高层结构设计及案例分析.ppt

高层建筑结构设计及案例分析 一 概述二 高层建筑结构的特点三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状四 高层建筑结构今后发展方向五 工程实例 一 概述 高层建筑结构的发展过程高层建筑进入一个飞速发展的阶段目前正处于改革开放以来高层建筑发展的第二个高潮除北京 上海 深圳 广州等沿海城市外 内地其它大 中城市 包括贵阳 高层建筑也在迅速发展 1972年在纽约建造了世界贸易中心大楼 WorldTradeCenterTowers 110层 高402m 钢结构 2001年发生911事件被炸毁 目前 世界上最高的建筑为阿拉伯联合酋长国的迪拜塔 162层 总高度828米 2004年开始动工 2010年1月正式投入使用 由韩国三星公司负责营造 第二名台北101大楼 2004年建成 共101层 楼高509米 塔尖60米 第三名上海环球金融中心 地上101层 492米高 马来西亚双塔楼 排名第4 5 88层 452米 框 筒结构 1998年建成 第六名芝加哥西尔斯大厦 108层 442米高 是美国最高的建筑 第七名上海金茂大厦 88层 420 5米高 国内目前建成的上海环球金融中心 地上101层 地下3层 高492m 是中国目前第一高楼 世界第三高楼 世界最高的平顶式大楼 2008年竣工 上海金茂大厦 88层 结构高度为365m 塔尖420 5m 1998 国内第二 世界第七 上海环球金融大厦 101层 采用钢 混凝土混合结构 在1997年设计并完成桩基施工的基础上加高至492m 外形基本规则 底面为58m的正方形 在一个对角线上立面为弧形金字塔 另一个对角线上立面为矩形 但在427m以上开设了一个直径53m的大圆洞 结构按7度乙类建筑设防 外框筒采用巨型柱 巨型斜撑和周边桁架组成的巨型斜撑框架结构 核心筒在340m以下采用混凝土结构 并在260m以上由接近方形转换为哑铃形 按特一级要求采取抗震措施 在340m以上为钢斜撑筒体结构 内外筒之间设三道三个层高的伸臂桁架加强 结构受风力控制 采用ETABS SAP2000 SATWE等四个软件计算 小震作用下两个方向的层间位移分别为1 1200和1 960 风力下的层间位移分别为1 560和1 900 整个结构按设防烈度墙体 柱和斜撑不屈服设计 内筒墙体控制罕遇地震下的剪应力 并通过国家级审查 徐培福教授介绍 要求加强顶部结构的抗扭能力 调整内筒混凝土墙体转换的结构布置和构造 对伸臂桁架的数量做进一步研究 并通过时程分析 推覆计算 静力弹塑性分析 和模型试验进一步明确抗震薄弱部位 采取相应措施 二 高层建筑结构的特点 随着层数和高度的增加 水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著 包括地震作用和风荷载 高层建筑的承载能力 抗侧刚度 抗震性能 材料用量和造价高低 与其所采用的结构体系密切相关 不同的结构体系 适用于不同的层数 高度和功能 高层建筑中 水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用 荷载效应的最大值 轴力N 弯矩M和位移 可用下列式子表达 N WH f H M qH2 2 f H2 qH4 8EI f H4 内力或位移 f H4 M f H2 N f H H结构内力 位移与高度H的关系 高层建筑结构体系框架框架 剪力墙剪力墙 底层大空间剪力墙框筒和筒体 包括筒中筒与成束筒 巨型结构及悬挑结构 框架结构体系一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中 由梁和柱通过节点构成承载结构 框架形成可灵活布置的建筑空间 具有较大的室内空间 使用较方便 由于框架梁柱截面较小 抗震性能较差 刚度较低 建筑高度受到限制 剪切型变形 即层间侧移随着层数的增加而减小 框架结构主要用于不考虑抗震设防 层数较少的高层建筑中 在考虑抗震设防要求的建筑中 应用不多 高度一般控制在70m以下 在水平力作用下 框架的侧移变形有两部分组成 梁柱弯曲变形使框架结构产生侧移 一般情况下 梁 柱都有反弯点 下部层间变形大 上部变形小 侧移曲线表现为剪切型 图2 1 柱的轴向变形也使框架结构产生侧移 为弯曲形 上部层间变形大 两侧移以前者为主 因而框架结构的侧移曲线表现为剪切型 剪切型变形 利用建筑物墙体作为承受竖向荷载 抵抗水平荷载的结构 称为剪力墙结构体系 剪力墙结构体系于钢筋混凝土结构中 由墙体承受全部水平作用和竖向荷载 现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好 刚度大 在水平荷载作用下侧向变形小 承载力要求也容易满足 剪力墙结构体系主要缺点 主要是剪力墙间距不能太大 平面布置不灵活 不能满足公共建筑的使用要求 此外 结构自重往往也较大 当剪力墙的高宽比较大时 是一个受弯为主的悬臂墙 侧向变形是弯曲型 即层间侧移随着层数的增加而增大 剪力墙结构在住宅及旅馆建筑中得到广泛应用 因此这种剪力墙结构适合于建造较高的高层建筑 在承受水平力作用时 剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁 剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成 高层建筑剪力墙结构 以弯曲变形为主 其位移曲线呈弯曲形 特点是结构层间位移随楼层增高而增加 弯曲型变形示意图 在框架结构中设置部分剪力墙 使框架和剪力墙两者结合起来 取长补短 共同抵抗水平荷载 就组成了框架 剪力墙结构体系 如果把剪力墙布置成筒体 又可称为框架 筒体结构体系 框架 剪力墙 筒体 