《高层建筑基础分析与设计》高层和超高层建筑结构体系.ppt
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1、1,第二章 高层和超高层建筑结构体系,第一节 引 言,在国内一般把超过8层的建筑称为高层建筑,在国际上把高度超过100m或30层以上的高层建筑,又称之为超高层建筑(Super Tall Building)。对于一般高层建筑,通常采用:框架 框架-剪力墙 剪力墙结构随着建筑高度要求的增长,这些结构不能适应时代的需要,新的结构也随之出现,对于超高层建筑,通常采用:框架-筒体结构 筒中筒结构 成束筒结构等,当建筑物高度增加时,水平荷载(风荷载及地震作用)对结构起的作用将愈来愈大。为了正确认识高层建筑结构体系,必须对高层结构设计的控制因素有足够的了解。本章首先概括阐述高层建筑结构设计的控制因素,然后介
2、绍高层建筑结构体系的类型,最后简单讨论高层和超高层结构体系的选择问题。,3,3,第二节 高层和超高层建筑结构设计的控制因素1.风荷载 越是高的建筑物,其风荷载越是起着主要的作用。按照我国规范建筑结构荷载规范(GB50009),对于风荷载,可采用以下公式确定。,4,4,其中z为风压高度变化系数,对于平坦或稍有起伏的地形,应根据地面粗糙度类别按规范表7.2.1确定。高度越高,系数z越大。但规范中对于风荷载的规定,是基于低空(8 m 12 m)风速观测数据、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而得出的,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和LE
3、RA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。,5,世界著名设计事务所,SOM建筑设计事务所是美国最大的建筑师-工程师事务所之一。1936年芝加哥成立,拥有地标性城市综合发展及高层项目设计的悠久经验。代表作:上海金茂大厦、约翰汉考克大厦、芝加哥西尔斯大厦、花旗银行世界总部、伯吉迪拜哈里发塔、纽约时代华纳中心、日本东京中城项目、黄浦江两岸总体规划、北京国贸中心、香港会展中心等。英国ARUP(奥雅纳)公司于1946年在英国成立,是全球最大、最成功的工程顾问公司之一。代表作:澳大利亚悉尼歌剧院、巴黎庞比度艺术和文化中心、伦敦劳斯保险大厦、日本大阪关西国际
4、机场大厦、香港大球场、香港汇丰银行总部、上海嘉里不夜城、上海浦东新国际机场建筑方案、上海南京西路中信广场等。美国“金斯勒建筑事务所”(Gensler):上海中心英国的“福斯特建筑事务所”(Foster Partners)美国“帕金斯威尔建筑事务所”(Perkins-Will)纽约SHoP建筑事务所,6,6,又如台北-101大楼的设计,除了参考当地规范外,还委托加拿大Rowan Williams Davies&Irwin Inc.(RWDI)公司,采用风洞试验确定大楼设计荷载。以1:500比例制作现场半径为600 m以内的风场环境模型,输入以10级为单位风力,模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角
5、度的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。然后再将这些数据提供设计单位作为设计风力的依据。,7,7,迪拜哈利法塔对风荷载进行大量研究和分析工作,其风洞试验也在加拿大RWDI的风洞中进行。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
6、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风速。而塔楼的上部分采用1:50的比例,试验在加拿大Ottawa国家研究中心的9m9m的风道中进行试验,在9m9m的风道中可达到风速55m/s。上述这些的宝贵资料和研究方法,对我国规范修订同样有借鉴作用。,8,8,2.地震力 地震力的预测,目前尚难准确确定。例如,在地震频繁的日本地区,对地震已进行许多深入研究,但地震前也几乎
7、无法准确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,还必须考虑地震。例如,台北-101大楼,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地下200m的断层的深入研究,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。大楼即将完成之际,我国台湾省遇到了“921”大地震,平安无恙,巍然不动,这是一个宝贵经验。,9,9,3.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300万kN,混凝土巨型柱荷载为101,670kN;又如,台北-10
8、1大楼,建筑物总垂直荷载超过400万kN。因此,对地基基础的要求很高。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,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。,10,10,4.业主要求 业主最关心的通常就是建筑艺术和经济。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,但又要满足建筑艺术和经济的要求,则有赖于建筑师、结构工程师和岩土工程
