超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成本控制要求

1、超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成本控制要求一、超高層的定義我國(guó)90年代初期超高層的定義是超過(guò)100米的建筑。90年代末期深圳出現(xiàn)了地王大廈米、賽格廣場(chǎng)米的超高層，上海也建成了金茂大廈420米。進(jìn)入21世紀(jì)的十年，高度被不斷刷新，已建成最高的建筑是上海環(huán)球金融中心，高度為492米。90年代超高層代表超過(guò)400米高層一覽從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，一般認(rèn)為超過(guò)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高度限值規(guī)定的高層稱(chēng)之為“超高層”。 二、超高層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、超高層的主要受力特點(diǎn)：影響結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的主要因素是水平力的作用地震作用和風(fēng)作用。2、地震作用主要是由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的慣性力。主要影響因素為：結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)剛度以及結(jié)構(gòu)的阻

2、尼比。在高烈度地震區(qū)（如北京、西安、昆明、?？诘?度區(qū)）以及類(lèi)場(chǎng)地的7度區(qū)（上海、天津部分地區(qū)），地震作用起主導(dǎo)。對(duì)結(jié)構(gòu)的要求是在具備一定剛度的同時(shí)應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的自重。3、在沿海地區(qū)，深圳、廈門(mén)、三亞等地區(qū)，由于風(fēng)荷載較大，對(duì)超高層其主要作用的是風(fēng)荷載。主要是100年一遇對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響以及10年一遇對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度的影響。對(duì)結(jié)構(gòu)的要求是具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度。三、超高層的結(jié)構(gòu)體系超高層從抗側(cè)力的角度主要有：1、框架；2、剪力墻（含筒體）；3、支撐三類(lèi)構(gòu)件。一般需要設(shè)置兩道防線(xiàn)。常用的組合為：1+2、1+3、1+2+3三種。按材料劃分主要有：a、鋼筋砼結(jié)構(gòu)；b、鋼結(jié)構(gòu)；c、鋼砼混合結(jié)構(gòu)。上述1+2體

3、系多采用a；1+3體系多采用b；1+2、1+2+3體系多采用c。1、鋼筋砼框架筒體結(jié)構(gòu)（a，1+2）在較低的超高層（200米以下）中應(yīng)用較為普遍。它具有：1）剛度大；2）結(jié)構(gòu)自重較大（大于20KN/)；3）阻尼比大（）；4）造價(jià)相對(duì)低廉等特點(diǎn)。在8度以下地區(qū)采用優(yōu)勢(shì)較為明顯。目前，即使超過(guò)300米的結(jié)構(gòu)仍然有一定優(yōu)勢(shì)。例如：深圳的漢國(guó)大廈。高米，75層。由于核心筒距離外框架柱跨度較?。?米），采用砼體系仍然較為經(jīng)濟(jì)。按施工圖統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)造價(jià)約2700元/。深圳漢國(guó)大廈提高結(jié)構(gòu)的剛度是本工程的主要目標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)以控制風(fēng)荷載位移為目標(biāo)，同時(shí)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在不同目標(biāo)風(fēng)速下的加速度?；炷翗巧w和鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋的

4、比較 材料用量材料 類(lèi)型構(gòu)件組合樓蓋 混凝土樓蓋 混凝土 / 組合方案 混凝土 (m3)墻 2915829158柱 8002 8002 梁 -8598 樓板 (包含核心筒梁) 19820 19820 總計(jì) 56979 65577 115.1%平均 (m3/m2)0.50 0.58 115.1%用鋼量 (t)壓型鋼板 (m2)81500-F15以下墻體內(nèi)埋 666 666 柱 6979 6979 伸臂桁架 3907 3907 梁 7303 -總計(jì) 18855 11553 61.3%平均 (kg/m2)167 10261.3%2、鋼框架支撐體系（b,1+3體系）。具有： 1）剛度較大；2）結(jié)構(gòu)自重

