第二章超高层建筑结构体系的选择(上).ppt
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1、2019/6/15,1,第二章(超)高层建筑结构体形选择,2019/6/15,2,主要内容,第一节 (超)高层建筑结构设计的控制因素 第二节 高层和超高层建筑结构体系 第三节 高层和超高层建筑工程实例 第四节 高层和超高层建筑结构体系的选择 第五节 超高层建筑的阻尼器问题 第六节 结束语,2019/6/15,3,风载取值,对于一般高层建筑,可按照我国规范建筑结构荷载规范(GB50009-2001)。但是,该规范荷载的规定是基于低空(8 m 12 m)风速观测数据以及多层建筑和一般高层建筑的单体模型风洞试验研究成果以及工程经验,当用于超过200 m以上的超高层建筑,可能不大合适。例如,美国SOM
2、(Skidmore, Owings and Merrill)和LERA( Leslie E. Robertson Associate)设计事务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。,2019/6/15,4,第一节 (超)高层建筑结构设计的控制因素,1、风荷载 台北-101的大楼设计,除了参考国内规范,还委托加拿大的Rowan Williams Davies & Irwin Inc.(RWDI) 公司研究大楼的设计荷载,采用风洞试验确定。以1:500比例制作现场半径为600 m以内的风场环境模输入以10度为单位风力模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的
3、风速高度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验(Boundary layer tunnel test),然后得到大气边界层风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式(高频动态天平测力技术)(High-frequency force-balance),结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩,扭力和剪力的分布曲线统计回归获得,并且,配合结构动力特性计算结构体的加速度反应。这样,这些数据提供设计单位作为设计风力的依据 。,2019/6/15,5,正在施工中的百济迪拜塔楼,对风荷载进行大量研究和分析工作。例如,风洞试验,也在加拿大Ontario的边界层为RWDIs 2.4m1.9m和4.9
4、m1.4m的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。风洞试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model force balance tests)、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域压力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。试验时采用的大多是1:500的模型。然而,在人行道风环境研究(pedestrian wind environment studies)中采用更大的1:250的模型,目的在于用空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于(塔楼的)预测的反应程度和(风)重现期之间建立联系起着重要作
5、用。为了确定上层风况(wind regime),广泛利用地面风数据、气球(探测风)数据和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果2。,2019/6/15,6,2、地震力 地震力的预测,目前尚难准确确定。例如,地震频繁的日本地区,对地震已进行许多年的深入研究,地震前也几乎无法预测何时何地会发生地震。因此,对待地震应倍加重视。 对于地震地区,除了风力外,必须考虑地震。例如,台北-101,地处板块交错运动频繁区域,除了风力,还必须进行地震设计。更重要的是对离建筑场地 200m的断层的深入研究3 ,经过多方面的考察与研究,费耗大量人力物力与时间,终于弄请该断层是非活动断层,因此,在大楼即将完成的关键时刻
6、,遇到台湾大地震,平安无恙,巍然不动,这是一个宝贵经验。,2019/6/15,7,3、地基基础 由于风荷载和地震力以及静荷载,产生的荷载极大,而且一般柱的跨度大,荷载往往达数万吨,例如,金茂大厦,总荷载超过3,000,000kN(30万吨),混凝土巨型柱荷载为101,670kN(1万余吨);又如,台北-101大楼,建筑物总垂直荷载达40万余吨,因此,对地基基础的要求高。在上海这样深厚的软弱地基,毫无异议,必须采用桩筏或桩箱基础。台北-101大楼,利用深度不大的年轻岩基,采用现场浇注桩,深入岩层;而高雄的85层东帝士大楼4,岩层在地面100m以下,利用岩层上面的土为常见的层状冲积土,采用框格式地
7、下连续墙(Barrette)。新加坡的Raffle City的72层、42层、32层的高楼群,地层条件好而采用筏板基础。,2019/6/15,8,4、业主要求 业主的要求,通常就是建筑艺术、功能和经济。有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。上述三个主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师,要满足建筑艺术、功能和经济的要求,有赖于建筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。 此外,施工技术条件和建筑材料等在一定条件下也可能成为一个控制因素。,2019/6/15,9,影响结构选型的四要素: 风荷载风洞试验确定 地震力难以预测 地基基础桩筏、桩箱配以框格式地下连续墙 业主要求建筑艺术、功能和经济,201