结构比框架结构的刚度和承载能力都大大提高了 在地震作用下层间变形减小 因而也就减小了非结构构件 隔墙及外墙 的损坏 这样无论在非地震区还是地震区 这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑 目前在我国得到广泛的应用 单个筒体可分为实腹筒 框筒和桁筒 平面剪力墙组成空间薄壁筒体 即为实腹筒 框架通过减小肢距 形成空间密柱框筒 即框筒 筒壁若用空间桁架组成 则形成桁筒 实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构 而常常以框架 筒体结构 筒中筒结构 多筒体结构和成束筒结构形式出现 巨型结构一般由两级结构组成 第一级结构超越楼层划分 形成跨若干楼层的巨梁 巨柱 超级框架 或巨型桁架杆件 超级桁架 以这巨型结构来承受水平力和竖向荷载 楼面作为第二级结构 只承受竖向荷载并将荷载所产生的内力传递到第一级结构上 常见的巨型结构有巨型框架结构和巨型桁架结构 不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的 因而它们适合应用的高度也不同 一般说来 框架结构适用于高度低 层数少 设防烈度低的情况 框架 剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求 在层数很多或设防烈度要求很高时 可用筒体结构 超高层建筑框架 筒体结构筒中筒结构框架 支撑体系 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2002规定 钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度和高宽比应分为A级和B级 目前A级高度的钢筋混凝土高层建筑应用最为广泛 超过A级高度的为B级 B级的高度和高宽比大 但抗震等级 计算和构造措施则更为严格 结构高宽比不宜超过B级 超过B级时 专门审查 补充多方面计算分析 必要时结构试验 采取专门的加强构造措施 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度 m B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度 m 高层建筑结构的特点 1 结构高度不断增加业主或开发商通过高度 体量 显示实力 建筑高度成为追求目标 为了争取第一 地区 国内甚至世界 各地高层建筑高度不断增加 2 结构体型复杂 平面 立面多样化3 高层以钢筋混凝土结构为主 但钢 混凝土混合 组合 结构应用较多 尤其是超高层 高层建筑结构的特点 各地已建成的 上海金茂大厦 88层 高420 5m 7度抗震设防深圳地王大厦 81层 高325m 7度抗震设防广州中信广场 80层 高322m 7度抗震设防北京京广中心 200m 8度抗震设防贵州饭店 30层 100m 7度抗震设防贵阳目前在建的最高53层 228m7度抗震设防 高层建筑结构的特点 平面与立面形状呈多样化 为了体现个性 追求新颖 使高层建筑的平面 立面体型均极其特殊 结构的复杂程度和不规则程度为国内外前所未有为结构设计带来极大挑战 高层建筑结构的特点 平面与立面形状呈多样化平面形状矩形 方形 八角形 多边形 扇形 圆形 棱形 弧形 Y形 L形等 高层建筑结构的特点 平面与立面形状呈多样化立面各种类型转换外挑 内收大底盘多塔楼连体建筑 立面开大洞等复杂体型的建筑 CCTV大楼 CCTV大楼 沈阳方圆大厦 沈阳房地产交易中心 上海明天广场 上海证券大厦 深大科技楼 北京新保利大厦 上海世茂国际广场 复杂体型住宅 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用国外高层 超高层建筑以纯钢结构为主 而根据我国国情 高层以钢筋混凝土为主 高层 超高层建筑以钢 混凝土的混合 组合 含型钢混凝土 钢管混凝土 结构应用居多 高层建筑结构的特点 钢筋混凝土结构应用绝大部分的高层建筑以框 剪结构 剪力墙结构为主 如大量的公建 住宅个别超高层建筑也采用钢筋混凝土结构 如广州中信广场 80层 高322m 广州中信广场 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构体系特点可以发挥钢和混凝土两种材料各自的优势 既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用上海环球金融中心 RC核心筒 外伸桁架和巨型 型钢 柱 101层 高492m 7度抗震设防 上海环球金融中心 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用金茂大厦 RC核心筒 外框型钢混凝土柱及钢柱 88层 高420m 7度抗震设防 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用地王大厦 RC核心筒 外钢框架 81层 高325m 7度抗震设防 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用大连国贸中心 RC核心筒 方钢管混凝土柱78层 高度341m 7度抗震设防 大连国贸中心大厦 大连国贸中心大厦 高层建筑结构的特点 钢 混凝土混合 组合 结构应用70层深圳赛格广场 外框采用钢管混凝土 7度抗震设防 深圳赛格广场 北京国贸三期 钢 混凝土混合 组合 结构应用北京国际贸易中心三期塔楼 筒中筒结构 外部为型钢混凝土框筒 内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体73层 高度316 6m 