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1高层混合结构设计与施工2一、高层混合结构的定义高层混合结构是指由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体(或剪力墙)所组成的高层建筑结构。3456二、高层混合结构的特点抗侧刚度比钢结构大,变形比钢结构小;用钢量比钢结构省,造价比钢结构低;结构的耐久性和耐火性比钢结构好;延性比混凝土结构好,自重比混凝土结构轻;施工速度比混凝土结构快;结构所占面积比混凝土结构少。上海静安希尔顿酒店方案比较[3]:43层,143.6m高。钢筋混凝土核心筒,外钢框架结构。78指标项目高层混合结构钢结构钢筋混凝土结构结构自重总重量/t每平方米结构重量/(t/m2)百分率(%)664341.28100546261.0582941111.801.42施工工期上部结构工期/d比率32212420.754341.47建筑使用空间结构面积/m2结构面积/总面积量(%)17303.313202.547009.0用钢量总用钢量/(kg/m2)型钢用量/(kg/m2)钢筋用量/(kg/m2)133696416514124---施工技术节点焊接量(%)高强螺栓量(%)100100250200--上海静安希尔顿酒店三种结构方案技术经济分析9三、高层混合结构的工程应用国外:研究工作始于上世纪60年代。工程应用始于上世纪70年代。代表性建筑有:●美国芝加哥GatewayⅢBuilding,36层,137m。●法国巴黎MainMantparnasse大楼,64层。●英国伦敦TheNationalWestMinsterBankBuilding.●捷克Guezla大楼,36层。●日本神奈县海老名塔楼,25层。●新加坡OverseasUnionBuilding,64层。法国AnacondaTower,40层。10美国芝加哥拟建的米格林-拜特勒大厦,483m。1112国内:研究工作开始于上世纪80年代。工程应用开始于上世纪90年代。代表性建筑有:●北京香格里拉饭店,82.75m●上海希尔顿酒店,143.6m●大连远洋大厦,200.8m●深圳赛格广场,291.6m●上海金茂大厦,418m●上海环球金融中心大厦,492m13上海环球金融中心上海金茂大厦上海金茂大厦平面图和剖面图1415塔顶高450m,天线顶高610m。新型高层混合结构:16地上103层,高432m,外筒为钢网筒结构,内筒为混凝土结构。总用钢量约4万吨。四、高层混合结构设计时需要重视的问题1、抗震性能问题高层混合结构在意大利有成功的经验,但是,在美国和日本的大地震中有损伤和破坏的纪录,如:1994年3月27日,美国阿拉斯加大地震(8.3-8.6级)中,多栋6-14层房屋出现混凝土局部压碎,个别柱箍筋拉断,主筋和型钢屈曲,型钢外鼓等现象。1995年1月17日,日本阪神地震(7.2级)中,多栋6-11层的混合结构房屋的格构式型钢混凝土柱的型钢骨架发生变形和外鼓等现象。因此,他们认为高层混合结构房屋的高度不宜超过150m。17182、由于荷载和混凝土收缩徐变等因素影响产生的竖向变形差问题钢柱钢柱钢筋混凝土筒钢梁结构变形钢柱钢筋混凝土筒钢梁结构因竖向变形产生的内力19钢框架与钢筋混凝土核心筒的质量、刚度差别很大,自振周期不同,协同工作是一个问题。3、钢框架与核心筒的协同工作问题20五、高层混合结构的抗震性能我国的部分试验研究:●龚炳年等:23层混合结构模型动力特性试验。●李国强等:25层沪东造船厂综合技术中心大楼结构模型振动台试验。●吕西林等:60层上海世茂国际广场大厦、31层北京LG大厦结构模型振动台试验。●徐培福等:30层型钢框架-核心筒结构模型拟静力试验。●我们:层模型低周反复荷载试验和13层框支框架-核心筒模型拟动力试验。211、高层混合结构层平面模型低周反复荷载试验墙为钢筋混凝土墙;柱分钢筋混凝土柱、型钢柱和型钢混凝土柱三种类型,每种类型2个试件,共6个试件。