超高層建築關鍵構件與節點設計,很少見的總結哦

2019-11-07     常江後浪

結構高寬比

1.1概念

關於結構整體高寬比的討論:

高度和高寬比是超高層結構設計的主要控制因素,也是決定結構剛度的重要指標。

基底傾覆力矩與建築高度的平方成正比

建築頂部側移與建築高度的四次方成正比,並按結構寬度的三次方遞減

超高層結構由於占地和功能的限制,基底尺寸通常不會過大,一般為60~80m左右,因此,對於超過400m以上超高層,高寬比一般為7~9。

高寬比直接與超高層結構的受力性態相關:

高寬比<4,剪切變形為主,類似框架結構受力性態

高寬比=4~6,彎剪變形

高寬比>6,彎曲變形為主,剪切變形引起的有害位移通常不足10%

關於結構整體高寬比的討論:

當高寬比超過8時,通常外筒設計為巨型框架 或 巨型支撐框架(框筒),有效提高結構的抗側剛度。

當高寬比超過8時,橫風向效應顯著增強,在八度設防以下地區,風荷載通常成為控制因素。

關於核心筒高寬比的討論:

核心筒高寬比的影響:

對於常規的框架-核心筒結構體系,核心筒承擔著大部分剪力和傾覆力矩,故核心筒高寬比也是一個重要參考因素。但對於超高層而言,巨型框架、支撐框筒等高度更大的外框結構常常取代了一般框架,因此,核心筒的承擔剪力和傾覆力矩比例會降低。

核心筒面積比例:指核心筒的圍合面積占樓面面積的比例,是另一個重要參考指標。

圍合面積比例<20%,核心筒剛度偏弱,宜加強外框筒,採用支撐框筒或巨型結構

圍合面積比例=20~30%,核心筒剛度適中

圍合面積比例>30%,核心筒剛度較大,承擔剪力和傾覆力矩比例大幅提高,應尤其注重核心筒的性能化設計及二道防線設計。

1.2 典型超高層建築高寬比

伸臂桁架結構

2.1概念

超高層建築框架-核心筒結構體系,存在側向剛度不足、核心筒傾覆力矩偏大的缺陷 。

通過設置抗彎剛度較大的伸臂桁架,連接核心筒和外框架,可將周邊柱的軸向剛度用來增加結構的抗傾覆力矩,顯著提高結構的抗側剛度,減小核心筒傾覆力矩。

2.2形式

形式1:兩點連接方式;

形式2:單點上部連接方式;

形式3:單點下部連接方式;

形式4:單點中間連接方式。

伸臂桁架結構形式比較

採用SAP2000對各種伸臂桁架形式進行了極限承載力分析

伸臂桁架結構形式比較

伸臂桁架結構形式比較

2.3連接節點

伸臂桁架與核心筒連接節點

伸臂桁架與框架柱連接節點

伸臂桁架與核心筒連接節點

方式1:伸臂桁架正方(工型),採用單板與牆體內鋼骨連接。

方式2:伸臂桁架側方(H型),採用雙板在牆體內與鋼骨連接。

伸臂桁架與框架柱連接節點

方式1:伸臂桁架正方(工型),採用單板與柱體內鋼骨連接。

方式2:伸臂桁架側方(H型),採用雙板與柱體內鋼骨連接。

巨型框架柱設計

3.1概念

巨型框架-核心筒結構中重要的受力構件;

主要承擔外筒重力荷載和傾覆彎矩;

巨型柱的地位非常重要,對構件選型需要重點考慮。

上海中心巨型柱受力情況:

豎向荷載分配:54%

底部剪力分配:57%

底部傾覆力矩分配:79%

3.2形式

目前常用的兩種構件形式:

1、SRC型鋼混凝土柱。包括:上海中心、深圳平安、上海環球金融中心等;

2、CFT鋼管混凝土柱。包括:天津117、台北101、深圳京基中心等。

巨型鋼管混凝土柱

3.3受力性態(上海中心為例)

單工況作用下的軸力

小震組合——通高小偏心受壓

中震震組合——1~2區為小偏壓,3區為大偏壓,4區為大偏拉,5~8區為小偏拉。

大震組合——通高-小偏心受拉

3.4設計指標

材料:C70~C50;Q345GJ~Q390GJ

抗震等級:通高特一級

抗震性能目標:中震彈性、大震不屈服

軸壓比限值:0.60 (1.2重力+1.3小震)

鋼骨含鋼率:標準段不小於4%,節點區及上下各一層範圍內不小於5%,並根據節點計算的需要調整。

縱筋配筋率:標準段1.2%,節點區由於縱筋將被伸臂、環帶桁架的杆件截斷,取0.8%。配箍率:不小於1.0%;

剪壓比:V <= 1/γRE(0.36*βc*fc*b*ho)

3.5 實例

金茂大廈

台北101

環球金融中心

連接節點

上海中心

8層巨型框架+6道伸臂+核心筒體系

巨型框架:8根巨柱+8道環帶桁架

方案一:九肢格構式鋼骨

九肢型鋼分散布置,需通過綴板連接以協調抗力。但型鋼肢數越多,傳力越不直接,各肢協同工作的難度越大。

伸臂只和中間三肢型鋼直接連接,需要通過大量的綴板連接後才能把力傳遞給其他六肢,傳力途徑不直接。

型鋼間聯繫很弱,依靠綴板傳力在節點區應力集中處,易產生縱向劈裂破壞和剪切破壞。

抗震性能不好。

方案二:『王』字形實腹式鋼骨

可有效解決協同抗力和剪切破壞兩個關鍵問題。

鋼骨內部形成約束混凝土,提高巨型柱的抗壓能力和延性。

在節點區域與伸臂和環帶桁架的連接較方便,伸臂和環帶的力可直傳遞給整個鋼骨。

鋼骨可在工廠焊接完成,現場可整體吊裝,減少了現場焊接量。

鋼骨與伸臂的連接

承載力驗算

採用纖維單元法得到SRC巨型柱的空間屈服曲面。將巨型柱的內力狀態和空間屈服曲面繪製在同一內力坐標下,進行比較,當荷載對應的空間點落在空間屈服曲面內時,則可以判定該構件滿足承載力要求。

延性分析

鋼骨吊裝

來源:築龍論壇、易築結構

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