈曲，型鋼外鼓等現象。 1995年1月17日，日本阪神地震（7.2級）中，多棟6-11層的混合結構房屋的格構式型鋼混凝土柱的型鋼骨架發(fā)生變形和外鼓等現象。 因此，他們認為高層混合結構房屋的高度不宜超過150m。,17,18,2、由于荷載和混凝土收縮徐變等因 素影響產生的豎向變形差問題,鋼柱,鋼柱,鋼筋混凝土筒,鋼梁,結構因豎向變形產生的內力,19,鋼框架與鋼筋混凝土核心筒的質量、 剛度差別很大，自振周期不同，協同 工作是一個問題。,3、鋼框架與核心筒的協同工作問題,20,五、高層混合結構的抗震性能

5、,我國的部分試驗研究： 龔炳年等：23層混合結構模型動力特性試驗。 李國強等：25層滬東造船廠綜合技術中心大樓結構模型振動臺試驗。 呂西林等：60層上海世茂國際廣場大廈、31層北京LG大廈結構模型振動臺試驗。 徐培福等：30層型鋼框架-核心筒結構模型擬靜力試驗。 我們：層模型低周反復荷載試驗和13層框支框架-核心筒模型擬動力試驗。,21,1、高層混合結構層平面模型低 周反復荷載試驗,墻為鋼筋混凝土墻；柱分鋼筋混凝土柱、型鋼柱和型鋼混凝土柱三種類型，每種類型2個試件,共6個試件。,22,層模型加載裝置,23,層模型實驗室加載情況,24,層模型不分縫剪力墻破壞情況,25,層模型分縫剪力墻破壞情況,

6、26,不分縫墻鋼筋混凝土柱荷載-位移滯回曲線,分縫墻鋼筋混凝土柱荷載-位移滯回曲線,不分縫墻型鋼柱荷載-位移滯回曲線,分縫墻型鋼柱荷載-位移滯回曲線,27,不分縫墻勁性混凝土柱荷載-位移滯回曲線,分縫墻勁性混凝土柱荷載-位移滯回曲線,28,試驗結果表明： （1）所有試件的延性都比較好，滯回曲線比 較豐滿?？蚣苤鶠樾弯撝托弯摶炷?柱時的延性比鋼筋混凝土柱時好。 （2）結構破壞時，墻、柱、梁的強度都能較 充分的利用。 （3）剪力墻分縫對結構的延性有明顯的改 善。,29,2、外框支框筒-內核心筒高層混合結構模型的擬動力試驗,30,513層層高300mm,主體結構為13層組合筒中筒結構模型，模型的

7、縮比為1/10（平面尺寸18001800，高4750）,14層 層高450mm,現場模型照片,31,試件加載圖,32,模型裂縫圖,33,樓面裂縫圖,34,底層核心筒破壞情況,第4層核心筒破壞情況,外框筒第9層破壞情況,外框筒轉換層破壞情況,35,第5、13層位移時程曲線試驗與計算對比,第5、13層位移時程曲線試驗與計算對比,36,層間位移角 、頂點最大相對位移 計算與試驗比較,37,試驗結果表明： （1）核心筒是抵抗水平剪力的主要構件。 （2）連梁出現交叉裂縫，破壞最明顯。 （3）結構具有良好的抗震性能，7度罕遇地震 時，外框筒基本處于彈性狀態(tài)，8、9度 罕遇地震時，內、外筒混凝土裂縫開展 較

8、嚴重。 （4）鋼管混凝土柱承載力高，抗裂性和延性 都很好，直至結構破壞時一直保持完好。,38,3、滬東造船廠綜合技術中心大樓結 構模型振動臺試驗,共25層，振動臺臺面輸入三種地震波：上海市人工地震波； El centro 波；San Fernando 波。,39,隨著振型階數的增加，實測自振頻率加大，阻尼比減少。,40,試驗結果表明： （1）小震階段模型的頂點位移為1/600 -1/1000，大 震階段為1/45，說明模型有較好的延性。 （2）結構破壞主要集中于混凝土核心筒，表現為底層核 心筒混凝土受壓破壞、暗柱和角柱縱筋壓屈，而鋼 框架處于彈性階段。結構整體破壞屬于彎曲型。 （3）鋼框架梁與