8度抗震设防 北京国贸三期 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 结构设计分析手段研究工作 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 我国是一个多地震的国家 大部分高层建筑所在地区恰巧又是地震活动较为频繁的地区 高层建筑集中的沿海地区 如上海 深圳 基本风压也较大 因此高层建筑大多要考虑抗震 抗风问题 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 近几年 国内陆续颁布了新修编的设计规范 规程 与高层建筑整体结构方案布置 内力调整 构造措施密切相关的规范 规程主要有 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2002 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 吸收了我国的工程经验和研究成果吸收了近几年国内外震害的经验教训借鉴参考了国外相关规程 规范的内容新修订的规范 规程一定程度上提高了结构的安全度 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 根据近几年国内外的几次震害经验教训 上述规范及规程特别加强了对结构方案布置的宏观指标控制要求 如结构的规则性要求 进一步加强了抗震构造措施要求 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 新规范 规程的颁布实施 基本上可适应我国绝大部分高层建筑结构的设计需要 为保障结构设计安全可靠发挥了积极的作用 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 结构设计绝大多数设计工作由国内设计单位完成同时 国外 境外 建筑 结构设计公司或顾问公司进入我国建筑设计市场通过与境外的交流 我们已有一批熟悉国内外规范 与国际接轨的一流的设计人员 结构设计基本要求 1 结构的规则性 1 不应采用严重不规则的结构体系 建筑设计应符合抗震概念设计的要求 不应采用严重不规则的设计方案 高层建筑不应采用严重不规则的结构体系 应符合下列要求 1 应具有必要的承载能力 刚度和变形能力 2 应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载 风荷载和地震作用的能力 3 对可能出现的薄弱部位 应采取有效措施予以加强 2 高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求 1 结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布 避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位 2 宜具有多道抗震防线 2 规则结构的主要特征 建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则 对称 并应具有良好的整体性 建筑的立面和竖向剖面宜规则 结构的侧向刚度宜均匀变化 竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小 避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变 规则结构一般指 体型 平面和立面 规则 结构平面布置均匀 对称并具有较好的抗扭刚度 结构竖向布置均匀 结构的刚度 承载力和质量分布均匀 无突变 3 规则平面布置需满足的要求 结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载 受力明确 传力直接 力争均匀对称 减少扭转的影响 在地震作用下 建筑平面要力求简单规则 风力作用下则可适当放宽 抗震设防的高层建筑 平面形状宜简单 对称 规则 以减少震害 在高层建筑的一个独立结构单元内 宜使结构平面形状简单 规则 刚度和承载力分布均匀 不应采用严重不规则的平面布置 抗震设计的B级高度钢筋混凝土高层建筑 混合结构高层建筑 其平面布置应简单 规则 减少偏心 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 为保证建筑结构的设计质量 对于特殊的超过规范要求的高层建筑 超限高层建筑 由政府部门组织专家成立审查委员会进行专项审查 在审查通过后方可实施 上述审查为保证结构安全起到了积极作用 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 上海环球金融中心 101层 492m 中央电视台 大悬挑 北京国贸三期 73层 316m 大连国贸中心 78层 341m 等一批复杂特殊工程的超限审查在初步设计时均已通过 对一些较柔的高层建筑 风荷载是结构设计的控制因素 随着建筑物高度的增高 风荷载的影响越来越大 高层建筑中除了地震作用的水平力以外 主要的侧向荷载是风荷载 在荷载组合时往往起控制作用 因此 高层建筑在风荷载作用下的结构分析与设计引起了研究人员和工程师们的重视 竖向荷载设计应减轻自重 高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义 从地基承载力或桩基承载力考虑 如果在同样地基或桩基的情况下 减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施 可以多建层数 这在软弱土层有突出的经济效益 地震效应与建筑的重量成正比 