22层模型加载装置23层模型实验室加载情况24层模型不分缝剪力墙破坏情况25层模型分缝剪力墙破坏情况26-30-20-100102030-300-200-1000100200300荷载/kN位移/mm-20-15-10-50510152025-300-200-1000100200300荷载/kN位移/mm-15-10-50510152025-200-1000100200300荷载/kN位移/mm-30-20-100102030-200-150-100-50050100150200250荷载/kN位移/mm不分缝墙钢筋混凝土柱荷载-位移滞回曲线分缝墙钢筋混凝土柱荷载-位移滞回曲线不分缝墙型钢柱荷载-位移滞回曲线分缝墙型钢柱荷载-位移滞回曲线27-20-15-10-50510152025-300-200-1000100200300荷载/kN位移/mm-40-200204060-200-1000100200300荷载/kN位移/mm不分缝墙劲性混凝土柱荷载-位移滞回曲线分缝墙劲性混凝土柱荷载-位移滞回曲线28试验结果表明:(1)所有试件的延性都比较好,滞回曲线比较丰满。框架柱为型钢柱和型钢混凝土柱时的延性比钢筋混凝土柱时好。(2)结构破坏时,墙、柱、梁的强度都能较充分的利用。(3)剪力墙分缝对结构的延性有明显的改善。292、外框支框筒-内核心筒高层混合结构模型的拟动力试验305~13层层高300mm主体结构为13层组合筒中筒结构模型,模型的缩比为1/10(平面尺寸1800×1800,高4750)1~4层层高450mm现场模型照片31双向千斤顶位移传感器恒定竖向荷载位移传感器位移传感器双向千斤顶双向千斤顶试件加载图双向千斤顶位移传感器恒定竖向荷载位移传感器位移传感器双向千斤顶双向千斤顶32南西北东模型裂缝图33北三层楼板东西南北北南四层楼板东西五层楼板东南西北六层楼板东南东一层楼板南西北二层楼板东西南南北西十一层楼板东南西北十二层楼板东西南北西北东七层楼板南西北八层楼板东南西北南东九层楼板西北十层楼板东北三层楼板东西南北北南四层楼板东西五层楼板东南西北六层楼板东南东一层楼板南西北二层楼板东西南南北西十一层楼板东南西北十二层楼板东西南北西北东七层楼板南西北八层楼板东南西北南东九层楼板西北十层楼板东北三层楼板东西南北北南四层楼板东西五层楼板东南西北六层楼板东南东一层楼板南西北二层楼板东西南南北西十一层楼板东南西北十二层楼板东西南北西北东七层楼板南西北八层楼板东南西北南东九层楼板西北十层楼板东北三层楼板东西南北北南四层楼板东西五层楼板东南西北六层楼板东南东一层楼板南西北二层楼板东西南南北西十一层楼板东南西北十二层楼板东西南北西北东七层楼板南西北八层楼板东南西北南东九层楼板西北十层楼板东楼面裂缝图34底层核心筒破坏情况第4层核心筒破坏情况外框筒第9层破坏情况外框筒转换层破坏情况350.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6-6-4-20246位移/mm时间/s第13层位移实测值第5层位移实测值第13层位移计算值第5层位移计算值0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6-15-10-5051015位移/mm时间/s第13层位移实测值第5层位移实测值第13层位移计算值第5层位移计算值g22.0maxA第5、13层位移时程曲线试验与计算对比g62.0maxA第5、13层位移时程曲线试验与计算对比36工况1234加速度峰值0.22g0.40g0.62g1.00g最大层间位移角试验值1/4811/3281/1721/106最大层间位移角计算值1/5111/3091/1941/101最大层间位移角计算误差(%)-5.96.1-9.45.0最大顶点相对位移试验值1/8471/4621/2941/177最大顶点相对位移计算值1/9201/4301/2611/156最大顶点相对位移计算误差(%)-7.97.412.613.5H/H/层间位移角、顶点最大相对位移计算与试验比较H/37试验结果表明:(1)核心筒是抵抗水平剪力的主要构件。