高層建筑優(yōu)化設(shè)計

1、高層建筑優(yōu)化設(shè)計摘要：。通過將外圍框筒結(jié)構(gòu)改為框撐結(jié)構(gòu)，與內(nèi)筒構(gòu)成框撐核心筒結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)過計算分析，該結(jié)構(gòu)體系可取得較好的抗側(cè)剛度，能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，并能節(jié)約混凝土用量約7000m3，增加建筑使用面積約2000m2。這種結(jié)構(gòu)體系具有減輕自重、提高剛度、擴大建筑空間的優(yōu)點，是超限高層建筑結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟、合理、可行的一種結(jié)構(gòu)體系。關(guān)鍵詞：框撐核心筒結(jié)構(gòu)超限高層受力性能剛度1工程概況1本工程位于重慶市渝中區(qū)的中心地帶，建筑面積約100000m2，由7層裙樓及56層塔樓組成，裙房平面尺寸為81m×54m，塔樓平面尺寸為34m×34m（外包尺寸為37.6m&

2、#215;37.6m），將地下二層按規(guī)范要求的嵌固構(gòu)造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（結(jié)構(gòu)計算高度）。建筑總高度為241.2m（未包括出屋面的電梯，觀景廳及水箱間的高度），核心筒平面尺寸14.6m×14.6m。該結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則、對稱，豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)貫通、無剛度突變（見圖1、2）。該項目地下部分及塔樓筏板基礎(chǔ)建成后停工至今已達三年之久，被市列為“四久工程”。2結(jié)構(gòu)優(yōu)化2004年7月業(yè)主委托我院對該項目進行方案優(yōu)化設(shè)計，要求方案滿足建筑擴大空間、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理并符合超限高層建筑抗震規(guī)范要求。對原設(shè)計單位所作的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，我院提

3、出以下優(yōu)化意見。減少外圍框架柱數(shù)量，增大建筑空間為滿足建筑大空間的功能要求，將原設(shè)計方案中每邊八根柱減少到每邊五根柱，底層柱截面由原設(shè)計的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大為1800mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各層柱分段減小，以滿足軸壓比的要求。優(yōu)化后可以增加建筑使用面積約750m2，并節(jié)約混凝土用量約2700m3。為了彌補結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的不足，在塔樓四角區(qū)設(shè)置“L”型桁架（見圖3），構(gòu)成框架桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置剪力墻核心筒，形成框撐核心筒體系。并且在建筑上將四周的支撐暴露，造型

4、美觀，具有獨特的標志性風格。圖1結(jié)構(gòu)平面示意圖圖2建筑軸側(cè)圖減小核心筒內(nèi)墻墻體厚度經(jīng)過計算分析，芯筒內(nèi)的內(nèi)墻對抗側(cè)剛度貢獻較小，主要承受的豎向荷載是墻體本身的重量，因此可以將內(nèi)墻厚度適當減薄。原設(shè)計方案芯筒內(nèi)墻厚度為800、400、350、250mm，優(yōu)化設(shè)計后改為400、250、200mm。同時將原設(shè)計中芯筒外墻厚度也減少100mm，由此可以節(jié)約混凝土用量約4500m3，增加建筑使用面積約1250m2。其他在滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下，將原設(shè)計方案中窗群梁由500mm×1500mm優(yōu)化為500mm×700mm，塔樓井字梁由250mm×450mm

5、優(yōu)化為200mm×400mm。3結(jié)構(gòu)整體分析3.1設(shè)計基本參數(shù)設(shè)計基準期50年，使用年限100年，安全等級為一級，地基設(shè)計等級為甲級。本工程抗震設(shè)防烈度為6度，地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，建筑抗震設(shè)防類別為兩類。由于本工程特別重要，現(xiàn)將建筑設(shè)防類別提高為乙類。由于本工程建筑場地為I類場地，仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。該工程為B級高度建筑，其結(jié)構(gòu)抗震等級剪力墻和框架柱均為二級。場地的特征周期，水平地震影響系數(shù)最大值，放大系數(shù)?；撅L壓為0.45kN/m2，基本風壓增大系數(shù)取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙為C類，風壓體形系數(shù)、

6、風壓高度變化系數(shù)及風振系數(shù)均按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001的規(guī)定采用，樓面活荷載標準值按荷載規(guī)范取值。3.2主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面表1核心筒剪力墻尺寸樓層心筒外墻厚心筒內(nèi)墻厚-2F4F800400/250/2005F21F700400/250/20022F32F600350/250/20033F40F500350/250/20041F53F400300/20053F以上400300/200表2框架柱截面尺寸樓層角柱中柱框架主梁-2F4F1800×18001700×1700500×7005F22F1800×180017

7、00×1600500×70023F31F1700×17001700×1400500×70032F39F1600×16001700×1200500×70040F52F1400×14001700×1000500×70052F以上1200×12001700×800500×700表3混凝土強度等級樓層核心筒墻框架柱梁、板-2F24FC60C60C3025

