超高层建筑关键构件与节点设计

TJAD超高层建筑关键构件与节点设计赵昕高工同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司TJAD目录1.结构高宽比2.伸臂桁架结构3.巨型框架柱设计1.结构高宽比超高层建筑关键构件与节点设计TJAD1.结构高宽比1.1概念关于结构整体高宽比的讨论：高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标。基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。高宽比直接与超高层结构的受力性态相关：高宽比4，剪切变形为主，类似框架结构受力性态高宽比=4~6，弯剪变形高宽比6，弯曲变形为主，剪切变形引起的有害位移通常不足10%TJAD1.结构高宽比1.1概念关于结构整体高宽比的讨论：当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架或巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在八度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。TJAD1.结构高宽比1.1概念关于核心筒高宽比的讨论：核心筒高宽比的影响：对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。核心筒面积比例：指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。围合面积比例20%，核心筒刚度偏弱，宜加强外框筒，采用支撑框筒或巨型结构围合面积比例=20~30%，核心筒刚度适中围合面积比例30%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。TJAD1.结构高宽比1.2典型超高层建筑高宽比项目上海中心环球金融金茂大厦台北101香港国金二期层数1241018810188高度m632/580492421508420高宽比7.08.588.28.7TJAD1.结构高宽比1.2典型超高层建筑高宽比项目深圳京基深圳平安广州西塔广州东塔武汉中心层数9810410311290高度m439648/540432530/518428高宽比9.57.36.98.47.4TJAD1.结构高宽比1.2典型超高层建筑高宽比项目天津津塔天津117天津周大福天津广东大厦香港环贸广场层数751179495118高度m333597530/470430/395484高宽比8.09.78.08.28.22.伸臂桁架结构超高层建筑关键构件与节点设计TJAD2.伸臂桁架结构2.1概念超高层建筑框架-核心筒结构体系，存在侧向刚度不足、核心筒倾覆力矩偏大的缺陷。通过设置抗弯刚度较大的伸臂桁架，连接核心筒和外框架，可将周边柱的轴向刚度用来增加结构的抗倾覆力矩，显著提高结构的抗侧刚度，减小核心筒倾覆力矩。TJAD2.伸臂桁架结构2.2形式形式1：两点连接方式；形式2：单点上部连接方式；形式3：单点下部连接方式；形式4：单点中间连接方式。形式1形式2形式3形式4TJAD2.伸臂桁架结构2.2形式伸臂桁架结构形式比较采用SAP2000对各种伸臂桁架形式进行了极限承载力分析形式1形式2形式3形式4TJAD2.伸臂桁架结构2.2形式伸臂桁架结构形式比较形式1形式2形式3形式4TJAD2.伸臂桁架结构2.2形式伸臂桁架结构形式比较形式1形式2形式3形式4TJAD2.伸臂桁架结构2.3连接节点伸臂桁架与核心筒连接节点伸臂桁架与框架柱连接节点与核心筒连接与框架柱连接TJAD2.伸臂桁架结构2.3连接节点伸臂桁架与核心筒连接节点方式1：伸臂桁架正方（工型），采用单板与墙体内钢骨连接。应力云图评价优点：墙肢内连接简单，适用于墙肢较薄情况；缺点：节点板较厚；应用工程案例：重庆国金中心，上海中心7、8区节点。TJAD2.伸臂桁架结构2.3连接节点伸臂桁架与核心筒连接节点方式2：伸臂桁架侧方（H型），采用双板在墙体内与钢骨连接。评价优点：节点板加厚较少；缺点：墙体内钢筋连接复杂，适用于墙肢较厚情况。应用工程案例：深圳京基中心，上海中心1~6区。应力云图TJAD2.伸臂桁架结构2.3连接节点伸臂桁架与框架柱连接节点方式1：伸臂桁架正方（工型），采用单板与柱体内钢骨连接。评价优点：内力传递直接，节点板最少，适用于十字形钢骨；缺点：伸臂桁架与框架柱内纵筋、箍筋相碰（型钢混凝土柱的缺点）；应用工程案例：重庆国金中心，上海白玉兰广场。应力云图TJAD2.伸臂桁架结构2.3连接节点伸臂桁架与框架柱连接节点方式2：伸臂桁架侧方（H型），采用双板与柱体内钢骨连接。评价优点：适用于钢管混凝土柱或者内包钢管的型钢混凝土柱；缺点：伸臂桁架与框架柱内纵筋、箍筋相碰（型钢混凝土柱的缺点）；应用工程案例：上海中心等。应力云图3.巨型框架柱设计超高层建筑关键构件与节点设计TJAD3.巨型框架柱设计3.1概念巨型框架-核心筒结构中重要的受力构件；主要承担外筒重力荷载和倾覆弯矩；巨型柱的地位非常重要，对构件选型需要重点考虑。TJAD3.巨型框架柱设计3.1概念上海中心巨型柱受力情况：竖向荷载分配：54%底部剪力分配：57%底部倾覆力矩分配：79%TJAD3.巨型框架柱设计3.2形式目前常用的两种构件形式：1、SRC型钢混凝土柱。包括：上海中心、深圳平安、上海环球金融中心等；2、CFT钢管混凝土柱。包括：天津117、台北101、深圳京基中心等。SRCCFTTJADTJADTJAD3.巨型框架柱设计3.2形式巨型钢管混凝土柱TJAD3.巨型框架柱设计3.3受力性态（上海中心为例）单工况作用下的轴力0102030405060708090100110120050000100000150000200000250000300000350000400000轴力kN楼层重力小震中震大震TJAD3.巨型框架柱设计3.3受力性态（上海中心为例）小震组合——通高小偏心受压01020304050607080901001101200100000200000300000400000500000小震组合－轴力kN楼层1.2SG+1.3SEh1.0SG-1.3SEhTJAD3.