[同濟(jì)大學(xué)]超高層建筑關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（共67頁）

1、超高層建筑關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)趙昕 高工 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司目錄1.結(jié)構(gòu)高寬比2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)3.巨型框架柱設(shè)計(jì)1.結(jié)構(gòu)高寬比超高層建筑關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1.結(jié)構(gòu)高寬比1.1概念關(guān)于結(jié)構(gòu)整體高寬比的討論：高度和高寬比是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，也是決定結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)?；變A覆力矩與建筑高度的平方成正比建筑頂部側(cè)移與建筑高度的四次方成正比，并按結(jié)構(gòu)寬度的三次方遞減超高層結(jié)構(gòu)由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不會(huì)過大，一般為6080m左右，因此，對(duì)于超過400m以上超高層，高寬比一般為79。高寬比直接與超高層結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)相關(guān)：高寬比6，彎曲變形為主，剪切變形引起的有害位

2、移通常不足10%1.結(jié)構(gòu)高寬比1.1概念關(guān)于結(jié)構(gòu)整體高寬比的討論：當(dāng)高寬比超過8時(shí)，通常外筒設(shè)計(jì)為巨型框架 或 巨型支撐框架（框筒），有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。當(dāng)高寬比超過8時(shí)，橫風(fēng)向效應(yīng)顯著增強(qiáng)，在八度設(shè)防以下地區(qū)，風(fēng)荷載通常成為控制因素。1.結(jié)構(gòu)高寬比1.1概念關(guān)于核心筒高寬比的討論：核心筒高寬比的影響： 對(duì)于常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒承擔(dān)著大部分剪力和傾覆力矩，故核心筒高寬比也是一個(gè)重要參考因素。但對(duì)于超高層而言，巨型框架、支撐框筒等高度更大的外框結(jié)構(gòu)常常取代了一般框架，因此，核心筒的承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例會(huì)降低。核心筒面積比例：指核心筒的圍合面積占樓面面積的比例，是另一個(gè)重要參考

3、指標(biāo)。圍合面積比例30%，核心筒剛度較大，承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例大幅提高，應(yīng)尤其注重核心筒的性能化設(shè)計(jì)及二道防線設(shè)計(jì)。1.結(jié)構(gòu)高寬比1.2 典型超高層建筑高寬比項(xiàng) 目上海中心環(huán)球金融金茂大廈臺(tái)北101香港國金二期層 數(shù)1241018810188高度m632 / 580492421508420高寬比7.08.588.28.71.結(jié)構(gòu)高寬比1.2 典型超高層建筑高寬比項(xiàng) 目深圳京基深圳平安廣州西塔廣州東塔武漢中心層 數(shù)9810410311290高度m439648 / 540432530 / 518428高寬比9.57.36.98.47.41.結(jié)構(gòu)高寬比1.2 典型超高層建筑高寬比項(xiàng) 目天津津塔天津

4、117天津周大福天津廣東大廈香港環(huán)貿(mào)廣場(chǎng)層 數(shù)751179495118高度m333597530 / 470430 / 395484高寬比8.09.78.08.28.22.伸臂桁架結(jié)構(gòu)超高層建筑關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.1概念超高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，存在側(cè)向剛度不足、核心筒傾覆力矩偏大的缺陷 。通過設(shè)置抗彎剛度較大的伸臂桁架，連接核心筒和外框架，可將周邊柱的軸向剛度用來增加結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，顯著提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小核心筒傾覆力矩。2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.2 形式形式1：兩點(diǎn)連接方式；形式2：單點(diǎn)上部連接方式；形式3：單點(diǎn)下部連接方式；形式4：單點(diǎn)中間連接方式。形式1形式2形式

5、3形式42.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.2 形式伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式比較采用SAP2000對(duì)各種伸臂桁架形式進(jìn)行了極限承載力分析形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.2 形式伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式比較形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.2 形式伸臂桁架結(jié)構(gòu)形式比較形式1形式2形式3形式42.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.3 連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與核心筒連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與框架柱連接節(jié)點(diǎn)與核心筒連接與框架柱連接2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.3 連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與核心筒連接節(jié)點(diǎn)方式1：伸臂桁架正方（工型），采用單板與墻體內(nèi)鋼骨連接。應(yīng)力云圖評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：墻肢內(nèi)連接簡單，適用于墻肢較薄情況；缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)板較厚；應(yīng)用工程案例：重慶國金中心，上海

