连体结构设计(一)ppt.ppt

连体结构 一 目录 第一节概述第二节连体结构的特点及分类第三节强连接连体结构设计方法及工程实例第四节弱连接连体高层建筑结构 第一节概述 高层建筑连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构型式 一方面通过设置连体将不同建筑物之间连在一起 方便两者之间联系 另一方面由于连体结构独特的外型 带来强烈的视觉效果 可以使建筑更具特色 第一节概述 巴黎新凯旋门 1989年建成 第一节概述 新凯旋门系在约100m 100m 100m的正方体内切出60m 60m 60m的大洞构成 建筑结构对称均匀 两侧塔体结构进深各约20m 顶部连体净跨度约60m 高约20m 由双重井式通高巨型空腹桁架构成 空腹桁架弦杆采用预应力混凝土箱形大梁 整个建筑形成一个空间整体受力结构 第一节概述 马来西亚吉双塔 第一节概述 马来西亚吉隆坡城市中心主楼 对称双塔 95层 425m高 在两塔楼中间位置设置了连廊 为世界上高度最高的连体 廊 结构 第一节概述 上海证券大厦 第一节概述 建于上海浦东的上海证券大厦是国内较早建设的连体结构 地面以上30层 高120m 立面从10层至18层为一跨度达63m的连体 两侧塔楼为框筒体系 内筒为现浇混凝土结构 外筒为钢框架 连体部分结构为两榀支承在内筒上的钢框架 第一节概述 深圳大学科技楼 第一节概述 深圳大学科技楼 图9 1 5 东西翼7 11层立面开洞 南北翼11 13层立面开洞 其中东西翼洞宽29 5m 南北翼洞宽34m 为该工程关键部位 该工程设计采用型钢混凝土多层空腹桁架整体结构实现洞口跨越构成整体连体结构 第一节概述 北京UHN国际村 第一节概述 采用双塔连体结构 见图9 1 6 双塔均为28层的钢筋混凝土剪力墙结构 高80 3m 自63 1m至80 3m两塔通过连接体结构连接 连接体跨度31 2m 采用钢结构 共4层 最下面一层为5 7m高钢桁架 北京当代万国城北区工程 第一节概述 由以上可见 连体结构的特点就是将两幢或几幢建筑连在一起 由塔楼及连接体组成 塔楼的结构形式同普通单幢高层建筑 可为框架结构 框剪结构 剪力墙结构 框剪结构等 第一节概述 连接体可以是一层 几层 也可以是十几层甚至更多 可以是钢结构 型钢混凝土结构 普通钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 形式灵活多样 可以与塔楼结构材料相同 也可以不同 视工程的具体情况决定 连接体结构的刚度及位置对整体结构受力将有较大影响 第二节连体结构的特点及分类 一 连体结构的特点连体结构的受力比一般单体结构或多塔楼结构更复杂 应关注以下几个方面的问题 扭转效应需引起重视连接体部分受力复杂重视连接体两端结构连接方式 第二节连体结构的特点及分类 一 扭转效应需引起重视较之其它体型结构 连体结构扭转振动变形较大 扭转效应较明显 应引起重视 当风或地震作用时 结构除产生平动变形外 还将会产生扭转变形 扭转效应随两塔楼不对称性的增加而加剧 第二节连体结构的特点及分类 即使对于对称双塔连体结构 由于连接体楼板变形 两塔楼除有同向的平动外 还很有可能产生两塔楼的相向运动 实际工程中 由于地震在不同塔楼之间的振动差异是存在的 两塔楼的相向运动的振动形态极有可能发生响应 此时连体部分结构受力很不利 第二节连体结构的特点及分类 二 连接体部分受力复杂连接体部分是连体结构的关键部位 其受力较复杂 连接体部分一方面要协调两侧结构的变形 在水平荷载作用下承受较大的内力 另一方面当本身跨度较大时 除竖向荷载作用外 竖向地震作用影响也较明显 第二节连体结构的特点及分类 三 