省院蘇總 超高層建筑若干結(jié)構(gòu)新技術(shù)應(yīng)用研究

超高層建筑若干結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究蘇恒強(qiáng)內(nèi)容（1）技術(shù)應(yīng)用背景（2）外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻（3）剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系（4）鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁（5）超高層消防水池TMD減震裝置1.技術(shù)應(yīng)用背景

廣州珠江新城F2-4地塊，總建筑面積42萬m2，由三個(gè)塔樓和一個(gè)裙樓組成。地下室4層，裙房6層；北塔46層206米，南塔55層200米，西塔16層65米。

其中，南北塔采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用天然巖基上的柱（墻）下擴(kuò)展基礎(chǔ)，基底持力層為中、微風(fēng)化細(xì)砂巖?？紤]到后期改造的可能，基礎(chǔ)按結(jié)構(gòu)高度為230m設(shè)計(jì)。工程概述：1.技術(shù)應(yīng)用背景

本工程南塔由于功能的變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了幾個(gè)過程：1）原設(shè)計(jì)高度為200米。2）施工至裙房頂板時(shí)，建筑使用功能變化，結(jié)構(gòu)高度要求提高至230m。3）裙房施工過程中，由于頂部酒店大堂層高調(diào)整為50m，結(jié)構(gòu)高度提高至250m。4）由于消防要求，須在核心筒屋頂增加消防水池，消防水池重量約1875噸，相應(yīng)結(jié)構(gòu)高度提高至280m。技術(shù)應(yīng)用背景：1.技術(shù)應(yīng)用背景按普通框架-核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行增高后，存在以下問題：結(jié)構(gòu)的剛度不足，結(jié)構(gòu)剛重比小于1.4限值。豎向荷載增加，底部樓層核心筒剪力墻軸壓比不滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的基地剪力變大?；A(chǔ)及豎向構(gòu)件承載力不足。1875噸大質(zhì)量消防水池在280m高度處，會(huì)產(chǎn)生較明顯的鞭梢效應(yīng)。頂部50m高酒店大堂，施工難度較大。設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)：1.技術(shù)應(yīng)用背景減輕上部部分結(jié)構(gòu)自重，減輕基礎(chǔ)及底部樓層豎向構(gòu)件的負(fù)擔(dān)，減小底部補(bǔ)強(qiáng)加固的范圍。改變結(jié)構(gòu)形式，采用鋼結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力。利用屋頂消防水池設(shè)置TMD減震措施，降低鞭梢效應(yīng)，并利用屋面水池的減震作用，降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向整體變形。提高結(jié)構(gòu)的剛重比，降低結(jié)構(gòu)基底剪力。解決方案：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究從結(jié)構(gòu)的32層以上，核心筒采用外包鋼板與鋼管混凝土的空實(shí)剪力墻體系。鋼管柱與鋼板圍閉區(qū)域內(nèi)局部澆注混凝土的組合構(gòu)件形成剪力墻。2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究外包鋼板與鋼管混凝土的平面布置：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究鋼-混凝土組合剪力墻

外包鋼板與鋼管混凝土的空實(shí)剪力墻構(gòu)造：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究外包鋼板與鋼管混凝土的空實(shí)剪力墻構(gòu)造：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究鋼板剪力墻與混凝土墻的連接構(gòu)造：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究普通剪力墻結(jié)構(gòu)平面空實(shí)組合剪力墻結(jié)構(gòu)平面空實(shí)剪力墻與普通剪力墻動(dòng)力特性對(duì)比：

普通剪力墻空實(shí)組合剪力墻空實(shí)組合剪力墻/普通剪力墻-1質(zhì)量（kN）26196472410208-8%（節(jié)省約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%結(jié)構(gòu)質(zhì)量和周期對(duì)比2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究空實(shí)剪力墻比普通剪力墻的基底剪力約小10%，32層以上，結(jié)構(gòu)樓層剪力降低較明顯?？諏?shí)剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對(duì)比：樓層剪力2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

空實(shí)剪力墻與普通剪力墻的剪重比基本一致?？諏?shí)剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對(duì)比：剪重比2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

除200m以上，空實(shí)剪力墻比普通剪力墻的層間位移角減小3%。空實(shí)剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對(duì)比：風(fēng)荷載下層間位移角2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

32層以上，空實(shí)剪力墻比普通剪力墻的層間位移角小，約為7%-9%?？諏?shí)剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對(duì)比：地震層間位移角2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