(2)连梁出现交叉裂缝,破坏最明显。(3)结构具有良好的抗震性能,7度罕遇地震时,外框筒基本处于弹性状态,8、9度罕遇地震时,内、外筒混凝土裂缝开展较严重。(4)钢管混凝土柱承载力高,抗裂性和延性都很好,直至结构破坏时一直保持完好。383、沪东造船厂综合技术中心大楼结构模型振动台试验共25层,振动台台面输入三种地震波:上海市人工地震波;Elcentro波;SanFernando波。39随着振型阶数的增加,实测自振频率加大,阻尼比减少。40试验结果表明:(1)小震阶段模型的顶点位移为1/600-1/1000,大震阶段为1/45,说明模型有较好的延性。(2)结构破坏主要集中于混凝土核心筒,表现为底层核心筒混凝土受压破坏、暗柱和角柱纵筋压屈,而钢框架处于弹性阶段。结构整体破坏属于弯曲型。(3)钢框架梁与混凝土核心筒连接处受力复杂,预埋件与混凝土的粘结易遭破坏,核心筒角部节点区混凝土破坏严重。(4)只要设计合理,根据现行《建筑抗震设计规范》设计的结构,能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的要求。高层混合结构好的抗震性能是建立在以下的基础之上:1、结构的平面布置应尽可能规整;2、结构的整体性要好;3、型钢混凝土构件采用实腹式型钢配筋;4、节点区箍筋要加密,梁与柱、梁与墙的连接要可靠。41意大利的经验是:●楼面梁多采用混凝土梁;●楼面梁与混凝土核心筒或剪力墙的连接多采用刚性连接;●在钢框架上设置斜向支撑;●基础多采用桩基础。42434445日本不同年代型钢混凝土梁柱配筋形式变化4647六、高层混合结构的竖向变形差分析不利因素:●竖向荷载在各竖向构件中的压缩量不等。●混凝土会发生收缩、徐变变形,钢材不会。●温度。有利因素:●楼面标高测量控制。●楼面高差混凝土找平。●钢筋对混凝土收缩、徐变变形会产生约束。●混凝土核心筒超前施工。48(一)结构自重等竖向荷载作用下考虑施工过程影响的竖向变形差分析49考虑施工过程的特点:结构逐步形成,荷载逐层施加,竖向变形差随着楼面标高测量控制和混凝土找平而减少,计算较复杂,因此可采用近似加载法计算。矩阵方程为:[K][Δ]=[P]式中,[K]保持不变,[P]为上三角矩阵。50例题1:近似解与精确解结果相近,一次解与精确解结果相差较大。51竖向荷载下的变形:s1d1s4s3s2d4d3d2S1为第1层竖向构件的最小压缩量,d1为第1层竖向构件的竖向变形差。由于标高测量控制和楼面找平关系,如果各层层高、梁柱截面以及竖向荷载相同,可近似取:S4=4S1d4=4d152(二)考虑竖向荷载和混凝土收缩徐变产生的竖向变形差实用分析方法●仅考虑竖向构件在轴力作用下的变形。●筒体应力较小,混凝土徐变为线性徐变,迭加原理适用。●计算徐变收缩竖向位移时,不考虑水平构件对相邻竖向构件变形的约束。1、基本假定532、钢筋混凝土轴压构件分批加载时混凝土徐变收缩分析的简化方法(1)徐变的计算定义:在荷载保持不变的情况下,变形随时间推移继续增大的现象。特点:早期发展快,但可以延续数年。混凝土的徐变与混凝土的材料组成、应力大小、养护情况和加载龄期等许多因素有关,情况较复杂。54c0a,ht,λ11(,)(,)2.35nniiiiiiittttEE0hλa,11(,)(,)2.35nniiciiiitttEEc0hλav(,)2.35tE0.05180.0055av0.6710.1790.244ttee假定混凝土的应力较小,徐变是线性的,迭加原理适用。根据ACI规范可得混凝土的徐变应变公式如下:式中,△σi、γai、γh、γti、γλ分别为第i级荷载时的荷载增量以及加载龄期、构件厚度、持荷时间、环境相对湿度有关的徐变影响系数。当t→∞时,γti=1。时刻t的徐变应变:最终徐变应变:55c0lc0(,)(,)ittt0.0064l0.7110.456ite
本文标题:高层混合结构设计与施工
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