巨型框架柱设计3.3受力性态（上海中心为例）中震震组合——1～2区为小偏压，3区为大偏压，4区为大偏拉，5～8区为小偏拉。0102030405060708090100110120-10000001000002000003000004000005000006000007000001.2SG+1.3SEh1.0SG-1.3SEh中震组合－轴力kN楼层TJAD3.巨型框架柱设计3.3受力性态（上海中心为例）大震组合——通高-小偏心受拉0102030405060708090100110120-200000-10000001000002000003000004000005000006000007000001.0SG+1.0SEh1.0SG-1.0SEh大震组合－轴力kN楼层TJAD3.巨型框架柱设计3.4设计指标材料：C70～C50；Q345GJ～Q390GJ抗震等级：通高特一级抗震性能目标：中震弹性、大震不屈服轴压比限值：0.60（1.2重力+1.3小震）钢骨含钢率：标准段不小于4％，节点区及上下各一层范围内不小于5％，并根据节点计算的需要调整。纵筋配筋率：标准段1.2％，节点区由于纵筋将被伸臂、环带桁架的杆件截断，取0.8％。配箍率：不小于1.0％；剪压比：V＜=1/γRE(0.36*βc*fc*b*ho)TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——金茂大厦环球金融中心巨柱平面布置巨柱巨柱金茂大厦巨柱平面布置巨柱巨柱TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——金茂大厦构件楼层底部－17层17－31层31－53层53－64层64－87层巨柱1500mm×5000mm1500mm×4500mm1000mm×3000mm材料C60C50C40金茂大厦型钢混凝土巨柱构造TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——台北101台北101巨柱平面布置巨柱TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——台北101台北101钢管混凝土巨柱构造巨柱截面2.4mX3.0m；含钢率10％左右TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海环球金融中心TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心连接节点TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——环球金融中心TJADTJADTJADTJADTJADTJADTJADTJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心8层巨型框架+6道伸臂+核心筒体系巨型框架：8根巨柱+8道环带桁架伸臂桁架核心筒巨型柱环带桁架外伸臂+环带桁架环带桁架TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心上海中心巨型柱选型：1、从受力角度，两种巨型柱形式都满足要求；2、从吊装和安装角度，型钢混凝土柱较有优势。型钢混凝土柱SRC钢管混凝土柱CFTTJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心ZONE6～8典型平面8根主巨柱ZONE1～5典型平面8层主巨柱+4根角柱区段截面（m）砼等级含钢率8主1.9x2.4C504%7主2.3x3.3C504%6主2.5x4.0C604%5主：2.6x4.4C604%次：1.2x4.5C604%4主：2.8x4.6C604%角：1.5x4.8C604%3主：3.0x4.8C704%角：1.8x4.8C704%2主：3.4x5.0C704%角：2.2x5.0C704%1主：3.7x5.3C705%角：2.4x5.5C704%TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心格构式钢骨布置实腹式钢骨布置SRC柱内钢骨布置方案TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心方案一：九肢格构式钢骨九肢型钢分散布置，需通过缀板连接以协调抗力。但型钢肢数越多，传力越不直接，各肢协同工作的难度越大。伸臂只和中间三肢型钢直接连接，需要通过大量的缀板连接后才能把力传递给其他六肢，传力途径不直接。型钢间联系很弱，依靠缀板传力在节点区应力集中处，易产生纵向劈裂破坏和剪切破坏。抗震性能不好。TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心方案二：‘王’字形实腹式钢骨可有效解决协同抗力和剪切破坏两个关键问题。钢骨内部形成约束混凝土，提高巨型柱的抗压能力和延性。在节点区域与伸臂和环带桁架的连接较方便，伸臂和环带的力可直传递给整个钢骨。钢骨可在工厂焊接完成，现场可整体吊装，减少了现场焊接量。TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心1、从受力角度，实腹式钢骨的延性和整体性优于格构式钢骨；2、从施工角度，实腹式钢骨现场施工方便；3、从节点域整体性，实腹式方案钢骨传力更加直接。格构式钢骨布置实腹式钢骨布置TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心钢骨与伸臂的连接TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心计算长度确定巨型框架模型第1阶屈曲模态TJAD3.巨型框架柱设计3.5实例——上海中心承载力验算-600-3000300600-600-30003006009001200-600-3000300600PMM相关曲线小震组合中震组合大震组合P(MN)Myy(MN.m)Mxx(MN.m)采用纤维单元法得到SRC巨型柱的空间屈服曲面。将巨型柱的内力状态和空间屈服曲面绘制在同一内力坐标下，进行比较，当荷载对应的空间点落在空间屈服曲面内时，则可以判定该构件满足承载力要求。巨型柱纤维单元模型