减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法 高层建筑重量大了 不仅作用于结构上的地震剪力大 还由于重心高地震作用倾覆力矩大 对竖向构件产生很大的附加轴力 从而造成附加弯矩更大 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 静力分析计算采用有限元模型进行三维空间分析计算国内开发的计算程序 SATWE TBSA TUS广厦结构CAD等 及国外分析程序 如ETABS SAP2000 MIDAS等 并用复杂特殊工程多采用多个计算程序进行对比 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 弹性计算分析时 考虑因素更加全面 偶然偏心来考虑扭转的不利影响 对体型不规则结构考虑双向地震作用 对竖向地震作用较敏感的结构部位 如连体结构 大悬臂结构等 补充进行竖向地震输入的弹性时程分析 考虑竖向地震为主的组合必要时进行舒适度验算 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 弹塑性分析计算体型特殊的结构采用PUSH OVER静力弹塑性分析计算为主确定结构薄弱部位 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 不再局限于 小震不坏 中震可修 大震不倒 对重要结构必要时可高于上述原则 可按基于性能设计的要求确定结构方案如中震时关键部位构件不屈服 或大震时对某些构件按极限承载力进行内力复核等 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 抗风研究理论计算分析风洞试验 抗震研究理论计算分析振动台试验静力试验 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 特殊问题的研究总结国内 外的震害情况 结合振动台试验及模型静力试验 并利用各种计算机分析软件进行计算分析工作 完成了关于转换层 加强层 体型收进 连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 对混合结构的研究整体模型拟静力试验 振动台试验增强剪力墙抗剪性能 提高延性的措施 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 进行了大量的振动台试验研究多采用1 20 1 40的微粒混凝土模型研究结构的抗震性能 破坏形态找出结构在地震作用下的薄弱部位 三 我国高层建筑结构设计及研究工作现状 除整体模型振动台试验外 也进行了大量的大比例的静力试验特殊梁 柱节点研究钢管混凝土节点研究搭接柱静力性能试验特殊构件 如巨型柱 的构件滞回特性研究 四 高层建筑结构今后发展方向 结构平面 立面布置向复杂化发展对结构设计提出更高要求对特殊问题应进行进一步的研究 以提高结构抗震抗风与受力性能 四 高层建筑结构今后发展方向 高层钢结构 混合 组合 结构将会有更多的应用钢 钢筋混凝土混合结构应用将更为广泛要比较深入地开展高层钢 钢筋混凝土混合结构的研究型钢混凝土 SRC 钢管混凝土结构应用将更为广泛 四 高层建筑结构今后发展方向 在新的结构抗震设计理论和方法方面开展进一步研究 如基于性能的抗震设计思想减震控制技术得到进一步应用高层建筑的整体性能 质量得到进一步提升材料向高强发展高强钢筋混凝土材料等级会更高 四 高层建筑结构今后发展方向 今后若干年 我国仍将是世界上高层建筑建设最多的国家大量的建设工程 会为我们提供发展的机遇必须加强相关研究工作 形成有中国特色的高层建筑结构相关标准 体系 五 工程实例 贵州省博物馆新馆本工程为贵州省文化厅拟建 贵州省博物馆 工程 位于贵阳市金阳新区迎宾路与观山北路交汇处 建筑平面为异形平面 本工程最高处为32米 按照高层规范 属于高层建筑 主体结构的设计使用年限为100年 基本风压 0 35kN m2 气象资料 拟建场地距贵阳市白云区气象站较近 根据该站气象资料 常年平均最高温度为22 2 常年平均最低气温为 3 7度 抗震设防烈度 本地设防烈度为6度 本工程按7度加强抗震措施 结构初步设计执行标准及规范 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 2006年版 建筑工程抗震设防分类标准 GB50223 2008 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 2008年版 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 2002 钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构技术规程 DB22 48 2005 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 贵州建筑地基基础设计规范 DB22 45 2004 人民防空地下室设计规范 GB50038 94 2008年版 地下工程防水技术规范 GBJ108 87 2006年版 混凝土结构耐久性设计规范 GB T50476 2008 建筑分类等级 1 根据 建筑结构设计可靠度设计统一标准 第1 0 8条规定 本工程的安全等级为一级 2 根据 建筑地基基础设计规范 第3 0 1条规定 本工程的基础设计等级为甲级 3 根据 建筑工程抗震设防分类标准 第6 0 6条规定 本工程的抗震设防类别为重点设防类 即乙类 4 本工程屋面标高为25m 但由于各分块屋面女儿墙顶标高为32m 即女儿墙高度为7m 框架需升高至女儿墙顶 根据 建筑抗