重视连接体两端结构连接方式连接体结构与两侧塔楼的支座连接是连体结构的另一关键问题 如处理不当结构安全将难以保证 连接处理方式一般根据建筑方案与布置来确定 可以有刚性连接 铰接 滑动连接等 每种连接方式的处理方式不同 但均应进行详细分析与设计 第二节连体结构的特点及分类 二 连体结构的分类根据连接体结构与塔楼的连接方式 可将连体结构大致分为两类强连接方式弱连接方式 第二节连体结构的特点及分类 一 强连接方式当连接体结构包含多层楼盖 且连接体结构刚度足够 能将主体结构连接为整体协调受力 变形时 可做成强连接结构 两端刚接 两端铰接的连体结构属于强连接结构 强连接结构设计时就要做到真正使其连为整体 完全协调受力 第二节连体结构的特点及分类 一 强连接方式当连接体与两端塔楼刚接或铰接时 连接体可与塔楼结构整体协调 共同受力 此时连接体除承受重力荷载外 更主要的是要协调连接体两端的变形及振动所产生的作用效应 一般情况下 连接体同塔楼的连接处受力较大 构造处理较复杂 选择合适的连接体刚度 结构形式及支座处的构造处理非常重要 第二节连体结构的特点及分类 二 弱连接方式如果连接体结构较弱 如为连廊结构 无法协调连接体两侧的结构共同工作 此时可做成弱连接 即连接体一端与结构铰接 一端做成滑动支座 或两端做成滑动支座 此时应重点考虑滑动支座的作法 限复位装置的构造 并应提供滑动支座的预计滑移量 第二节连体结构的特点及分类 二 弱连接方式当连接体低位跨度小时 可采用一端铰接 另一端滑动连接 或可采用两端滑动连接 此时两塔楼结构独立工作 连接体受力较小 两端滑动连接的连接体在地震作用下 当两塔楼相对振动较大时 要注意避免连接体滑落及连接体同塔楼发生碰撞对主体结构造成破坏 实际工程中可采用橡胶垫或聚四氟乙烯板支承 塔楼与连接体之间设置限位装置 第二节连体结构的特点及分类 二 弱连接方式当采用阻尼器作为限复位装置时 也可归为弱连接方式 这种连接方式可以较好的处理连接体与塔楼的连接 既能减轻连接体及其支座受力 又能控制连接体的振动在允许的范围内 但仍要进行详细的整体结构分析计算 橡胶垫支座等支承及阻尼器的选择要根据计算分析确定 第三节强连接连体结构 对强连接连体结构 设计的关键问题是保证连接体与塔楼可靠连接 共同受力 工作应重点围绕如何保证连接体与塔楼整体共同工作及该特殊体型结构的计算分析设计方面开展 第三节强连接连体结构 一 强连接连体结构计算分析 一 计算原则1 根据现行 高规 第5 1 13条规定 对复杂体型高层建筑的计算分析 应符合下列要求 1 应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算 2 抗震计算时 应考虑平扭耦连计算结构的扭转效应 振型数不应小于15 多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍 且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90 第三节强连接连体结构 3 应采用弹性时程分析法进行补充计算 4 宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形 第三节强连接连体结构 2 分析计算时 应重点侧重以下几个方面 1 在风荷载作用下 要注意各塔楼之间的狭缝效应对结构带来的影响 2 水平地震作用计算时 要考虑偶然偏心的影响 并宜进行双向地震作用验算 重点关注结构因特有的体型带来的扭转效应 3 对8度抗震设防地区的连接体结构 应考虑竖向地震作用 4 连接体部分的振动往往较明显 舒适度验算应引起关注 第三节强连接连体结构 二 地震作用下的分析计算1 水平地震作用计算振型分解反应谱方法计算外 