超高層概念及設(shè)計(jì)

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超高層與超限高層的概念超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)型式超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

超高層和超限高層在美國(guó)，24.6m或7層以上視為高層建筑；152米以上視為超高層。在日本，31m或8層及以上視為高層建筑；60米以上視為超高層。在英國(guó)，把等于或大于24.3m的建筑視為高層建筑?！睹裼媒ㄖ▌t》（GB50532-2005）：41層及以上（或高度超高100米）的民用建筑《高層民用建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50045-95）：40層以上或者高度超高100米，并設(shè)有消防電梯和避難間國(guó)外國(guó)內(nèi)超高層高度超限高層建筑工程：房屋高度超過(guò)規(guī)定，包括超過(guò)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6章現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和第8章鋼結(jié)構(gòu)適用的最大高度、超過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)工程技術(shù)規(guī)程》第7章中有較多短肢墻的剪力墻結(jié)構(gòu)、第10章錯(cuò)層結(jié)構(gòu)和第11章混合結(jié)構(gòu)最大適用高度的高層建筑工程。

超限高層《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》建設(shè)部令第111號(hào)超限高層概念區(qū)別：超高層和超限高層

超限高層不一定是超高層超高層也不一定是超限高層超高300米的超高層一定是超限高層超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外超高層建筑物建筑名稱(chēng)Burj

Khalifa(哈利法塔)所屬?lài)?guó)家地區(qū)迪拜（阿聯(lián)酋）建筑高度828米（2717ft）混凝土高度601米層數(shù)163層完工年份2010年結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土動(dòng)土?xí)r間2004年9月21日封頂時(shí)間2009年10月抗震能力6.3級(jí)地震總造價(jià)20億美元占地面積34.4公頃混凝土量33萬(wàn)立方米混凝土鋼材3.9萬(wàn)公噸玻璃14.2萬(wàn)平方米。國(guó)內(nèi)外超高層建筑物建筑名稱(chēng)Taipei101(臺(tái)北101大廈)所屬?lài)?guó)家地區(qū)臺(tái)北（中國(guó)）建筑高度508米（1667ft）層數(shù)101層結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土，新式巨型框架動(dòng)土?xí)r間1999年7月封頂時(shí)間2003年10月17日抗震能力6.3級(jí)地震總造價(jià)580億元新臺(tái)幣占地面積30278平方米鋼材107000噸泵送混凝土高度445.2混凝土最高強(qiáng)度C70臺(tái)北101大廈國(guó)內(nèi)外超高層建筑物建筑名稱(chēng)ShanghaiWorldFindancialCenter(上海環(huán)球金融中心)所屬?lài)?guó)家地區(qū)上海（中國(guó)）建筑高度492米（1614ft）層數(shù)101層結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土+鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)土?xí)r間2003年2月封頂時(shí)間2008年8月29日抗震能力8度設(shè)防總造價(jià)73億人民幣占地面積30278平方米鋼材26000噸泵送混凝土高度492米混凝土最高強(qiáng)度C60上海環(huán)球金融中心常用建筑物平面形狀超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)型式

