金茂大厦结构体系分析

高层建筑（上海金茂大厦）结构体系分析土木1301班班玄威U201315###我国对高层建筑的定义：中国自2005年起规定超过10层的住宅建筑和超过24米高的其他民用建筑为高层建筑。（一）高层建筑结构设计原则1.钢筋混凝土高层建筑结构设计应与建筑、设备和施工密切配合，做到安全适用、技术先进、经济合理，并积极采用新技术、新工艺和新材料。2.高层建筑结构设计应重视结构选型和构造，择优选择抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意加强构造连接。在抗震设计中，应保证结构整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力、刚度和延性。（二）高层建筑结构体系及适用范围目前国内的高层建筑基本上采用钢筋混凝土结构。其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等。工程概况：金茂大厦位于上海浦东陆家嘴金融贸易区，工程占地面积2．3万m2，地下三层、地上八十八层，建筑面积约29万m2，金茂大厦建筑总高度为420．5m金茂大厦是融办公、商务、宾馆等多功能为一体的智能化高档楼宇，第3-50层为可容纳10000多人同时办公的、宽敞明亮的无柱空间；第51-52层为机电设备层。第53-87层为世界上最高的超五星级金茂凯悦大酒店，其中第56层至塔顶层的核心筒内是一个直径27米,阳光可透过下班折射进来的净空高达142米的空中中庭。环绕中庭四周的是大小不等,风格各异的555间客房和各式中西餐厅等,第86层为企业家俱乐部；第87层为空中餐厅；距地面341米的第88层为国内迄今最高的观光层,可容纳1000多名游客,两部速度为9.1米/秒的高速电梯用45秒将观光宾客从地下室1层直接送达观光层,环顾四周，极目眺望，上海新貌尽收眼底。裙楼部分有6层，内设大小宴会厅、百货商场和休闲娱乐等；6万m2的三层地下室内设有各类大型机电设备、服务设备、地下停车库和食街。整幢大楼如一座综合性的小区。其总投资约45亿人民币。上海金茂大厦位于长江下游冲积平原处，那不是容易建造超高层建筑的地方，该处的土质条件极差，以至于建在浅基础上的许多建筑最大沉降可达到254mm；永久的地下水位是地面下1m之内。地基条件很困难--砂粘土，且100m(328英尺)以内达不到基岩层。此外，影响结构设计之额外因素还有该地区会经常受台风袭击和发生地震。台风季节，在建筑物的顶部平均的风速在十分钟之内可达到201km/h。地震时的地面加速度达到UBC标准地区的2A。大厦采用超高层建筑史上首次运用的最新结构技术，整幢大楼垂直偏差仅2厘米，楼顶部的晃动连半米都不到，这是世界高楼中最出色的，还可以保证12级大风不倒，同时能抗7级地震。大厦的外墙由大块的玻璃墙组成，反射出似银非银、深浅不一、变化无穷的色彩。该玻璃墙由美国进口，每平方米500美金，玻璃分为两层，中间有低温传导器，外面的气温不会影响到内部。评价地震是对金茂大厦的影响。采用反映塔楼动力特征的现场特定反应谱分析出最可能发生的100年一遇的地震概率是10%，而在最大风力和最大地震荷载的作用下，该建筑的桁架机器连接部位的受力情况均在弹性范围内。结构体系选择及特点：结构工程师环绕中心部分设计了一个钢筋混凝土的保护性结构，往上则是高强度混凝土与结构钢复合结构。在大楼框架下面有一个4m厚的钢筋混凝土筏式基础及429根空心钢桩打入砂粘土层65m深。虽然该处较硬的砂粘土能提供某些承载力，大厦的支承主要依靠桩的摩阻力。地面上，钢筋混凝土内筒通过外伸桁架与外檐处的8根超级巨柱结合在一起，共同承担垂直与水平荷载。金茂大厦基坑面积近2万平方米，基坑开挖深度约20米，主楼基础承台为4米厚。13500立方米的100高标号大体积混凝土，主楼泵造混凝土高度达到382．5米，在24—26层、55～57层、85～87层有三道外伸桁架将核心筒与八根巨型往连接成一个整体。工程结构设计独特，并获世界结构工程协会颁发的国际建筑结构设计最高奖。金茂大厦工程采用了C60和C50的高强度混凝土，基础底板均采用C50混凝土。主楼核心筒从地下至31层为C60混凝土，主楼核心筒从32层至62层为C50混凝土。巨型柱从地下室至31层为C60混凝土，巨型柱从32层至62层为C50混凝土。C60混凝土17488立方米，C50混凝土33708立方米。其中主楼基础承台厚度4米，为13500立方米C50高标号混凝土，并一次性连续浇捣完成。在如此大的高标号混凝土连续浇捣中，选择合理的材料及配合比设计，并采用“内散外蓄法”养护，内设冷却水管，薄膜草包覆盖，及电脑测温系统。