还应补充进行弹性时程分析计算 应采用考虑平扭耦连方法计算结构的扭转效应 且要考虑偶然偏心的影响 振型数至少应按多塔楼结构的振型数量选取 以使振型参与质量不小于总质量的90 第三节强连接连体结构 二 地震作用下的分析计算1 水平地震作用计算由于连体部分 包括连接体及塔楼 刚度较大 连体部分的楼层抗侧刚度相对于下部两个塔楼刚度之和仍可能较大连接体下部楼层经验算如为薄弱层 应对地震作用剪力乘以1 15放大系数 第三节强连接连体结构 二 地震作用下的分析计算2 竖向地震作用计算近几年 日本阪神地震及2001年台湾 921 集集地震记录均表明 竖向地震作用分量较明显 不容忽视 而且竖向地震作用可能是引起某些震害的关键因素 因此关于结构的竖向地震作用 近年来引起了设计人员的关注 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算高层建筑结构中的长悬臂结构 大跨度结构 连体结构等对竖向地震作用比较敏感的部分 应考虑竖向地震作用 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算国内现行规范对竖向地震作用给出了计算方法 抗震规范 及 高规 对9度时的高层建筑的竖向地震作用标准值计算给出了计算方法 对8度 9度时的大跨度和长悬臂结构 竖向地震作用的标准值可取该结构 构件重力荷载代表值的10 和20 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算 高规 第10 5 2条规定 8度抗震设计时 连体结构的连接体应考虑竖向地震的影响 并在条文说明中给出了近似考虑方法 竖向地震作用标准值可取连接体部分重力荷载代表值的10 上述规定说明 高规 对连接体结构竖向地震反应已给予了关注 由以上取值可知 该值参照了8度时的大跨度和长悬臂结构的计算方法 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算随着实际工程中连接体结构应用的增加 连接体的位置也越来越高 当位置较高时 连接体两端的支座 两侧塔楼上部 本身竖向地震加速度反应已比地面的竖向地震加速度加大 因此连接体的竖向地震反应与一般的大跨结构有所不同 此外 实际工程中连接体结构因其自身的重要性 有时需要按中震弹性进行设计并补充考虑竖向地震作用为主的组合 竖向地震作用更为关键 因此其取值更需慎重 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算针对一幢建于8度区的高位连体结构 位于60m 80m 连体跨度31 2m 为考察其连接体部位的竖向地震作用效应 应用ETABS程序 采用竖向反应谱方法及弹性时程分析方法分别对连体结构的竖向地震作用进行了分析计算 分析表明 连接体部位构件竖向地震作用标准值宜取重力荷载代表值的15 20 为宜 第三节强连接连体结构 2 竖向地震作用计算建议地震作用组合应考虑竖向地震作用为主的组合项 按 高规 第5 6 4条执行的表5 6 4建议考虑增加竖向地震作用分项系数为1 3 水平地震作用分项系数为0 5的组合 第三节强连接连体结构 三 风荷载作用下的分析计算当多栋密集的高层建筑相互间距较近时 宜考虑风力相互干扰的群体效应 一般可将单栋建筑的体形系数乘以相互干扰增大系数 该系数可参考类似条件的试验资料确定 必要时宜通过风洞试验确定 第三节强连接连体结构 三 风荷载作用下的分析计算关于邻近建筑相互干扰问题 曾有学者进行专门研究 并指出 如果邻近的建筑为比计算分析的建筑物矮得多的建筑 则即使靠得很近受影响的只是所分析建筑的下部 对整个结构分析不致产生很大的影响 