8、9/6/15,10,第二节 (超)高层建筑结构体系,结构型式要满足哪些要求? 主要结构型式与高层建筑层数。,2019/6/15,11,从技术层面讲,高层建筑的结构体系要满足其强度、刚度、抗剪、抗扭能力等方面的要求,并与建筑外型相适应。 主要结构型式:框架、框架剪力墙、剪力墙、筒体。,2019/6/15,12,1框架结构体系。 竖柱的面积较小,构件本身占面积不多,形成较大空间,建筑布置灵活,使用面积可以加大,适用于低层建筑。 2剪力墙结构体系。 剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间的填充墙合二为一,成为一个宽而薄的矩形断面墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩,还承受风力或地震作用产生的水
9、平力。剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高,有一定的延性。结构传力直接均匀,整体性好,抗震能力也较强。是一个多功能高强结构体系。因此,可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。中国最高的53层的水景豪宅世茂滨江花园就是采用剪力墙结构。,2019/6/15,13,3框架-剪力墙结构(简称框剪结构)体系。 框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力墙。剪力墙可以单片分散布置,也可以集中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载,而且承受绝大部分水平荷载。其布置是否合理直接影响结构的安全和经济。在我国基本上用以20层以内的高层建筑,也有超过20层,例如,29层的上海宾馆。,2019/6/15,14,4筒
10、体结构体系 筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个竖向井筒式的封闭结构,结构刚度很大,具有较大的抗剪和抗扭能力,抗震性能也较好。但是,由于核心筒的平面尺寸受到限制,侧向刚度有限,高度一般不能超过3040层。上世纪的60年代开始,发展成为框筒结构,其平面尺寸比较大,可用于40层以上的结构。随着高层建筑的发展,层数越来越多,尤其是,电梯间的设置,自然形成一种内核心筒,发展成为筒中筒结构体系。,2019/6/15,15,筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重筒体结构和成束筒结构等。 框筒结构。在高层建筑中,利用电梯间等形成的内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结构。实质上,这是框筒结构。例如,
11、实例5美国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。 筒中筒结构。一般来说,对于4050层以上的高层建筑,框筒结构难于满足要求,此时,需要采用刚度很大的筒中筒结构体系,即内外筒的双筒体结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝土筒中筒结构。,2019/6/15,16,内筒与外筒通常采用密肋楼板连接,使每层楼板在平面内的刚度非常大,当采用钢筋混凝土楼板,其跨度可取8m12m,当采用钢结构,其跨度可取约15m。加大内外筒的间距,不仅对建筑平面布置有利,而且,也加大内外筒的受力。因此,筒中筒结构的侧向刚度很大,在水平荷载作用下,侧向变形小,抵
12、抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭转力矩的能力强。 多筒结构。对于超高层建筑,一般均采用多筒结构体系。三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构和组合筒结构。这种结构的刚度特别大,抗震力也特别强。,2019/6/15,17,第三节 (超)高层建筑工程实例,每一实例的上部结构型式 基础 其他特点,2019/6/15,18,实例1上海工业展览中心(Shanghai Industrial Exhibition Center) 这是一座位于南京西路闹市区的1953年建造的展览馆,由前苏联专家设计。中央大厅为框架结构,14层,塔顶最高为91.3m,见图2-6。大厅采用箱基,两翼为条形基础。箱基的尺寸为46.5m46.
13、5m7.27m,顶板厚度为0.2m,底板厚度为1.0m,基础埋深只有50cm,基底压力为129kPa,附加压力为120kPa, 地基为淤泥质软土,压缩性大,在压缩层范围内平均压缩模量为2.5MPa(25kg/cm2),限于当时历史条件,前苏联专家不了解上海的软土特点,坚持采用埋置深度很浅的箱形基础。1954年建成尚未投入使用时的沉降已超过1m。在1974年间根据上海市水文地质二大队近20年的辛勤劳动获得的沉降观测资料,由赵锡宏教授绘制和推算的沉降量为166.6cm,沉降随时间变化的曲线见图2-7。现在工程使用良好。,2019/6/15,19,2019/6/15,20,实例2国际饭店(Park
14、Hotel) 这是一座位于南京路闹市区的1932年建造有大上海之美称的国际饭店。24层,高83.8m,上部结构为钢-混凝土结构(SRC),设有旋转餐厅,见图2-8。桩筏基础,基础面积为1827m2,桩约40m,为地下水位以上的混凝土桩加地下水位以下的38 m木桩组成,别具风格,风貌依旧,仍然是当今南京路上的美景。,2019/6/15,21,实例4锦江饭店(Jin Jiang Hotel) 锦江饭店位于上海淮海中路以北,瑞金路以西,长乐路南侧。这是1929年建造。上部结构采用钢结构,15层,高57m,地基为深厚的淤泥质土,基础采用30 m长的木桩,见图2-28。当时按照简易的上部结构与地基基础共
15、同作用理论设计,地基土承受老八吨(80kPa),其余由桩承担,但是,由于施工方偷工减料,把部分桩的下半段砍断,上世纪70年代下沉约1.5m,现下沉增至近2.0 m,经装修后,见图2-10的b)和c),至今使用良好。,2019/6/15,22,a)建筑立面照片 b)装修后建筑正门(原地面一层下沉到地下室) c)装修后建筑边门(原地面一层下沉到地下室),2019/6/15,23,实例5美国独特贝壳广场(One Shell Plaza) 独特贝壳广场7建造于1970年,位于美国休斯敦(Texas.),是一座高217.6m,52层的办公大楼,是当时最高的钢筋混凝土大楼。休斯敦的地基在600多m内主要是
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