将混凝土内部温升峰值控制在100℃以内，使内外温差小于25℃。加快了混凝土内部的降温速率，缩短了施工周期，只用了二个星期就完成了养护。结构分析说明:本工程主楼结构形式是框筒结构，中间的核心筒为八角形的现浇钢筋混凝土，在53层下内设井字型隔墙，外侧有8根钢巨形柱和8根复合式巨形柱，在24～26层、51～53层、85～87层设3道钢结构的外伸桁架将核心筒与复合巨形柱连成整体以提高塔楼侧向刚度。5层裙房采用一般的多层框架钢结构体系.整体结构高宽比达9:1,总用钢量18500吨。本工程主楼、裙房与广场地面之下都为3层地下室，地下室为钢筋混凝土结构，主楼下部为满堂4m厚基础板，裙房及广场下部为普通筏式基础。由于本工程基础底部采用盲沟集流，人工排水系统，因此基底不考虑浮力，基础板相对较薄。本工程主楼桩采用900mm钢管桩一直打到地质构造中的第9层土，即地下83m处，裙房采用小型钢管桩，打到第7层土。外周边有8个混凝土大柱子，它们和钢筋混凝土心筒组成主要的抗侧力体系，角部还有8个小钢柱，主要承受竖向荷载并参与抗扭。在内筒和大柱子之间设置了3道伸缩臂桁架，位于24~26层，51~53层，85~87层，伸臂桁架是2层高的刚桁架。87层以上设置了空间钢桁架，一方面承受屋顶设备层的重力荷载，一方面加强了85~87层的伸臂，保证核心筒和外柱共同工作设置伸臂后，大大增加了结构刚度，减小了位移。8个大柱子的底部截面尺寸为1.5mx4.88m，混凝土强度为5l.7MPa，顶部减小到0.91mx3.53m混凝土截面除了配置钢筋外，两侧还配置了轻型骨架，型钢之间有斜加劲杆相连，（类似桁架式骨架），可认为是钢骨混凝土柱，但钢骨在混凝土截面中的面积比仅为0.48%，大大低于钢骨混凝土柱所要求的含钢率，因此也可认为就是钢筋混凝土柱。外伸桁架的结构特点：构件连接形式多样在核心筒部位,外伸桁架以中厚板剖口对接的形式为主。这是因为核心筒内隔墙的壁厚较薄,采用螺栓连接或销接有困难。在巨形复合柱内以高强螺栓与焊接混用,一般情况腹板用高强螺栓、上下翼缘用剖口焊。而外挑朽架部位,初装时用高强螺栓与销子连接,终固时所有销接部位再补上高强螺栓。上部结构是钢结构初钢筋混凝结构的混合体，．水平抵抗系统的主要部件包括钢筋温凝土核心筒，＇i亥核心筒通过外伸构架同外部的复合巨型性连接。在剪力墙核心简内有电梯房、风机房。八角形核心筒墙边的中对中尺寸27m，从基础一直延伸至87层。从某础到87层核心简端的厚度为850mm-450mm，而其强度从C60至C40。剪力墙核心简内通过钢结构外伸衔架同外部复合巨型柱连接。此外．外伸析了架系统提供了一个有效的水平荷载抵抗力。在建筑弯曲变形的情况下使结构有效深度达到最大限度。整个系统就是一个垂在悬臂，降低了风向柱的张力和背风柱的压力。同时，均匀地分布重力荷载，避免了外部复合巨型性的相对上升。八面形墙提供了特殊的抗扭强度。消除了构架系统与外部柱的相互连接的需要。外伸桁架位于24-26层，51-53层及85-87层。在85-87层的外伸桁架上方覆盖有一个三维空间框架，此框架显示出了塔的形状，这一结构有效地传递核心筒和外部复合巨型柱之间的水平荷载，该结构还解决了同塔尖连接的那部分建筑顶部的局部水平系统问题，同时还为顶层的重型设备房提供了重力荷载支撑，允许荷载传递到中庭。用于抵抗重力荷载的结构构件包括8个钢巨型柱及框住楼面的符合宽梁及梁及桁架梁。筒体结构体系组成与特点：随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬臂箱形梁，加密柱子，以增强梁的刚度，也可以形成空间整体受力的框筒，由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。通常筒体结构有：（1）框架—筒体结构。中央布置剪力墙薄壁筒，由它受大部分水平力，周边布置大柱距的普通框架，这种结构受力特点类似框架—剪力墙结构，目前南宁市的地王大厦也用这种结构。（2）筒中筒结构。筒中筒结构由内、外两个筒体组合而成，内筒为剪力墙薄壁筒，外筒为密柱（通常柱距不大于3米）组成的框筒。由于外柱很密，梁刚度很大，门密洞口面积小（一般不大于墙体面积50%），因而框筒工作不同于普通平面框架，而有很好的空间整体作用，类似一个多孔的竖向箱形梁，有很好的抗风和抗震性能。目前国内最高的钢筋混凝土结构如上海金茂大厦（88层、420.5米）、广州中天广场大厦（80层、320米）都是采用筒中筒结构。（3）成束筒结构。在平面内设置多个剪力墙薄壁筒体，每个筒体都比较小，这种结构多用于平面形状复杂的建筑中。