概念區(qū)別結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)體系是指建筑結(jié)構(gòu)受力骨架的材料構(gòu)成是指建筑結(jié)構(gòu)受力骨架形式和空間構(gòu)成形式砌體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土鋼結(jié)構(gòu)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)框架-剪力墻筒體巨型結(jié)構(gòu)普通高層超高層框筒內(nèi)框外筒筒中筒外框內(nèi)筒成束筒多筒結(jié)構(gòu)體系內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)體系筒中筒美國(guó)世貿(mào)框架核心筒與筒中筒區(qū)別成束筒西爾斯大廈懸掛結(jié)構(gòu)體系巨型桁架體系上海環(huán)球金融中心不同結(jié)構(gòu)體系的高度適用性不同結(jié)構(gòu)體系的高度適用性結(jié)構(gòu)型式鋼和混凝土是超高層建筑最主要和最基本的結(jié)構(gòu)材料，根據(jù)所用結(jié)構(gòu)材料的不同，超高層建筑結(jié)構(gòu)大致可以劃分為三大類(lèi)型：鋼結(jié)構(gòu)【1931年建成的102層、高381m的美國(guó)紐約帝國(guó)大廈；1969年建成的110層、高417m的美國(guó)紐約世界貿(mào)易中心；1970年建成的110層、高443m的美國(guó)芝加哥西爾斯大廈】，北京國(guó)貿(mào)大廈（38層，155.2m，鋼筒中筒，1989年）】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)【1962年美國(guó)芝加哥的瑪麗娜城雙塔落成(61層，179m高)，1990年結(jié)構(gòu)封頂?shù)钠饺懒╋埖辏?01層,334米），1992年建成的廣東國(guó)際大廈(高199m，63層)，香港中環(huán)廣場(chǎng)(高374m，78層)和1996年建成的廣州中信廣場(chǎng)(高391m，80層)，2009年建成的美國(guó)芝加哥川普國(guó)際大廈（98層，423米目前為世界最高混凝土】混合結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)【上海環(huán)球金融中心（101,492米）和臺(tái)北101大廈（101，598米），香港國(guó)際貿(mào)易中心（108,484米）】，即將建成的天津117大樓……鋼結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度高的優(yōu)良特性，是一種歷史悠久、應(yīng)用廣泛的超高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型。鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工速度快、工期比較短等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在鋼材消耗量大、建造成本高、結(jié)構(gòu)抗側(cè)向荷載剛度小、體形適應(yīng)性弱、防火性能差、施工技術(shù)和裝備要求比較高等缺陷。因此鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑主要在工業(yè)化發(fā)展水平比較高的發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了混凝土受壓和鋼筋受拉性能優(yōu)良的特性，是一種廣泛應(yīng)用的超高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有原材料來(lái)源廣、鋼材消耗量小、建造成本低、結(jié)構(gòu)抗側(cè)向荷載剛度大、體形適應(yīng)性強(qiáng)、防火性能優(yōu)越、施工技術(shù)和裝備要求比較低等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在自重比較大、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)多、施工工期比較長(zhǎng)的缺陷。因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)超高層建筑首先在工業(yè)化發(fā)展水平還比較低的發(fā)展中國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。但由于其具有良好的經(jīng)濟(jì)性，因此近年來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的超高層建筑也曰益增加。由于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。所以在超高層建筑不同部位可以采用不同的結(jié)構(gòu)材料，形成混合結(jié)構(gòu)，在同一個(gè)結(jié)構(gòu)部位也可以用不問(wèn)的結(jié)構(gòu)材料形成組合(復(fù)合)結(jié)構(gòu)。鋼與鋼筋混凝土組合方式多種多樣，通過(guò)組合可以形成組合梁、鋼骨梁、鋼骨柱、鋼管混凝土柱、組合墻、組合板和組合薄殼等。這些組合構(gòu)件充分發(fā)揮了鋼和鋼筋混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)，性能優(yōu)異，性?xún)r(jià)比高，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超高層建筑工程中。鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型發(fā)展趨勢(shì)超高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平所決定。在超高層建筑發(fā)展初期，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)相對(duì)比較成熟，因此在1970年以前，超高層建筑多采用鋼結(jié)構(gòu)。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混(組)合結(jié)構(gòu)技術(shù)日趨成熟，超高層建筑采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混(組)合結(jié)構(gòu)的比重不斷增加。目前在超高層建筑中，純鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍有所縮小，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混(組)合結(jié)構(gòu)的比重已經(jīng)超過(guò)純鋼結(jié)構(gòu)。鑒于鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑存在成本高、防火性能差的缺陷，今后純鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步縮小，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混(組)合結(jié)構(gòu)將成為超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型。工程實(shí)例分析經(jīng)濟(jì)性分析超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1）結(jié)構(gòu)體系的選擇為超高層設(shè)計(jì)的重中之重。（1）抗震設(shè)防烈度是超高層結(jié)構(gòu)體系選用首要考慮因素之一。（2）超高層建筑方案，應(yīng)受到結(jié)構(gòu)方案的制約，超高層應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)優(yōu)先的設(shè)計(jì)技術(shù)。（3）超高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇技術(shù)，是此建筑的最主要特點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。應(yīng)據(jù)擬建場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件和抗震性能目標(biāo)的確定及經(jīng)濟(jì)的合理性綜合考慮。2）縮小豎向構(gòu)件產(chǎn)生的縮短變形差技術(shù)3）P△效應(yīng)控制技術(shù)4）風(fēng)作用控制技術(shù)超高層建筑結(jié)構(gòu)變形控制豎向變形水平變形一般的多層利高層建筑相比，超高層結(jié)構(gòu)的計(jì)除了需要在結(jié)構(gòu)體系選擇、抗震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)等方面有更高的要求之外，還需要考慮非荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力分析。非荷載作用荷載作用收縮變形徐變變形溫度變形彈性壓縮風(fēng)載變形地震變形總變形徐變知識(shí)

混凝土徐變(creepofconcrete)：混凝土在某一不變荷載的長(zhǎng)期作用下(即，應(yīng)力維持不變時(shí)),產(chǎn)生的塑性變形。

1.產(chǎn)生徐變的主要原因：（1）是混凝土受力后，水泥石中的膠凝體產(chǎn)生的黏性流動(dòng)（顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)）要延續(xù)一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間；（2）另一方面骨料和水泥石結(jié)合面裂縫的持續(xù)發(fā)展。