但是如果邻近建筑与所分析的建筑接近同一高度 应考虑建筑物对风载体型系数的影响 第三节强连接连体结构 三 风荷载作用下的分析计算连体结构的两塔楼间距一般都很近 高度一般也相当 应考虑建筑物互相之间的影响 除去相互干扰增大系数外 对连体结构 连体部位结构的风荷载分布也比较复杂 如有条件 该部位附近的体型系数宜通过风洞试验确定 第三节强连接连体结构 二 强连接连体高层建筑结构设计原则 一 连体结构的布置及设计原则连体高层建筑结构的各独立部分宜有相同或相近的体型 平面和刚度 7度 8度抗震设计时 层数和刚度相差悬殊的建筑不宜采用强连接的连体结构 连接体结构自身重量应尽量减轻 因此应优先采用钢结构 也可采用型钢混凝土结构等 当连接体包含多个楼层时 最下面一层宜采用桁架结构形式 第三节强连接连体结构 连接体宜按中震弹性进行设计 连接体结构支座宜按中震不屈服设计 中震弹性的含义如下 地震作用下的内力按中震进行计算 地震作用效应的组合及各分项系数均按 高规 第5 6节进行 但可不进行设计内力调整放大 构件的承载力计算时材料的强度取设计值 第三节强连接连体结构 中震不屈服的含义如下 地震作用下的内力按中震进行计算 地震作用效应的组合均按 高规 第5 6节进行 但分项系数均取不大于1 0 不进行设计内力调整放大 构件的承载力计算时材料的强度取标准值 第三节强连接连体结构 对钢筋混凝土结构 抗震设计时 连接体及与连接体相邻的结构构件的抗震等级应提高一级采用 一级提高至特一级 若原抗震等级为特一级则不再提高 第三节强连接连体结构 连接体两端与主体结构刚接的结构 应特别注意加强连接体结构与主体结构的连接构造 这包括两方面的连接 一方面指连接体结构与主体结构的水平连接 另一方面指连接体结构与主体结构的竖向连接 尤其是支座部位的连接构造 第三节强连接连体结构 对于连接体结构与主体结构的水平连接 必要时连接体结构可延伸至主体结构内筒并与内筒可靠连接 如无法伸至内筒 也可在主体结构内沿连接体方向设置型钢混凝土梁与主体结构可靠锚固 连接体结构的楼板应与主体结构的楼板可靠连接并加强配筋构造 第三节强连接连体结构 连接体结构与主体结构的竖向连接 尤其是支座部位的连接构造也应重点加强 当与连接体相连的主体结构为钢筋混凝土结构时 竖向构件内宜设置型钢 型钢宜可靠锚入下部主体结构 第三节强连接连体结构 对连接体两端与主体结构铰接的结构 应特别注重铰接支座的设计 如有可能 建议支座按大震不屈服进行设计 以保障结构安全 第三节强连接连体结构 二 舒适度验算1 连体结构的风振舒适度验算随建筑物高度增加 结构材料除RC外 钢结构 钢 混凝土混合 组合 结构应用日渐增多 建筑物除了要满足传统的 强度 要求 位移要求外 舒适度问题越来越引起人们重视 一般高层建筑的舒适度验算均指建筑物顶点最大加速度沿顺风向与横风向两个方向应满足一定的限值 以此来保证居住者日常使用不致于产生不舒适的感觉 第三节强连接连体结构 二 舒适度验算2 大跨度连接体结构楼板振动舒适度验算对连体结构 在连接体部位 由于结构跨度较大 连体部位结构楼层在日常使用中由于人的走动引起的楼板振动问题需要考虑 第三节强连接连体结构 2 大跨度连接体结构楼板振动舒适度验算以往 正常使用极限状态要求通常通过控制 楼板的挠度板厚跨度比值这一规定在以往采用常规材料 楼板刚度较大 跨度较小情况下可以满足正常使用要求 第三节强连接连体结构 近几年 随着各种新型 高强材料的采用 楼板体系变得更轻柔 在满足强度 变形要求的情况下 大跨度楼板因为日常活动引起的振动问题日益凸现出来 强连接连体结构工程实例 北京新中关大厦深圳大学科技楼深圳国际俱乐部北京UHN国际村 2020 3 18 57 可编辑 北京新中关大厦 