9、师等多方面的密切配合。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。,11,11,第三节 高层和超高层建筑的结构体系 一般的高层建筑,通常采用框架、框架-剪力墙和剪力墙结构体系。随着对建筑高度要求的不断增加,高度增长很快,超高层建筑也越来越多,以往的结构类型已远远不能适应时代的需要。从结构角度分析,一般适用于3040层的高层建筑结构体系,其刚度、抗剪、抗扭、抗风和抗震能力不能适应更高高度的超高层建筑结构要求。框架-筒体结构、筒中筒结构和成束筒结构已成为当代超高层建筑的主要结构体系。,12,12,1框架结构体系 框架结构竖柱的面积较小,构件本身占面积不多,形成较大空间,建筑布
10、置灵活,使用面积可以加大,适用于层数不多的高层低层建筑。框架结构平面及平面示意如图所示。,13,13,2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。剪力墙结构是一个多功能高强结构体系,可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。,14,14,15,15,中国最高的水景豪宅世茂滨江花园(7栋49层至55层,剪力墙结构),16,16,3框架-剪力墙结构体系 简称框剪
11、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。框剪结构体系布置是否合理直接影响结构的安全和经济。框剪结构体系在我国基本上用以20层以内的高层建筑,也有超过20层,例如,29层的上海宾馆。,17,17,18,18,上海宾馆-29层,框剪结构,19,19,上述三种结构体系一般不适用于超高层建筑。4筒体结构体系 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。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
12、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。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。,20,20,(1)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,美国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。,21,21,22,22,(2)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
13、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。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性能。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,抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭转力矩能力强。,23,23,24,24,110层的世界贸易中心(旧址),25,25,(3)多筒结构 对于超高层建筑,一般均采用多筒结构体系。如,三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构和组合筒结构。多筒结构
14、的刚度特别大,抗震力也特别强。,26,第四节 高层建筑的工程实例,本节列举12个有代表性的按年份建成的著名工程实例,以资借鉴,有助正确认识高层建筑的结构体系。1美国独特贝壳广场(One Shell Plaza,1970)2美国西尔斯大楼(Sears Tower,1974)3香港中国银行大楼(Bank of China Tower,1989)4马来西亚石油大厦(Petronas Twin Tower,1997)5德国商业银行塔楼(Commerzbank tower in Frankfurt am Main,1997)6金茂大厦(Jinmao Building,1998),27,7高雄东帝士85超
15、高大楼(T&C Tower,1999)8恒隆广场(Henglong Plaza,2002)9台北-101大楼(Taibei International Financial Center,2004)10百联世茂国际广场(Brilliance Shimao International Plaza,2004)11上海环球金融中心(Shanghai World Financial Center,2008)12迪拜哈利法塔楼(Dubai Khalifa Tower),28,一、实例1美国独特贝壳广场(One Shell Plaza)独特贝壳广场建造于1970年,位于美国休斯敦(Houston,Texas