2.影響徐變的因素除了和時(shí)間有關(guān)外，還與下列因素有關(guān)：（1)應(yīng)力條件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，徐變與應(yīng)力大小有直接關(guān)系。應(yīng)力越大，徐變也越大。實(shí)際工程中，如果混凝土構(gòu)件長(zhǎng)期處于不變的高應(yīng)力狀態(tài)是比較危險(xiǎn)的，對(duì)結(jié)構(gòu)安全是不利的。（2）加荷齡期。初始加荷時(shí)，混凝土的齡期越早，徐變?cè)酱?。若加?qiáng)養(yǎng)護(hù)，使混凝土盡早結(jié)硬或采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，可減少徐變。（3）周?chē)h(huán)境。養(yǎng)護(hù)溫度越高，濕度越大，水泥水化作用越充分，徐變就越?。辉嚰芎珊?，環(huán)境溫度低，濕度大，徐變就越小。（4）混凝土中水泥用量越多，徐變?cè)酱螅凰冶扔?，徐變愈大。?）材料質(zhì)量和級(jí)配好，彈性模量高，徐變小。混凝土的徐變會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力性能。如局部應(yīng)力集中可因徐變得到緩和，支座沉陷引起的應(yīng)力及溫度濕度力，也可由于徐變得到松弛，這對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)是有利的。但徐變使結(jié)構(gòu)變形增大對(duì)結(jié)構(gòu)不利的方面也不可忽視，如徐變可使受彎構(gòu)件的撓度增大2~3倍，使長(zhǎng)柱的附加偏心距增大，還會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損損失。

3.壓應(yīng)力與徐變的關(guān)系：

σc≤0.5fc──線性徐變，具有收斂性；

σc>0.5fc──非線性徐變，隨時(shí)間、應(yīng)力的增大呈現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；

σc>0.8fc──砼變形加速,裂縫不斷地出現(xiàn)、擴(kuò)展直至破壞（非收斂性徐變）。一般地,混凝土長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度取（0.75~0.8）fc徐變系數(shù)：φ=εcr/εce=ECεcr/σ。

4.徐變對(duì)構(gòu)件受力性能的影響：在荷載長(zhǎng)期作用下，受彎構(gòu)件的撓度增加；細(xì)長(zhǎng)柱的偏心距增大；

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件將產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失等。徐變可消除鋼筋混凝土內(nèi)的應(yīng)力集中，使應(yīng)力較均勻的重新分布，對(duì)大體積混凝土能消除一部分由于溫度變形所產(chǎn)生的破壞應(yīng)力。但在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，徐變將使混凝土的預(yù)加應(yīng)力受到損失。