北京新中关大厦位于中关村西区东南角 总建筑面积117416m2 地下四层 地上四层裙房 裙房顶上设有三栋高层建筑 采用周边密柱型框架 剪力墙结构 设计单位为北京市建筑设计研究院 建研院结构所参与连体结构方案设计与计算分析 北京新中关大厦 东边B楼为高73m 78m的连体建筑 主体结构为钢筋混凝土框架剪力墙结构 为16层和17层 两个主楼通过连接体在6 17层楼面相连 连接体部分结构采用钢结构 抗震设防烈度为8度 设计基本加速度0 20g 设计地震分组为第一组 场地类别为 类场地 北京新中关大厦 北京新中关大厦 连接体两侧的主楼因为剪力墙筒体均偏心布置 地震作用下偏心扭转效应明显 而通过连接体将两侧主楼结构可靠连接共同工作后 整体协调受力 结构刚度分布将较为对称 地震作用下结构的扭转效应将大大减小 结构抗震性能得到提高 北京新中关大厦 2连体钢结构部分设计自5层顶楼面 16层顶楼面通过连廊连接 其中 第9层顶楼面 41 85m 和第16层顶屋面 68 975m 连接范围扩大到14轴至18轴范围 连接体部分西侧布置钢桁架 每隔一层设置一榀 共六榀 北京新中关大厦 9层和16层顶楼面结构布置 北京新中关大厦 其它层连体结构布置 北京新中关大厦 参考规范相关规定和类似工程经验 竖向地震作用取重力荷载代表值的15 本工程平面布置较为复杂 扭转效应较大 因此在进行钢结构设计时 考虑双向地震作用 双向地震作用按 抗震规范 5 2 3条计算 对连接体部分主要受力构件考虑中震作用 按中震不屈服设计 中震作用取小震的2 856倍 在进行杆件验算时 构件承载力抗震调整系数取1 0 材料强度取标准值 北京新中关大厦 连接体钢结构主梁两端铰接 跨中承受很大的弯矩 支座承受较大的剪力 同时连接体钢结构主梁在地震作用下 承受较大的轴力 主梁支座受力为拉 压 剪受力 不能忽略轴力的影响 北京新中关大厦 在设计节点时 按照节点轴力和剪力沿不同路径传递的原则进行设计轴力按中震工况设计剪力按大震工况设计这样 即使部分节点在大震下丧失轴向承载力 连接体也不至于跌落 北京新中关大厦 节点设计示意 北京新中关大厦 钢梁端部支撑在钢筋混凝土牛腿上 通过牛腿传递剪力 梁端通过调节接头与预埋的锚板连接 钢梁与调节接头通过高强螺栓在腹板连接 只传递轴力 调节接头与锚板现场剖口全熔透焊 深圳大学科技楼 深圳大学科技楼东西翼7 11层立面开洞 南北翼11 13层立面开洞 其中东西翼洞宽29 5m 南北翼洞宽34m为本工程关键部位 深圳大学设计院设计 连体结构 二 深圳大学科技楼 深圳大学科技楼 采用型钢混凝土多层空腹桁架整体结构实现洞口跨越构成整体连体结构 空腹桁架梁柱断面均800mm 880mm 其中腹杆工字钢与弦杆工字钢层层焊接连接 形成刚性节点 弦杆 腹杆外包混凝土与弦杆上翼180mm厚各相连楼层现浇钢筋混凝土楼板整浇连接 进一步加强结构整体性 深圳大学科技楼 结构平面及空腹桁架支承关系示意图 深圳大学科技楼 托梁转换 吊梁转换和桁架跨越是大跨度洞式连体结构的现实选择 而实腹桁架由于斜腹杆的存在首先不被建筑师接受 为此 设计中对空腹桁架连体与托梁 吊梁连体的动力性能进行了对比分析研究 以选择具有良好刚度 承载能力和延性 同时又充分满足建筑师对造型和建筑功能需要的结构型式 深圳大学科技楼 深圳大学科技楼 三种方案的楼层质量竖向分布 深圳大学科技楼 三种结构方案楼层地震剪力进行分析可知 三种方案的基底剪力和连体层以下各层地震层剪力基本接近洞口以上 空腹桁架方案的地震层剪力最小 吊梁方案的地震层剪力最大 表明空腹桁架方案由于质量和刚度的均匀使地震作用有所减小 深圳大学科技楼 根据计算分析结果可知 重力荷载和地震作用下空腹桁架方案筒体角柱各层内力比较均匀 