結(jié)論：32層以上核心筒采用空實(shí)剪力墻核心筒，比采用普通剪力墻的相同高度結(jié)構(gòu)，重量可減輕20900t，與原230m高度結(jié)構(gòu)重量基本接近，原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本能滿足結(jié)構(gòu)增高的需要，避免核心筒基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)，減少了底部補(bǔ)強(qiáng)加固的樓層范圍?？諏?shí)剪力墻較普通剪力墻剛度有所提高，解決結(jié)構(gòu)增高后，剛重比不滿足規(guī)范要求的難題，避免核心筒底部中震拉力較大。3.風(fēng)荷載下，結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角比較接近；地震作用下，結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角降低較為明顯。4.結(jié)構(gòu)基底剪力減小，有利提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻設(shè)計(jì)軸壓比

——鋼-混凝土組合剪力墻軸壓比

——墻肢重力荷載代表值作用下軸向壓力設(shè)計(jì)值；——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；——鋼-混凝土組合剪力墻中的混凝土部分面積；——鋼-混凝土組合剪力墻中的鋼板鋼管的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；——

鋼-混凝土組合剪力墻中的鋼板鋼管的水平截面積和。2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻設(shè)計(jì)2.抗剪承載力

——鋼-混凝土組合剪力墻中腹板部分的抗剪承載力

——鋼-混凝土組合剪力墻中混凝土端部鋼管混凝土柱的抗剪承載力2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻設(shè)計(jì)3.壓彎承載力

——正截面受彎承載力，計(jì)算方法與普通剪力墻相同，端部鋼管面積計(jì)入剪力墻端部鋼筋面積。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ3有關(guān)公式計(jì)算，計(jì)算公式中用代替。地震組合時(shí)，尚應(yīng)考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)RE，由于墻肢中部鋼板較薄，且局部未澆灌混凝土，故不考慮其對(duì)抗彎承載力的貢獻(xiàn)。2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻設(shè)計(jì)4.計(jì)算模擬

由于通用計(jì)算程序無法直接建立鋼板墻單元，故中部鋼板剪力墻采用鋼管支撐等剛度模擬，非澆灌混凝土的鋼板墻采用深連梁方式模擬的計(jì)算方法。具體操作思路：首先模型中僅考慮澆灌混凝土部分的鋼管混凝土柱承擔(dān)豎向荷載，非澆灌混凝土部分鋼板墻采用深梁方式模擬，不考慮側(cè)向荷載，初步確定核心筒內(nèi)鋼管柱截面，確保其在豎向荷載作用下滿足豎向構(gòu)件軸壓比要求；然后在模型中添加支撐，同時(shí)考慮風(fēng)荷載、地震作用，確保結(jié)構(gòu)整體的層間位移角等滿足規(guī)范要求。2.外包鋼板與鋼管混凝土的空實(shí)剪力墻研究1.方鋼管成排布置，內(nèi)灌注混凝土；外包雙鋼板_混凝土組合剪力墻通過鋼板分隔，局部分隔灌注混凝土，增加鋼板平面外剛度，有很好的穩(wěn)定作用。2.利用外包鋼板對(duì)混凝土的套箍作用，提高混凝土抗壓能力，同時(shí)外包鋼板參與抗剪，使結(jié)構(gòu)抗剪能力大大提高。3.混凝土外包鋼材，延性好，不易開裂，能提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力。4.減少混凝土的用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)的基底剪力，提高結(jié)構(gòu)剛重比。5.直接采用外包鋼板作為施工模板，施工速度快，同時(shí)解決50m高空酒店大堂的施工難題。6.鋼構(gòu)件可以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在工廠完成焊接加工，現(xiàn)場(chǎng)完成裝配及連接，符合建筑裝配式施工發(fā)展的潮流，建造速度快，節(jié)約勞動(dòng)力并可提高建筑質(zhì)量。。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：2.外包雙鋼板_混凝土空實(shí)組合剪力墻研究現(xiàn)場(chǎng)施工圖片：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究