6、中心7、8區(qū)節(jié)點(diǎn)。2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.3 連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與核心筒連接節(jié)點(diǎn)方式2：伸臂桁架側(cè)方（H型），采用雙板在墻體內(nèi)與鋼骨連接。評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)板加厚較少；缺點(diǎn)：墻體內(nèi)鋼筋連接復(fù)雜，適用于墻肢較厚情況。應(yīng)用工程案例：深圳京基中心，上海中心16區(qū)。應(yīng)力云圖2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.3 連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與框架柱連接節(jié)點(diǎn)方式1：伸臂桁架正方（工型），采用單板與柱體內(nèi)鋼骨連接。評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)力傳遞直接，節(jié)點(diǎn)板最少，適用于十字形鋼骨；缺點(diǎn)：伸臂桁架與框架柱內(nèi)縱筋、箍筋相碰（型鋼混凝土柱的缺點(diǎn)）；應(yīng)用工程案例：重慶國金中心，上海白玉蘭廣場(chǎng)。應(yīng)力云圖2.伸臂桁架結(jié)構(gòu)2.3 連接節(jié)點(diǎn)伸臂桁架與框架柱連接節(jié)點(diǎn)方式2：

7、伸臂桁架側(cè)方（H型），采用雙板與柱體內(nèi)鋼骨連接。評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：適用于鋼管混凝土柱或者內(nèi)包鋼管的型鋼混凝土柱；缺點(diǎn)：伸臂桁架與框架柱內(nèi)縱筋、箍筋相碰（型鋼混凝土柱的缺點(diǎn)） ； 應(yīng)用工程案例：上海中心等。應(yīng)力云圖3.巨型框架柱設(shè)計(jì)超高層建筑關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.1概念巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件；主要承擔(dān)外筒重力荷載和傾覆彎矩；巨型柱的地位非常重要，對(duì)構(gòu)件選型需要重點(diǎn)考慮。3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.1概念上海中心巨型柱受力情況： 豎向荷載分配：54% 底部剪力分配：57% 底部傾覆力矩分配：79%3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.2 形式目前常用的兩種構(gòu)件形式：1、SRC型鋼混凝土柱。包括：

8、上海中心、深圳平安、上海環(huán)球金融中心等；2、CFT鋼管混凝土柱。包括：天津117、臺(tái)北101、深圳京基中心等。SRCCFT3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.2 形式巨型鋼管混凝土柱3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.3 受力性態(tài)（上海中心為例）單工況作用下的軸力3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.3 受力性態(tài)（上海中心為例）小震組合通高小偏心受壓3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.3 受力性態(tài)（上海中心為例）中震震組合12區(qū)為小偏壓，3區(qū)為大偏壓，4區(qū)為大偏拉，58區(qū)為小偏拉。3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.3 受力性態(tài)（上海中心為例）大震組合通高-小偏心受拉3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)材料：C70C50；Q345GJQ390GJ抗震等級(jí)：通高特一級(jí)

9、抗震性能目標(biāo)：中震彈性、大震不屈服軸壓比限值：0.60 （1.2重力+1.3小震）鋼骨含鋼率：標(biāo)準(zhǔn)段不小于4，節(jié)點(diǎn)區(qū)及上下各一層范圍內(nèi)不小于5，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算的需要調(diào)整?？v筋配筋率：標(biāo)準(zhǔn)段1.2，節(jié)點(diǎn)區(qū)由于縱筋將被伸臂、環(huán)帶桁架的桿件截?cái)啵?.8。配箍率：不小于1.0；剪壓比：V = 1/RE(0.36*c*fc*b*ho)3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例金茂大廈環(huán)球金融中心巨柱平面布置 巨柱 巨柱金茂大廈巨柱平面布置 巨柱 巨柱3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例金茂大廈構(gòu)件樓層底部17層1731層3153層5364層6487層巨柱1500mm5000mm1500mm4500mm1000mm300

10、0mm材料C60C50C40金茂大廈型鋼混凝土巨柱構(gòu)造3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例臺(tái)北101臺(tái)北101巨柱平面布置 巨柱3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例臺(tái)北101臺(tái)北101鋼管混凝土巨柱構(gòu)造巨柱截面2.4mX3.0m；含鋼率10左右3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心連接節(jié)點(diǎn)3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例環(huán)球金融中心3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心8層巨型框架+6道伸臂+

11、核心筒體系巨型框架：8根巨柱+8道環(huán)帶桁架伸臂桁架核心筒巨型柱環(huán)帶桁架外伸臂+ 環(huán)帶桁架環(huán)帶桁架3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心上海中心巨型柱選型：1、從受力角度，兩種巨型柱形式都滿足要求；2、從吊裝和安裝角度，型鋼混凝土柱較有優(yōu)勢(shì)。Or型鋼混凝土柱SRC鋼管混凝土柱CFT3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心ZONE68典型平面8根主巨柱ZONE15典型平面8層主巨柱+4根角柱區(qū)段截面（m）砼等級(jí)含鋼率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.