9、混凝土核心筒連接處受力復雜，預埋件 與混凝土的粘結易遭破壞，核心筒角部節(jié)點區(qū)混凝 土破壞嚴重。 （4）只要設計合理，根據現行建筑抗震設計規(guī)范設 計的結構，能滿足“小震不壞，中震可修，大震不 倒”的要求。,高層混合結構好的抗震性能是建立在以下的基礎之上： 1、結構的平面布置應盡可能規(guī)整； 2、結構的整體性要好； 3、型鋼混凝土構件采用實腹式型鋼配筋； 4、節(jié)點區(qū)箍筋要加密，梁與柱、梁與 墻的連接要可靠。,41,意大利的經驗是： 樓面梁多采用混凝土梁； 樓面梁與混凝土核心筒或剪力墻的 連接多采用剛性連接； 在鋼框架上設置斜向支撐； 基礎多采用樁基礎。,42,43,44,45,日本不同年代型鋼混凝土

10、梁柱配筋形式變化,46,47,六、高層混合結構的豎向變形 差分析,不利因素： 豎向荷載在各豎向構件中的壓縮量不等。 混凝土會發(fā)生收縮、徐變變形，鋼材不會。 溫度。 有利因素： 樓面標高測量控制。 樓面高差混凝土找平。 鋼筋對混凝土收縮、徐變變形會產生約束。 混凝土核心筒超前施工。,48,（一）結構自重等豎向荷載作用下考慮施工 過程影響的豎向變形差分析,49,考慮施工過程的特點：結構逐步形成，荷載逐層施加，豎向變形差隨著樓面標高測量控制和混凝土找平而減少，計算較復雜，因此可采用近似加載法計算。,矩陣方程為： K=P 式中，K保持不變，P為上三角矩陣。,50,例題1：,近似解與精確解結果相近，一次

11、解與精確解結果相差較大。,51,豎向荷載下的變形：,S1為第1層豎向構件的最小壓縮量， d1為第1層豎向構件的豎向變形差。由于標高測量控制和樓面找平關系，如果各層層高、梁柱截面以及豎向荷載相同，可近似?。?S4=4S1 d4=4d1,52,（二）考慮豎向荷載和混凝土收縮徐變產 生的豎向變形差實用分析方法, 僅考慮豎向構件在軸力作用下的變形。 筒體應力較小，混凝土徐變?yōu)榫€性徐 變，迭加原理適用。 計算徐變收縮豎向位移時，不考慮水平 構件對相鄰豎向構件變形的約束。,1、基本假定,53,2、鋼筋混凝土軸壓構件分批加載時混凝土徐變 收縮分析的簡化方法,（1）徐變的計算,定義：在荷載保持不變的情況下，變

12、形隨時間推移 繼續(xù)增大的現象。 特點：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數年。,混凝土的徐變與混凝土的材料組成、應力大小、養(yǎng)護情況和加載齡期等許多因素有關，情況較復雜。,54,假定混凝土的應力較小，徐變是線性的，迭加原理適用。根據ACI規(guī)范可得混凝土的徐變應變公式如下：,式中，i、ai、h、ti、分別為第 i 級荷載時的荷載增量以及加載齡期、構件厚度、持荷時間、環(huán)境相對濕度有關的徐變影響系數。當 t 時， ti1。,時刻t的徐變應變:,最終徐變應變:,55,56,（2）收縮的計算,定義：混凝土在空氣中結硬時體積減小的現象。 收縮率：310-4。收縮=凝縮+干縮。 特點：早期快，可延續(xù)12年。,混凝土的收縮

13、與混凝土的組成及配合比，尤其是水灰比；養(yǎng)護條件；使用時的溫度與濕度有關。與荷載的大小無關。,57,式中， 持續(xù)時間影響系數， （潮濕養(yǎng)護）， （蒸汽養(yǎng)護），t 是養(yǎng)護終了以后的天數。,混凝土收縮應變可按下列公式計算：,58,（3）混凝土豎向承重構件收縮、徐變變形的計算,第 i 層豎向構件收縮、徐變由以下幾部分組成：,分析表明，高層混合結構豎向變形差的大小為0.5mm1.0mm/m。其中：由于荷載引起的豎向變形差約占1/3；由于混凝土的收縮、徐變引起的豎向變形差約占2/3。 有些因素和施工措施可以減小豎向變形差，如縱向受力鋼筋和核心筒超前施工等。,59,60,（三） 配筋率影響的計算,混凝土截面