5、輕（1013KN/）；3）阻尼比?。ǎ?）造價(jià)相對(duì)較高等特點(diǎn)。在8度及以上地區(qū)采用優(yōu)勢(shì)較為明顯。例如：天津津塔、北京銀泰中心等。由于構(gòu)件尺寸較小，節(jié)省較多建筑空間。北京銀泰高250米，標(biāo)準(zhǔn)層僅為40米X40米；在使用空間相同的情況下，比一般的砼結(jié)構(gòu)的45米X45米的平面節(jié)省面積26.5%。北京銀泰用鋼量168Kg/；天津津塔用鋼量191Kg/。結(jié)構(gòu)造價(jià)超過(guò)3000元/北京銀泰 津塔銀泰平面 津塔平面3、鋼砼混合結(jié)構(gòu)體系主要是指框架的梁、柱為鋼梁、鋼管砼柱或型鋼砼柱；核心筒為鋼筋砼筒體。應(yīng)用范圍較廣。具有：1）剛度大；2）自重適中（1718KN/）；3）阻尼比；4）造價(jià)介于砼和鋼結(jié)構(gòu)之間。目前

6、，國(guó)內(nèi)高度前幾位的超高層建筑均采用此種體系。我所設(shè)計(jì)的安徽國(guó)際金融中心（57層，224米）采用此體系，鋼結(jié)構(gòu)用量76Kg/、鋼筋用量46Kg/；砼用量為3/。結(jié)構(gòu)造價(jià)較便宜。安徽國(guó)際金融中心四、超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的主要因素1、選擇恰當(dāng)?shù)目箓?cè)力體系1）保證足夠的抗側(cè)剛度；2）保證兩道抗震防線(xiàn)筒體、框架；3）保證結(jié)構(gòu)的舒適度。結(jié)構(gòu)體系第一道防線(xiàn)核心筒第二道防線(xiàn)框架2、選擇恰當(dāng)?shù)臉巧w體系鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系宜選擇鋼筋砼主次梁樓蓋?？缍纫话阍?0米以?xún)?nèi)較為經(jīng)濟(jì)。選擇寬扁梁，鋼筋用量一般增加20%左右。也有采用空心平板體系，跨度在9米以?xún)?nèi)可考慮?；旌辖Y(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)一般選擇鋼梁組合樓板體系。主要是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)施工速

7、度快的特點(diǎn)。對(duì)于跨度大于12米的情況，經(jīng)濟(jì)性明顯。組合樓蓋主要有樓承板、鋼筋桁架板、鋼筋砼預(yù)制現(xiàn)澆疊合板等形式。幾種組合樓板型式3、選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件組合型式采用鋼筋砼柱時(shí)，一般采用鋼筋砼梁；采用型鋼砼柱時(shí)，可采用鋼梁和鋼筋砼梁均可。取決于樓蓋體系。采用鋼管砼柱（圓形、方形）時(shí)，應(yīng)盡量考慮采用鋼梁。采用砼梁時(shí)應(yīng)注意節(jié)點(diǎn)的處理方式：砼環(huán)梁節(jié)點(diǎn)影響建筑立面。目前有采用鋼管開(kāi)孔的節(jié)點(diǎn)型式，雖有試驗(yàn)結(jié)論，尚未形成規(guī)范。節(jié)點(diǎn)實(shí)例4、選擇恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)型式基礎(chǔ)型式主要取決于地質(zhì)條件。恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)型式造價(jià)僅占主體造價(jià)的10%以?xún)?nèi)。選擇合理的持力層；如：強(qiáng)風(fēng)化承載力低、埋藏淺；微風(fēng)化承載力高、埋藏深。應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。選

8、擇最適合場(chǎng)地施工、質(zhì)量易控制的樁型。綜合考慮樁基和承臺(tái)的成本。主樓范圍外的地下室抗浮方案對(duì)成本影響較大。五、影響結(jié)構(gòu)成本的幾個(gè)主要因素1、基坑支護(hù)。超高層結(jié)構(gòu)由于埋深的要求，地下室較深。一般至少三層，深度在15米以上。目前深基坑主要分樁錨體系和內(nèi)支撐體系兩大類(lèi)。其中內(nèi)支撐體系中包含“逆作法”。樁錨體系造價(jià)較高，安全性差。施工方便。內(nèi)支撐體系相對(duì)便宜，安全性好。支撐影響上部結(jié)構(gòu)施工。如可采用逆作法，綜合效益會(huì)比較明顯。內(nèi)支撐體系15米的深基坑造價(jià)在萬(wàn)元/延長(zhǎng)米。根據(jù)5060層結(jié)構(gòu)項(xiàng)目測(cè)算，按單棟10萬(wàn)平米計(jì)算?；又ёo(hù)的造價(jià)約為80120元/。2、樁基選型除個(gè)別可以采用天然地基的情況外，絕大多數(shù)