12、5x4.8C604%3主：3.0 x4.8C704%角：1.8x4.8C704%2主：3.4x5.0C704%角：2.2x5.0C704%1主：3.7x5.3C705%角：2.4x5.5C704%3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心Or格構(gòu)式鋼骨布置實(shí)腹式鋼骨布置SRC柱內(nèi)鋼骨布置方案3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心方案一：九肢格構(gòu)式鋼骨九肢型鋼分散布置，需通過綴板連接以協(xié)調(diào)抗力。但型鋼肢數(shù)越多，傳力越不直接，各肢協(xié)同工作的難度越大。伸臂只和中間三肢型鋼直接連接，需要通過大量的綴板連接后才能把力傳遞給其他六肢，傳力途徑不直接。型鋼間聯(lián)系很弱，依靠綴板傳力在節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力集中處，易產(chǎn)生縱向劈

13、裂破壞和剪切破壞?？拐鹦阅懿缓?。3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心方案二：王字形實(shí)腹式鋼骨可有效解決協(xié)同抗力和剪切破壞兩個(gè)關(guān)鍵問題。鋼骨內(nèi)部形成約束混凝土，提高巨型柱的抗壓能力和延性。在節(jié)點(diǎn)區(qū)域與伸臂和環(huán)帶桁架的連接較方便，伸臂和環(huán)帶的力可直傳遞給整個(gè)鋼骨。鋼骨可在工廠焊接完成，現(xiàn)場(chǎng)可整體吊裝，減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接量。3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心1、從受力角度，實(shí)腹式鋼骨的延性和整體性優(yōu)于格構(gòu)式鋼骨；2、從施工角度，實(shí)腹式鋼骨現(xiàn)場(chǎng)施工方便；3、從節(jié)點(diǎn)域整體性，實(shí)腹式方案鋼骨傳力更加直接。Or格構(gòu)式鋼骨布置實(shí)腹式鋼骨布置3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心鋼骨與伸臂的連接3.巨型框架柱

14、設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心計(jì)算長度確定巨型框架模型第1階屈曲模態(tài)3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心承載力驗(yàn)算 采用纖維單元法得到SRC巨型柱的空間屈服曲面。將巨型柱的內(nèi)力狀態(tài)和空間屈服曲面繪制在同一內(nèi)力坐標(biāo)下，進(jìn)行比較，當(dāng)荷載對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)落在空間屈服曲面內(nèi)時(shí)，則可以判定該構(gòu)件滿足承載力要求。巨型柱纖維單元模型承載力驗(yàn)算3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心延性分析 采用ABAQUS實(shí)體單元對(duì)巨型柱的延性進(jìn)行研究。巨型柱實(shí)體有限元模型承載力驗(yàn)算混凝土巨型柱鋼骨鋼筋籠3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心延性分析 采用ABAQUS實(shí)體單元對(duì)巨型柱的延性進(jìn)行研究。巨型柱實(shí)體有限元模型3.巨型框架柱

15、設(shè)計(jì)3.5實(shí)例上海中心延性分析 巨型柱延性系數(shù)達(dá)到了2.81，說明巨型柱延性較好。巨型柱延性曲線Ductility Curve混凝土開裂鋼筋與鋼骨強(qiáng)化3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心延性分析混凝土應(yīng)力分布鋼骨應(yīng)力分布鋼筋應(yīng)力分布箍筋應(yīng)力分布巨型柱極限狀態(tài)下應(yīng)力分布3.巨型框架柱設(shè)計(jì)3.5 實(shí)例上海中心鋼骨吊裝吊裝鋼骨8噸/m，底部樓層每層重量3040噸，23層/吊裝段H1H2H3F1F2F3F4參考文獻(xiàn)1 GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范S北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.2 GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范S北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.3 GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S北京：中國建筑