南塔、北塔塔樓的層高4.2米，連接核心筒與外框柱之間的框架梁，跨度約為11m，由于建筑凈空的需要，框架梁的截面高度限制為450-500mm，按普通的框架-核心筒體系，型鋼寬扁框架梁設(shè)計(jì)難以滿足結(jié)構(gòu)整體剛度及局部構(gòu)件承載力的要求。設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究采用一種新型的高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系。解決方案：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究塔樓標(biāo)準(zhǔn)層模型剪力墻上增設(shè)了環(huán)狀的墻帽，墻帽的內(nèi)端內(nèi)置于剪力墻筒體內(nèi)，外延向外延伸了1.5～2.5m，框架梁和次梁與墻帽外端部連接，故可以有效地縮短梁的跨度，使得梁的截面高度也能得以減小，同時(shí)，由于墻帽的配筋深入剪力墻筒體內(nèi)，并圍成閉合的環(huán)狀，然后與剪力墻一體澆筑成型。墻帽模型：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究墻帽構(gòu)造：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究有墻帽結(jié)構(gòu)主梁截面為1350*450mm，無墻帽結(jié)構(gòu)主梁截面為600*800mm，兩種截面面積相差26%，有墻帽比無墻帽整體鋼筋用量小約7.2%。無墻帽平面配筋有墻帽平面配筋無墻帽與有墻帽配筋結(jié)果對(duì)比：

單位鋼筋計(jì)算用量kg/㎡單位砼計(jì)算用量m3/㎡有墻帽1280.41無墻帽1380.393.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究X向有墻帽比無墻帽的樓層剪力略大，最大差別不超過1%，Y向無墻帽比有墻帽的樓層剪力略大1%。無墻帽與有墻帽整體結(jié)果對(duì)比：樓層剪力3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究有墻帽比無墻帽的層間位移角十分接近。1）有墻帽結(jié)構(gòu)比無墻帽結(jié)構(gòu)的主梁高度和用鋼量明顯減小，有較好的經(jīng)濟(jì)性。2）結(jié)構(gòu)的樓層剪力和變形比較接近，說明有墻帽結(jié)構(gòu)與無墻帽結(jié)構(gòu)剛度接近。無墻帽與有墻帽整體結(jié)果對(duì)比：層間位移角3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究1.本技術(shù)增設(shè)的墻帽，能夠縮短梁跨，因而減小梁的截面高度，增加樓層凈空。墻帽配筋深入剪力墻筒體內(nèi)，并與剪力墻一體澆筑成型，能夠提高梁剛度，也有助于加強(qiáng)剪力墻的剛度，進(jìn)一步提高其抗剪能力，有助于提高結(jié)構(gòu)整體剛度。墻帽增大了剪力墻筒體與框架梁的接觸面積，能夠改善剪力墻筒體的受力，消除框架梁與剪力墻筒體相交節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這種應(yīng)力集中的現(xiàn)象在剪力墻筒體轉(zhuǎn)角處尤為明顯。降低因核心筒與外框柱之間豎向變形不同而導(dǎo)致框架梁與剪力墻筒體相交節(jié)點(diǎn)超筋的情況。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)場(chǎng)施工圖片：3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)場(chǎng)施工圖片：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究混凝土組合U型梁平面布置：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

本工程多處出現(xiàn)大跨度、大荷載梁，最大跨度28m，其上有1.5m覆土；因樓層凈高嚴(yán)格受控，梁截面高度不得超過1000mm，普通混凝土梁及常規(guī)的型鋼組合梁難以滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)：解決方案：新型的鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究在支座內(nèi)設(shè)“”型鋼與U型鋼焊接，內(nèi)填混凝土，在跨中處設(shè)置空心鋼管。混凝土組合U型梁構(gòu)造：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究混凝土組合U型梁構(gòu)造：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究U形外包鋼-混凝土組合梁截面構(gòu)造示意圖1—底鋼板；2—側(cè)鋼板；3—外翼緣鋼板；4—梁面縱筋；5—梁面橫向分布筋；6—翼板；7*—梁底縱筋；8*—底部抗剪栓釘；9*—橫向加勁肋；10*—拉條；11*—外翼緣抗剪栓釘；12*—板托；13*—抗剪鋼筋；14*—中部腹板；15*—上翼緣鋼板；16*—上翼緣抗剪栓釘。（帶“*”者為可選項(xiàng)）4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

中震工況下，除跨中梁面上層柱底處局部出現(xiàn)375MPa的應(yīng)力外其它部位的應(yīng)力均小于80MPa。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345型鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力值?；炷两M合U型梁有限元分析：局部應(yīng)力375MPa其他位置應(yīng)力很小4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