14、最終收縮徐變應變： 式中：,61,（四）混合結構核心筒超前施工的影響,混凝土核心筒超前施工的目的是：使樓面施工到達這一層之前，核心筒由于荷載和混凝土的收縮、徐變產生的變形已經完成了一部分，當樓面施工到這一層時，豎向變形差比不超前施工的小。,62,上海地區(qū)部分混合結構核心筒超前施工情況,核心筒超前施工的層數應根據筒體的承載力、穩(wěn)定和變形計算確定。文獻65介紹了經驗確定法、簡單估算法和整體分析法，可供設計和施工參考。,63,例題2 ：上海環(huán)球金融中心核心筒超前施工分析70,64,混合結構層高3.6m，總高度216m(60層) 。其他情況與例題1相同。 環(huán)境相對濕度40，潮濕養(yǎng)護天數4d，施工速度4

15、 d/層，剪力墻豎向分布鋼筋的配筋率0.2。,例題3：,算例平面圖,65,（1）剪力墻B點的徐變和收縮豎向位移/mm,混凝土豎向收縮、徐變變形量約為0.5mm/m。,66,（2）配筋率和核心筒超前施工的影響,67,例題4：南京紫峰大廈29,墻和柱不考慮施工調整時的豎向變形量約為0.65mm/m。,68,69,（四）減少豎向變形差的措施,材料方面,盡量采用高強度的混凝土，且混凝土必須采取合理的 養(yǎng)護方法。 避免過大的水灰比。 盡量增加骨料的含量，選用彈性模量較大的骨料 。 盡量使用快硬水泥，減少混凝土的徐變。 使用減水劑以增加混凝土的強度，減小混凝土的 徐變和收縮。,70,設計方面,結構平面布置

16、均勻對稱，豎向構件重力荷載下壓應力盡可 能相等或接近 ，控制豎向構件的軸壓比 。 適當增大豎向構件的配筋率 ，且相鄰豎向構件的配筋率應 盡量接近 。 在構件體積不變的前提下，適當增加構件截面的厚度 。 盡量采用剛性節(jié)點。 外鋼框架柱盡量采用鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱 。 設置加強層、水平環(huán)帶、巨型斜向支撐等。,71,施工方面,核心筒應超前外鋼框架施工 。 一般高層建筑超48層，超高 層建筑可超815層。 剛性節(jié)點先鉸接后剛接 ，保證施 工期間構件豎向自由變形。 加強標高測量控制和樓面找平。 調整鋼柱的下料長度 。,正在施工中的上海金茂大廈,72,七、框架與核心筒的協同工作,鋼框架梁柱連接節(jié)點、

17、樓面梁與框架柱和混凝土墻的連接形式： 剛接：整體性好，框架與筒體協同工作好。 鉸接：整體性差，施工方便。 半剛性連接：整體性較差，施工較方便。 通常的做法是：框架梁柱連接采用剛性節(jié)點，樓面梁與框架和混凝土墻連接采用鉸接節(jié)點，從上到下設置幾道外伸桁架將框架與筒體拉接在一起。,（一）加強節(jié)點連接剛性,73,74,75,76,77,24層，層高3.6m，連梁與鋼框架和混凝土核心筒的連接以及鋼框架中鋼梁與鋼柱的連接按剛接、半剛性連接和鉸接三種情況考慮。 類場地土，設防烈度為8度，基本地震加速度為0.15g。,例題5：,78,幾種情況下的側移曲線比較：,79,（二）設置加強層,80,例題6 87 ：,8

18、1,在高層混合結構中設置加強層不只是出于減少結構側向變形的需要考慮，更重要的是出于保證核心筒與外部鋼框架協調工作的工作考慮。,82,83,八、工程設計與施工實例,實例1 上海環(huán)球金融中心70： 地上95層，地下4層，高492m。 建筑面積33萬m2，總用鋼量2.6萬噸。 鋼筋混凝土核心筒，外框架的角柱為型鋼混凝土柱，其他柱為鋼柱。 建筑設計為美國KPF建筑師事務所，結構設計為美國Leslie E. Robertson Associates，華東建筑設計研究院有限公司為設計顧問單位，并完成施工圖設計。,84,85,86,87,88,89,正在施工中的上海環(huán)球金融中心大廈,90,實例2 湖南文化大廈,91,原設計為31層，99.5，鋼筋混凝土結構，塔樓設16層中庭