8、F33FC50C50C3034F42FC40C40C3042F以上C30C30C303.3計算模型與程序根據(jù)本工程結(jié)果的特殊性，結(jié)構(gòu)整體分析采用SATWE和TAT兩種軟件分析計算。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并充分利用已經(jīng)施工完成的基礎(chǔ)，根據(jù)專家組的建議，分別對六柱方案、五柱方案和四柱方案三種框撐核心筒體系進行計算分析。綜合分析以上三種方案，專家組一致推薦第二方案，即五柱方案。3.4主要計算結(jié)果五柱方案表4表6為SATWE和TAT主要計算結(jié)果的對比分析。應(yīng)說明的是，采用SATWE程序計算，可將樓板按彈性樓板考慮，消除了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系按剛性樓板假定計算帶來的誤差。(a)平面圖(b)立面圖圖3五柱方案表4模態(tài)

9、分析計算結(jié)果分析軟件SATWETAT備注結(jié)構(gòu)總質(zhì)量（t）147815.625146626.9第1周期（s）5.67585.8466第2周期（s）5.56075.7573第3周期（s）2.30902.50850.8T1第4周期（s）1.40151.4830第5周期（s）1.38401.4739第6周期（s）0.81000.8773第7周期（s）0.65420.6842第8周期（s）0.61940.6466第9周期（s）0.45350.4717注：表中只列出了前9個周期。表5抗風計算結(jié)果分析軟件SATWETAT備注x向最大層間位移1/11631/1033滿足規(guī)范要求y向最大層間位移1/11271/

10、1012滿足規(guī)范要求x向頂點位移163.25181.97滿足規(guī)范要求y向頂點位移170.03185.73滿足規(guī)范要求x向總剪力（kN）12813.612999.04y向總剪力12796.312982.13x向總傾覆力矩（kN·m）18609221896806.4y向總傾覆力矩（kN·m）18605821896478.6表6抗震計算結(jié)果分析軟件SATWETAT備注x向最大層間位移1/18361/1969滿足規(guī)范要求y向最大層間位移1/18041/1968滿足規(guī)范要求x向頂點位移102.0190.62滿足規(guī)范要求y向頂點位移105.0191.26滿足規(guī)范要求x向

11、總剪力（kN）8410.211730.15y向總剪力8491.411730.15x向總傾覆力矩（kN·m）11247861565804.38y向總傾覆力矩（kN·m）11125821536540.25考慮第I振型，并忽略阻尼的有利影響，計算出結(jié)構(gòu)頂點順風和橫風最大加速度：，均滿足高規(guī)規(guī)定的小于0.15m/s2的要求。六柱方案最大軸壓比0.66結(jié)構(gòu)頂層最大加速度：，。內(nèi)筒尺寸不變，外框架柱底層面積率為原設(shè)計方案（“筒中筒”方案）的71.4。(a)平面圖(b)立面圖圖4六柱方案四柱方案(a)平面圖(b)立面圖圖5四柱方案最大軸壓比0.69結(jié)構(gòu)頂層最大加速度：，內(nèi)

12、筒尺寸不變，外框架柱底層面積率為原設(shè)計方案（“筒中筒”方案）的76.0，需設(shè)置三個加強層。計算結(jié)果對比分析表7計算結(jié)果對比分析表T/h備注筒中筒體系6.29511/8170.75原設(shè)計方案框撐核心筒結(jié)構(gòu)體系六柱方案5.46181/14330.660.05890四柱方案5.77561/12370.690.13840有加強層五柱方案5.67581/11270.650.09270摘要：。通過將外圍框筒結(jié)構(gòu)改為框撐結(jié)構(gòu)，與內(nèi)筒構(gòu)成框撐核心筒結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)過計算分析，該結(jié)構(gòu)體系可取得較好的抗側(cè)剛度，能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，并能節(jié)約混凝土用量約7000m3，增加建筑使用面積約2000m2。這種結(jié)構(gòu)體系具有減輕

13、自重、提高剛度、擴大建筑空間的優(yōu)點，是超限高層建筑結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟、合理、可行的一種結(jié)構(gòu)體系。關(guān)鍵詞：框撐核心筒結(jié)構(gòu)超限高層受力性能剛度1工程概況1本工程位于重慶市渝中區(qū)的中心地帶，建筑面積約100000m2，由7層裙樓及56層塔樓組成，裙房平面尺寸為81m×54m，塔樓平面尺寸為34m×34m（外包尺寸為37.6m×37.6m），將地下二層按規(guī)范要求的嵌固構(gòu)造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（結(jié)構(gòu)計算高度）。建筑總高度為241.2m（未包括出屋面的電梯，觀景廳及水箱間的高度），核心筒平面尺寸14.6m&am

14、p;#215;14.6m。該結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則、對稱，豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)貫通、無剛度突變（見圖1、2）。該項目地下部分及塔樓筏板基礎(chǔ)建成后停工至今已達三年之久，被市列為“四久工程”。2結(jié)構(gòu)優(yōu)化2004年7月業(yè)主委托我院對該項目進行方案優(yōu)化設(shè)計，要求方案滿足建筑擴大空間、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理并符合超限高層建筑抗震規(guī)范要求。對原設(shè)計單位所作的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，我院提出以下優(yōu)化意見。減少外圍框架柱數(shù)量，增大建筑空間為滿足建筑大空間的功能要求，將原設(shè)計方案中每邊八根柱減少到每邊五根柱，底層柱截面由原設(shè)計的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大為180