creepofconcreteSRC結(jié)構(gòu)的豎向變形計(jì)算鋼框架～鋼筋混凝土或型鋼混凝土筒體體系在我國(guó)超高層建筑中發(fā)展迅速，成為我國(guó)超高層中使用最多的結(jié)構(gòu)體系，習(xí)慣上稱(chēng)之為SRC結(jié)構(gòu)體系。SRC超高層建筑中的立柱或筒體，集聚了樓層的荷載，高度方向上相對(duì)較長(zhǎng)，以及材料的依時(shí)變形等，所以會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形。在SRC超高層建筑中，由于核心筒和外框架通常為不同的材料，這樣豎向變形差異問(wèn)題就更加突出尖銳。觀測(cè)研究高層超高層建筑鋼筋混凝土柱豎向縮短可追溯到上世紀(jì)70年代阻，以往多從徐變度、徐變系數(shù)出發(fā)來(lái)研究高層及超高層建筑豎向縮短問(wèn)題，以及在彈性徐變理論的基礎(chǔ)上，引入加載影響系數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)和估算SRC超高層建筑的豎向變形。但這些預(yù)測(cè)和估算方法和實(shí)際之間的差異主要有：(1)基本上仍為構(gòu)件層次，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)連續(xù)，內(nèi)力重分布的調(diào)整作用：(2)沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)逐步成型的，不能利用最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；(3)超高層建筑施工過(guò)程中荷載(主要是自重)是逐步施加的；(4)沒(méi)有考慮施工過(guò)程中逐層找平對(duì)豎向變形差異的調(diào)整作用。超高層結(jié)構(gòu)的豎向變形計(jì)算-SRC△=△i+△s+△c+△t總變形△I彈性變形△s收縮變形△c徐變變形△t溫度變形某25層框筒結(jié)構(gòu)房屋，采用C30混凝土，外柱底層斷面1m×1m，2～9層柱斷面為0．9m×0．9m，第九層以上的總荷重為5196kN，其他層(1～8)附加荷載為176～235kN不等。以九層為計(jì)算截面列表計(jì)算100天后的變形量為25.34mm,二十五層層頂外柱可能達(dá)到55mm左右的豎向變形。結(jié)論徐變變形所占比例較大，不可忽略。應(yīng)注意調(diào)整施工標(biāo)高。計(jì)算基礎(chǔ)：1.基礎(chǔ)不沉降2.每層核心筒施工時(shí)均調(diào)整到設(shè)計(jì)標(biāo)高,即i層核心簡(jiǎn)施工時(shí)，對(duì)在i一1時(shí)刻(施工完i—1層混凝土)至i時(shí)刻(施工完i層混凝土)在i層處積累的豎向變形進(jìn)行調(diào)整。3.核心筒預(yù)埋件考慮了豎向依時(shí)變形的影響，SRC柱的鋼結(jié)構(gòu)部分和鋼框架安裝時(shí)調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高。4.混凝土樓面和SRC柱同時(shí)澆筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高。魚(yú)腹型超高層建筑水平位移控制規(guī)范限制3.7.3按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大位移與層高之比△u/h宜符合以下規(guī)定：1高度不大于150m的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h不宜大于表3.7.3的限值2高度等于或大于250m的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h不宜大于1/500；3高度在150～250m之間的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比△u/h的限值按本條第1款和第2款的限值線性插入取用。3.7.6高度超過(guò)150m的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度要求，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009規(guī)定的10年一遇的風(fēng)荷載取值計(jì)算的順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度αmax不應(yīng)超過(guò)表4.6.6的限值。必要時(shí)，可通過(guò)專(zhuān)門(mén)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算確定順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度αmax，且不應(yīng)超過(guò)表3.7.6的限值。一般說(shuō)，在正常的風(fēng)壓狀態(tài)下，距地面高度為10米處，如風(fēng)速為5米／秒，那么在90米的高空，風(fēng)速可達(dá)到15米／秒。若高達(dá)300-400米，風(fēng)力將更加強(qiáng)大，即風(fēng)速達(dá)到30米／秒以上時(shí)，摩天大樓會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。紐約世貿(mào)中心在春季刮風(fēng)時(shí)，通常搖晃偏離中心6-12英寸(15-30厘米)，在強(qiáng)颶風(fēng)作用下，位移可達(dá)3英尺(1英尺約等于30厘米)，設(shè)計(jì)按最大風(fēng)力下的最大偏離為4英尺。芝加哥西爾斯大廈在大風(fēng)情況下最大偏離中心可達(dá)6英尺，據(jù)說(shuō)裝了陀螺平衡裝置后可調(diào)到5英尺。人體對(duì)加速度比較敏感，而對(duì)速度和位移不夠敏感。人體對(duì)各種振動(dòng)加速度的反應(yīng)如表1-2所示，一般情況下加速度小于15gal就不會(huì)有不舒服的感覺(jué)。規(guī)范限制JGJ99-98（《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》）：公寓建筑：0.2m/s2(20gal/s2)

公共建筑：0.28m/s2(28gal/s2)基于性能的超高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)減小風(fēng)振動(dòng)加速度的途徑

1.合理的建筑體形

(1)流線形平面采用圓彤或橢圓形等流線形平面的建筑物，有利于減少作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載。采用三角形或矩形平面的高層建筑，轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)成圓角或切角，可以減少轉(zhuǎn)角處的風(fēng)壓集中。(2)截錐狀體形高層建筑若采用上小下大的截錐體體形，由于頂部尺寸交小，減少了樓房上部較大數(shù)值的風(fēng)荷載，并減小了風(fēng)荷載引起的傾覆力矩，從而使風(fēng)振時(shí)的振幅和加速度得以較大的減小。(3)不大的高寬比房屋高寬比是衡量一棟高樓抗推剛度和側(cè)移控制的一個(gè)主要指標(biāo)，應(yīng)該滿足一定的高寬比限值。2.阻尼裝置風(fēng)振控制裝置屬非承重構(gòu)件，其功能僅在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮耗能作用，而不承擔(dān)導(dǎo)荷承載作用，即增加風(fēng)振控制裝置不改變主體結(jié)構(gòu)豎向受力體系。一般情況下，結(jié)構(gòu)越高、越柔、跨度越大、振動(dòng)越強(qiáng)、風(fēng)壓越高，則控制效果越顯著。風(fēng)振控制技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外眾多高層、高聳結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，如紐約世界貿(mào)易中心采用的l0000個(gè)黏彈性阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振控制，并取得了良好的控制效果；哥倫比亞SeaFirst大廈采用黏彈性阻尼器對(duì)其進(jìn)