受拉損傷：跨中梁面上層柱底、跨中梁底部基本無受壓損傷。混凝土組合U型梁有限元分析：U型梁適用于大跨度、大荷載的梁設(shè)計(jì)，1m高U型梁的跨度可達(dá)到30米。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究現(xiàn)場(chǎng)施工圖片：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究現(xiàn)場(chǎng)施工圖片：4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究（1）U型型鋼直接作為施工支承模板，在施工過程中無需另外搭建施工模板和拆除模板，有效縮短工期。（2）兩端支座處設(shè)置型型鋼，可提高梁支座處的抗彎承載力，同時(shí)減小支座處的負(fù)筋的配筋面積。（3）U型梁頂部型鋼可伸入樓板內(nèi)，型鋼外露的部分減小，與現(xiàn)有普通鋼箱梁相比，既有利于支座部分的受力，又有效增大樓層凈空，防腐防火處理面積減小，節(jié)省防腐防火成本，提高了經(jīng)濟(jì)性。（4）U型型鋼可出任意鋼牛腿與次梁連接，因此施工方便。（5）跨中圓管內(nèi)中空，不需灌注混凝土，在不降低梁的剛度與承載力的前提下，約可減小25%的自重。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：5.超高層消防水池TMD減震裝置研究水池TMD減震裝置

南塔1875噸大質(zhì)量消防水池在250m高度處會(huì)產(chǎn)生的較大的地震力，會(huì)產(chǎn)生明顯的鞭梢效應(yīng)，同時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部剪力墻在中震下出現(xiàn)較大的拉力。設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)：解決方案：采用一種新型大質(zhì)量消防水池TMD減震裝置。TMD減震系統(tǒng)，一般是通過彈簧和阻尼系統(tǒng)將質(zhì)量塊連接在結(jié)構(gòu)上，無其他支撐質(zhì)量調(diào)諧阻尼器（TMD），由質(zhì)塊，彈簧與阻尼系統(tǒng)組成。一般將其振動(dòng)頻率調(diào)整至主結(jié)構(gòu)頻率附近，改變結(jié)構(gòu)共振特性，以達(dá)到減振作用。最初是由FRahm發(fā)明，名為“動(dòng)力振動(dòng)吸振器”。橋塔上抗風(fēng)渦激用擺動(dòng)式阻尼TMD5.超高層消防水池TMD減震裝置研究首先增加TMD后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性發(fā)生變化，致使輸入能發(fā)生變化。在輸入能一定的情況下，TMD的剛度比結(jié)構(gòu)小，通常是整個(gè)系統(tǒng)的薄弱部位，致使振動(dòng)過程中，TMD分配的能量較多，大大減小了流向主體結(jié)構(gòu)的能量。當(dāng)TMD存在阻尼時(shí)，TMD將消耗能量，將這些能量轉(zhuǎn)化成熱能，應(yīng)變能等等。因此，TMD最終減振效果取決于輸入能的變化，分配的能量，以及本身的阻尼耗能能力。用TMD減振消能是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，又不影響美觀的方法。TMD減震原理5.超高層消防水池TMD減震裝置研究質(zhì)量比:一般來說TMD的質(zhì)量越大減震效果越好.質(zhì)量比的常選用范圍為:0.01

到0.1但為了不給施工和設(shè)計(jì)帶來大的困難一般在0.01-0.04之間

頻率比:0.98-0.86

阻尼比:0.08-0.20

橡膠隔震支座側(cè)向線剛度為909kN/m，豎向剛度線為2,097,000kN/m；速度型粘滯阻尼器線剛度為600,000kN/m，阻尼系數(shù)為600kN/（m/s）,阻尼指數(shù)為0.8。TMD最佳參數(shù)的常用范圍本項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)5.超高層消防水池TMD減震裝置研究5.超高層消防水池TMD減震裝置研究

大質(zhì)量消防水池底部加橡膠隔震支座和水平位移限值裝置，隔震支座數(shù)量為12個(gè)；沿水池壁周邊設(shè)置速度型粘滯阻尼器，數(shù)量16個(gè)，共3層，底部4個(gè)，布置在水池中部4個(gè)方向；中部8個(gè)，布置在水池中部與角部；頂部4個(gè)，布置在水池4個(gè)角部。阻尼器設(shè)備相連的梁柱的抗震等級(jí)需提高一級(jí)。TMD減震裝置計(jì)算模型：5.超高層消防水池TMD減震裝置研究風(fēng)作用結(jié)構(gòu)基底剪力和層間位移角對(duì)比頂點(diǎn)加速度對(duì)比

在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的減震效果不明顯，但對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度控制有一定的效果。不加TMD時(shí)，舒適度不滿足規(guī)范0.25m/s2的要求，加TMD后，舒