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超高层建筑结构设计复盘:结构布置

发布于:2022-08-05 09:26:05 来自:建筑结构/结构资料库 0 22

来源:建筑结构网

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0概述

近年新建的超高层建筑高度主要以200~300m左右为主,本次共收集42个已建及在建超高层结构设计相关资料,共涉及19个城市,最低建筑高度179.2m,最高建筑高度348m,对200~300m超高层建筑进行结构布置复盘。

结构设计的目的就是花最少的钱,做最好的建筑,这就要求设计时对结构材料的充分利用,好钢用在刀刃上,在同等材料用量的前提下,充分利用结构受力原理,提高结构整体效率。

混凝土基本理论的发展也体现了使各种材料充分发挥性能,并相互协同工作的特点:钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起,并让它们自行地共同工作,预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起,使两种材料均产生非常好的性能。从上述结构构件的演化,推而广之,在结构设计中,只有当构件越多处于轴心受力状态,其材料的利用率才可以高,只有当构件处在合理的布置位置,其对整体结构刚度的贡献才可以提高,结构经济性也就越好。

风荷载、地震作用是超高层建筑非常重要的外部输入荷载,通过合理的结构布置,提高整体结构抗风及抗震能力,对结构设计合理性、经济性都是及其重要的。


1、 抗风设计

所有超高层建筑基本都受风荷载的影响,风荷载是结构设计的主要控制荷载,因此风荷载的大小对结构的经济性起着至关重要的作用。风荷载的大小主要与建筑的体形、结构的动力特性、大气风环境以及建筑物周边环境等因素有关。对于风荷载效应,最重要的考虑因素还是结构本身,优化超高层建筑的外形、立面开洞以及在场地上的朝向,都会极大地影响超高层建筑风荷载大小,并且在强度和正常使用抗风设计工况中显著减少材料用量。

1.1 对称平面

采用对称平面可减小风荷载作用下的结构扭转效应,常用的双轴对称建筑平面如下图所示:

典型超高层建筑结构平面布置如下:

1.2 流线型平面

高层建筑的楼层平面采用流线型形状,可显著减小高楼的风荷载效应,流线型平面的风荷载体型系数要比带棱角平面小得多。不同平面形状的顺风向体型系数如下图所示:

1.3 横风减风措施

高层建筑是否需要考虑横风向风振的影响比较复杂,一般要考虑建筑的高度、高宽比、结构自振频率及阻尼比等多种因素,一般而言,建筑高度超过150m或高宽比大于5的高层建筑可能出现较为明显的横风向风振效应,并且效应随着建筑高度或建筑高宽比增加而增加。

超高层建筑横风向荷载往往是主控风载,减小横风向荷载的一些常用措施如下:

横向减风措施典型超高层建筑如下:

1.4 平面朝向

如果条件允许,可通过调整优化建筑物平面朝向,使大楼产生最不利气动响应的风向远离当地主要的强风方向,从而达到减小风荷载的效果。

1.5 风洞试验

建筑规范根据历史气象数据以及基于理论和试验的荷载公式确定风荷载,由于风荷载的复杂性,模拟边界层的风洞模型对于高层结构非常重要。近年来,计算流体动力学( CFD )建模技术广泛地应用于研究高层建筑的抗风性能,但风洞环境中的物理建模是确定一般风效应的最佳方法,通常可以得到最准确的结果,同时,风洞试验应该考虑现有和未来新建结构的影响。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》,房屋高度大于 200m 或有下列情况之一时,宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载:

1) 平面形状或立面形状复杂;

2) 立面开洞或连体建筑;

3) 周边地形和环境较复杂;

风洞试验主要研究内容建议如下:

   风洞试验结果,有条件时,建议考虑风向折减计算结果。

 

2、抗震设计

2.1 超限定义

1 )高度超限

房屋高度(m) 超过下列规定的高层建筑工程,属于超限高层建筑:

2 )一般不规则超限

同时具有下列三项及以上不规则的高层建筑工程,不论高度是否超限,属于超限高层建筑。

3 )特别不规则超限

具有下列某一项不规则的高层建筑工程,不论高度是否超限,属于超限高层建筑。

4 )其他高层建筑

建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施;特别不规则的建筑应进行专门研究和论证,采取特别的加强措施; 不应采用严重不规则的建筑方案

2.2 平面布置

1 )平面布置原则

平面宜简单、规则、对称,减小偏心;

应尽可能采用方形、圆形等双轴对称的简单平面形状;

平面布置应减小扭转效应的影响。

2 )结构平面抗侧效率

当平面面积和柱面积之和一定时,各个平面形状抗剪刚度相同,但平面抗弯刚度不同;随多边形边数的增加,平面抗弯刚度不断变小,三角形抗弯刚度最大,圆形抗弯刚度最小。

相同方形楼层平面,当各平面的柱总面积相同时,柱的不同布置对平面抗弯刚度产生影响。当柱集中布置在4个角点时,平面抗弯刚度最大;而集中布置在平面各边中点时,平面抗弯刚度最小。

2.3 立面布置

1 )立面布置原则

竖向体型宜规则、均匀,结构刚度下大上小;

立面形状宜采用矩形、梯形或三角形等沿高度均匀变化的简单几何图形;

避免采用楼层平面尺寸存在剧烈变化的阶梯形立面。

1)当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度 H 之比大于 0.2 时,上部楼层收进后的水平尺寸 B1 不宜小于下部楼层水平尺寸 B 75 ( a b)

2)当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,上部楼层水平尺寸Bl不宜大于下部楼层的水平尺寸 B 1.1 倍,且水平外挑尺寸 a 不宜大于 4m( c d)

2 )结构立面抗侧效率

当结构高度和立面面积不变时,不同的立面形状对结构的抗侧刚度会产生较大的影响。立面形状应尽量采用“下大上小”。


3、建筑高宽比

建筑的高宽比是建筑的高度与最小结构宽度的比值,对于超高层建筑,充分利用建筑物的整个结构宽度是很重要的。

典型超高层建筑,高宽比统计如下 所示:

超高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济性合理性的宏观控制。复盘超高层建筑高宽比平均值为5.7,超高层建筑高宽比在5~7之间,处于合理范围,高宽比一般不应超过8,当高宽比超过10以后,结构的经济性会存在较大问题。


总结

对国内 200~300m 典型超高层建筑进行了研究分析,得出如下结论:

1) 合理的结构布置能有效改善超高层建筑风荷载,提高整体经济性;

2) 合理的平面布置及立面布置能有效避免不规则程度,提高结构抗侧效率;

3) 超高层建筑高宽比平均值为 5.7 ,高宽比宜控制在 5~7 之间。

 

参考文献

[1] 周建龙 . 超高层建筑结构设计与实践 [M]. 同济大学出版社 .

[2]MarkSarkisian. 高层建筑设计 - 以结构为建筑 [M]. 中国建筑工业出版社 .

[3] 建筑与市政工程抗震通用规范 .

[4] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 .

[5] 相关项目资料 .

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