16、),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内主要是粘土。要求结构体系必须使整个建筑物最为经济,建筑物包括基础全部采用轻质混凝土。这座大楼的结构体系:上部结构采用钢筋混凝土筒中筒,由间距1.83m(6ft)外柱的混凝土框筒和剪力墙的内墙筒组成,。这种体系在当时是剪力墙与框架共同作用结构的发展。楼板结构采用密肋楼板。混凝土外框柱外面为玻璃帷幕。这样,使得整个建筑别有风格,尤为美观。,29,30,31,One Shell Plaza,Houston,TX,32,基础采用筏板基础。基础埋深为18.3m(60ft),筏厚2.52m,该筏板从大楼的四边
17、各伸出6.1m,因此,整个筏板的尺寸为 70.76m52.46m。这座大楼不但设计成功,而且,采用轻质混凝土把原设计的35层大楼变成52层,获得很高的经济效益。应予指出:现场监测很成功,为编制美国建筑规范作出应有贡献。,33,二、实例2美国西尔斯大楼(Sears Tower),1974年在美国芝加哥建成443m高(加上天线达500m),110层的西尔斯大楼,成为当时世界最高的建筑,纽约的世界贸易中心大厦(412m,110层)只能让位,退居第二。,34,Sears Tower,Chicago,35,大楼由9个标准方形钢筒体(22.9m22.9m)组成,建造到51层减少2个筒体,到66层再减少2个
18、筒体,到91层又再减少3个筒体,到顶部变成2个筒体。这种独特结构的确引人入胜。它是多筒结构中的巨型结构,每一个筒体都是单独筒体,本身具有很好的刚度和强度,能够单独工作。,36,必须指出:逐步减少的单筒结构,最好对称于建筑物的平面中心,减少偏心。把上部结构的某些单筒适当减少,可减小高层建筑上部的受风面积,并且扰乱大气气流,使产生的涡流对高层建筑的摇摆振动减小,从而有效地减小风力产生的侧向移动。多筒结构往往采用这种自下而上逐步减少筒体数量的方法,使得高层建筑结构体系更加合理和经济。,37,三、实例3香港中国银行大楼(Bank of China Tower),香港中国银行大楼是一座高369m、70层
19、的超高层建筑,1989年建成。,38,Bank of China Tower,Hong Kong,39,该大楼采用5根型钢混凝土巨型柱以及8片平面支撑所组成的巨型支撑结构体系。大楼的底部平面为52m52m的正方形,以对角线划分成四个三角形区,由下往上每隔若干层减少一个三角形区,经过三次变化,到上部楼层只保留一个三角形区直到顶部。,40,香港中国银行大楼与西尔斯大楼相比,两大楼平面同是正方形,但是,由下往上变化不同,前者减少三角形区,后者减少正方形筒,各有千秋,都达到结构外形美观目的。该大楼在建筑艺术具有独特的风格,把建筑结构与建筑艺术相结合,这是按照贝律铭建筑大师的建筑造型的构思产物。该大楼的
20、四个型钢混凝土巨型角柱和中间巨型柱承担大楼的大部分荷载。大楼的基础由多种基础形式组成。,41,香港中国银行大楼的基础剖面,42,从图可见,四个巨型角柱(Main corner columns)直接由四个巨型沉箱基础(Large diameter caissions)支承。其直径(扩孔后)分别为7.2m、8.2m、9.5m和10.5m,承受静活荷载分别为164,000kN、209,00kN、322,000kN和380,000kN。沉箱基础深入至离地面20余米以下的微风化花岗岩,地基设计强度为5MPa。此外,大楼的地下室结构由89根钻孔桩支承,中央剪力墙结构(Shear tubes)由16根人工挖
21、孔桩支承。为抵抗风力引起上拔力和地下水浮力,人工挖孔桩和大楼周边地下连续墙(Permanent diaphragm wall)的底部设置77根竖直锚杆(Permanent rock anchors)深入至离地面2050m下岩层。,43,四、实例4马来西亚石油大厦(Petronas Twin Tower),石油大厦是一座452m、高88层的双塔大楼,位于马来西亚的吉隆坡,1997年建成之日,当时是世界第一高楼。这是一座钢与钢筋混凝土的混合结构。基本上属于标准塔型,与金茂大厦的外形类似。双塔大楼之间采用横向结构联系,既能加强刚度,又使外形美观。,44,Petronas Twin Towers,Ku
22、ala Lumpur,Malaysia,45,该大楼采用墙式或连续墙(Barrette)桩基(壁板桩)。,石油大厦的桩基平面图,注:壁板桩(Barrette)是用来承受建筑物上部结构荷载的单段矩形截面地下连续墙,由于其比表面积和抗弯刚度比传统的圆形截面桩大,有利于充分发挥桩侧摩阻力和水平抗力,从而提高竖直和水平承载力。,46,五、实例5德国商业银行大楼(Commerzbank tower)德国259m、高56层的商业银行大楼建造在美茵河畔(Frankfurt am Main)的商业中心,直接靠近已有103m 高的商业银行大楼。1997年建成的商业银行大楼是欧洲最高的大楼,该大楼为钢框筒结构(S
23、teel Frame with Virendeel Frame*),具有刚大、开敞面积的特殊建筑设计。,*Virendeel Frame:A rectangular framed girder with parallel top and bottom chords divided into panels by verticals with fixed joints.由固定节点将弦杆连接形成平行顶部和底部桁架板所组成的矩形框架桁梁。,47,48,大楼基础平面为近似圆角的等三角形(见图),曲线形的边长约为60m。在三角形的角端有三个筒体,高度不同,有竖向承重构件,每个筒体有2个巨型柱,平面尺寸为7
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