15、0mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各層柱分段減小，以滿足軸壓比的要求。優(yōu)化后可以增加建筑使用面積約750m2，并節(jié)約混凝土用量約2700m3。為了彌補結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的不足，在塔樓四角區(qū)設(shè)置“L”型桁架（見圖3），構(gòu)成框架桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置剪力墻核心筒，形成框撐核心筒體系。并且在建筑上將四周的支撐暴露，造型美觀，具有獨特的標志性風格。圖1結(jié)構(gòu)平面示意圖圖2建筑軸側(cè)圖減小核心筒內(nèi)墻墻體厚度經(jīng)過計算分析，芯筒內(nèi)的內(nèi)墻對抗側(cè)剛度貢獻較小，主要承受的豎向荷載是墻體本身的重量，因此可以將內(nèi)墻厚度適當減薄。原設(shè)計方案芯筒內(nèi)墻厚度為800、400、350、

16、250mm，優(yōu)化設(shè)計后改為400、250、200mm。同時將原設(shè)計中芯筒外墻厚度也減少100mm，由此可以節(jié)約混凝土用量約4500m3，增加建筑使用面積約1250m2。其他在滿足結(jié)構(gòu)安全的情況下，將原設(shè)計方案中窗群梁由500mm×1500mm優(yōu)化為500mm×700mm，塔樓井字梁由250mm×450mm優(yōu)化為200mm×400mm。3結(jié)構(gòu)整體分析3.1設(shè)計基本參數(shù)設(shè)計基準期50年，使用年限100年，安全等級為一級，地基設(shè)計等級為甲級。本工程抗震設(shè)防烈度為6度，地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，建筑抗震設(shè)防

17、類別為兩類。由于本工程特別重要，現(xiàn)將建筑設(shè)防類別提高為乙類。由于本工程建筑場地為I類場地，仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。該工程為B級高度建筑，其結(jié)構(gòu)抗震等級剪力墻和框架柱均為二級。場地的特征周期，水平地震影響系數(shù)最大值，放大系數(shù)?；撅L壓為0.45kN/m2，基本風壓增大系數(shù)取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙為C類，風壓體形系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)及風振系數(shù)均按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2001的規(guī)定采用，樓面活荷載標準值按荷載規(guī)范取值。3.2主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面表1核心筒剪力墻尺寸樓層心筒外墻厚心筒內(nèi)墻厚-2F4F800400/250/2005F21F700400

18、/250/20022F32F600350/250/20033F40F500350/250/20041F53F400300/20053F以上400300/200表2框架柱截面尺寸樓層角柱中柱框架主梁-2F4F1800×18001700×1700500×7005F22F1800×18001700×1600500×70023F31F1700×17001700×1400500×70032F39F1600×16001700&a

19、mp;#215;1200500×70040F52F1400×14001700×1000500×70052F以上1200×12001700×800500×700表3混凝土強度等級樓層核心筒墻框架柱梁、板-2F24FC60C60C3025F33FC50C50C3034F42FC40C40C3042F以上C30C30C303.3計算模型與程序根據(jù)本工程結(jié)果的特殊性，結(jié)構(gòu)整體分析采用SATWE和TAT兩種軟件分析計算。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并充分利用已經(jīng)施工完成的基礎(chǔ)，根據(jù)專家組的

20、建議，分別對六柱方案、五柱方案和四柱方案三種框撐核心筒體系進行計算分析。綜合分析以上三種方案，專家組一致推薦第二方案，即五柱方案。3.4主要計算結(jié)果五柱方案表4表6為SATWE和TAT主要計算結(jié)果的對比分析。應(yīng)說明的是，采用SATWE程序計算，可將樓板按彈性樓板考慮，消除了復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系按剛性樓板假定計算帶來的誤差。(a)平面圖(b)立面圖圖3五柱方案表4模態(tài)分析計算結(jié)果分析軟件SATWETAT備注結(jié)構(gòu)總質(zhì)量（t）147815.625146626.9第1周期（s）5.67585.8466第2周期（s）5.56075.7573第3周期（s）2.30902.50850.8T1第4周期（s）1.40151.4830第5周期（s）1.38401.4739第6周期（s）0.81000.8773第7周期（s）0.65420.6842第8周期（s）0.61940.6466第9周期（s）0.45350.4717注：表中只列出了前9個周期。表5抗風計算結(jié)果分析軟件SATWETAT備注x向最大層間位移1/11631/1033滿足規(guī)范要求y向最大層間位移1/11271/1012滿足規(guī)范要求x向頂點位移163.25181.97滿足規(guī)范要求y向頂點位移170.03185.73滿足規(guī)范要求x向總剪力（kN）12813.612999.04y向總剪力12796