整体空腹桁架连体结构在更好地满足建筑功能和造型要求的前提下 比梁式转换具有更好的抗震性能 深圳大学科技楼 由于型钢混凝土比钢结构 具有耐火和耐久性能好 刚度大的优点 而比普通混凝土结构 则具有承载力大 延性好等优点 本工程最终确定采用型钢混凝土空腹桁架连体结构 深圳大学科技楼 型钢混凝土长期刚度退化影响分析 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001 规定了截面抗弯刚度规程规定了长期刚度的计算公式 深圳大学科技楼 由于构成型钢混凝土截面抗弯刚度的型钢部分无收缩徐变效应 为更好地在概念上与式 9 3 4 协调 建议型钢混凝土构件长期刚度的计算公式为 深圳大学科技楼 经计算 截面抗弯长期刚度Bl 16 88 1014N mm4 相当于截面弹性刚度的0 67A轴三层空腹桁架在重力荷载作用正常工作状态下的第一跨中节点长期挠度为60mm 短期挠度为51 5mm 弹性挠度为40mm 深圳大学科技楼 型钢混凝土多层空腹桁架结构设计 施工及构造1 设支托板关于型钢混凝土空腹桁架节点试验报告表明 反复加载下型钢梁柱节点坡口焊缝易首先出现破坏 影响结构变形能力和延性 深圳大学科技楼 本工程空腹桁架腹杆和弦杆连接中间节点采用了带支托板的刚性节点 支托板一方面加强了腹杆和弦杆连接 另一方面与腹杆和弦杆的钢筋焊接 避免钢筋与型钢直接焊接 避免型钢翼缘预留贯穿孔 保证了型钢构件的完整性 深圳大学科技楼 空腹桁架中间节点 深圳大学科技楼 空腹桁架支座节点 深圳大学科技楼 2 设置栓钉 本工程空腹桁架支承于四角筒体型钢混凝土角柱 连接方式为刚性连接 支座节点除设置支托板外 为保证型钢混凝土角柱与筒体混凝土墙体的有效共同工作 沿型钢与筒体混凝土相接外翼缘通高设置栓钉 深圳大学科技楼 3 型钢上下延伸一层为避免结构承载力突变和保证型钢可靠锚固 筒体角柱中型钢在空腹桁架区段上下各延伸一层形成过渡层 深圳大学科技楼 4 设置变形后浇块消除畸形内力如下图所示 空腹桁架的外侧设置了普通钢筋混凝土连续边梁 大跨空腹桁架结构在重力荷载作用下将产生较大竖向变形 与其相连的普通钢筋混凝土连续边梁与根部基本无竖向变形的筒体悬臂梁相连 将使筒体悬臂梁及边梁产生极高的内力水平 深圳大学科技楼 4 设置变形后浇块消除畸形内力 深圳大学科技楼 4 设置变形后浇块消除畸形内力后浇块混凝土浇注前 钢筋混凝土连续边梁与空腹桁架变形协调 其内力只受局部荷载的影响 主体结构施工完 空腹桁架结构的重力荷载下绝大部分内力与变形已经完成 此时变形后浇块混凝土浇注 混凝土连续边梁和悬臂梁将承受少量后期重力荷载引起的附加内力 从而大大改善该部分结构受力 避免裂缝出现结构破坏 深圳大学科技楼 4 设置变形后浇块消除畸形内力内力分析时 附加重力荷载40 及结构自重工况下连续梁边支座 悬臂梁 节点以铰节点处理 后期60 附加重力荷载及风 地震作用采用刚节点处理 深圳大学科技楼 结论 1 空腹桁架连体结构有利于发挥结构整体性 极有利于减缓大跨门式连体结构中连接体带来的刚度突变 质量集中和支承筒体的应力集中 有利于抗震 也同时较好满足建筑的功能和造型需要 该工程设计可满足第六章所述的性能目标 C 的要求 深圳大学科技楼 结论 2 型钢混凝土空腹桁架的承载能力及延性明显优于普通梁式连体结构 空腹桁架连体结构的破坏始于桁架直腹杆弯曲破坏 破坏前桁架各杆件变形较大 裂缝开展较多 特别是直腹杆两端可形成塑性铰 耗能能力较大 深圳大学科技楼 结论 3 必须重视型钢混凝土杆件在重力荷载下的裂缝宽度控制 适当加大配筋率 深圳大学科技楼 结论 4 型钢混凝土空腹桁架的合理节点设计是保证其有效工作性能和施工的可操作性的关键