9、超高層結(jié)構(gòu)采用樁基。樁基分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類(lèi)。1）超高層建筑可以采用預(yù)應(yīng)力管樁的情況較少。主要采用鋼管樁，如上海金茂采用914的鋼管樁。承載力一般，造價(jià)較高，施工速度快。2）灌注樁。按成孔形式分為人工挖孔和機(jī)械成孔兩類(lèi)。按受力型式分為摩擦樁和摩擦端承樁。軟土地質(zhì)條件都是摩擦樁。由于其承載力較低，一般按群樁和厚筏板共同工作的方式設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是承臺(tái)較厚。在受力上，布樁與板厚的關(guān)系比較密切，需要做不同的方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。巖層埋藏較淺的地質(zhì)條件，應(yīng)首選大直徑摩擦端承樁。盡量做到一柱一樁，核心筒的樁布置在墻下。目的是減小承臺(tái)厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，灌注樁的造價(jià)在100元/150元/之間。而筏板的厚度不同

10、的方案相差較大，因此基礎(chǔ)選型的成本控制關(guān)鍵點(diǎn)是筏板，樁基是相對(duì)次要的。3、主體結(jié)構(gòu)1）剪力墻超高層的剪力墻一般抗震性能目標(biāo)都是將底部加強(qiáng)區(qū)設(shè)定為中震彈性。其抗剪承載力是小震的倍左右。墻體的配筋率一般在0.6%以上，暗柱一般需要設(shè)置型鋼。底部加強(qiáng)區(qū)的范圍取結(jié)構(gòu)總高度的1/8取整后再加一層的高度。設(shè)置剛性加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)，其加強(qiáng)層以及上下層也常常需要設(shè)定為中震彈性。配筋同底部加強(qiáng)區(qū)。剪力墻的造價(jià)在主體構(gòu)件中占35%左右。底部加強(qiáng)區(qū)剛性加強(qiáng)層非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻部位指示非底部加強(qiáng)區(qū)，一般按構(gòu)造配筋。分布筋為0.3%。2）框架柱型鋼砼柱：在底部加強(qiáng)區(qū)按中震彈性設(shè)計(jì)。其余部位應(yīng)按規(guī)范4%的最小配鋼率配置型鋼。

11、鋼管砼柱：除底部加強(qiáng)區(qū)外，其余部位應(yīng)按計(jì)算值控制。在鋼管或型鋼的設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意材質(zhì)和鋼板厚度的需選擇。普通的Q345B、C鋼材其強(qiáng)度按厚度分組，厚度超過(guò)35mm時(shí)，強(qiáng)度僅為265MPa，因此厚鋼板應(yīng)優(yōu)先選擇Q345GJ的高建鋼，其強(qiáng)度不分組。此外，當(dāng)鋼板厚度超過(guò)40mm小于60mm時(shí)，必須提供Z15的Z向性能要求；大于60mm時(shí)需要Z25性能。這樣的材料價(jià)格一般比中厚板高15%20%，且有一定的訂貨期。設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用。當(dāng)柱斷面較大時(shí)，應(yīng)注意核算每層型鋼或鋼管的重量。盡量避免單件重量過(guò)大的情況，這往往是施工選擇塔吊的決定因素。超過(guò)36B的塔吊費(fèi)用將成幾倍的增加。在較長(zhǎng)的工期中，成本和用電量都很明顯增大。柱的鋼材用鋼量一般占4045Kg/。3）樓層梁選擇鋼梁體系的樓蓋其成本主要分為：鋼梁、樓承板、鋼筋砼板三部分。成本主要與跨度有關(guān)。以12米跨為例，鋼梁40Kg/、樓承板100元/、砼3/、鋼筋6Kg/。樓層造價(jià)約500元/（含鋼梁防火涂料）。選擇鋼筋砼體系成本約為鋼結(jié)構(gòu)的60%70