1钢管混凝土柱超高层结构设计

钢管混凝土柱超高层结构设计2008.11讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明1.工程概况工程概况•世茂福建福州茶亭街工程项目（以下简称本项目）位于福建省福州市中心，是福州经济和历史文化中轴线八一七路的中心路段。•本项目由酒店、办公、公寓式办公、商业等四大功能部分构成。由北向南将建设主体塔楼和附属裙房，之间以连廊联为整体。工程概况•各建筑物基本情况如下（由北向南）：•主体塔楼：建筑高度262.65米，地面建筑面积约106992平方米。•附属裙房：建筑高度40.15米，地面建筑面积约17008平方米。•此外，主体塔楼和附属裙房以三层地下室整体相连，主要功能为后勤服务用房，机动车和非机动车库及设备机房，建筑面积约为35458平方米。•本地块总建筑面积约为159473平方米。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型，基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明结构体系的选择结构体系的选择•主楼的抗侧力结构体系用以抵抗地震和风力荷载。主要抗侧力系统由内部的钢筋混凝土核心筒和外围钢管混凝土柱与钢梁组成的框架组成。•核心筒系统位于主楼的中心，包括电梯、电梯厅、疏散楼梯的墙体，厚度在400mm至1150mm范围内。钢筋混凝土的连梁将连接相邻的剪力墙。核心筒的外墙是闭合式的，从而提供建筑大部分的扭转刚度。•外围由钢管混凝土柱组成，并通过在20、33和50层的6.30米高设备层布置的外伸钢桁架与巨型核心筒连接在一起。外围钢管柱在上述三层各有一道钢的边桁架在外围连接，从而使柱子更加均匀地受力。•随着建筑高度的变化，钢管混凝土柱的直径大约在900mm至1350mm范围内。•主楼的第二道抗侧力体系是位于建筑外围的钢框架。建筑从上到下，外围钢梁在每层与外围钢管混凝土柱刚性连接形成第二道抗侧力体系。这个系统为建筑总体提供了附加的扭转刚度，增强了结构的整体性，提高了结构的冗余度。典型楼层结构布置加强楼层结构布置结构抗侧力体系结构平面施工图•结构平面图纸见pdf文件计算软件和计算模型•选用国际通用的三维有限元结构设计软件ETABS和国内主流结构设计软件SATWE进行分析与设计•梁柱采用杆单元模拟，剪力墙采用壳单元模拟，楼板采用膜单元模拟•根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)5.3.7条规定，嵌固层选在地面层。基础设计•主楼的基础体系是3.6米厚的现浇钢筋混凝土筏板，由位于中等风化花岗岩或微分化花岗岩,直径1.5m的冲钻孔灌注桩支承。•桩的有效长度约50m,桩尖入中等风化花岗岩或微分化花岗岩0.5m,单桩竖向承载力特征值为18800KN/根.桩身混凝土设计强度为C40.基础设计•裙楼及地下室基础采用厚度为1米的现浇钢筋混凝土筏板,筏板由位于碎卵石层,直径为0.9m，的冲钻孔灌注桩支承。•桩的有效长度约37m,桩尖入碎卵石层1.35m,单桩竖向抗压承载力特征值为4800KN/根，单桩竖向抗拔承载力特征值为2250KN/根.桩身混凝土设计强度为C30.裙房部分在桩顶设置厚度为1300mm的承台,纯地下室部分的冲钻孔灌注桩作为抗拔桩。•基础设计施工图见pdf图纸。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明选择混凝土的考虑•对于柱、剪力墙等竖向结构构件，由于结构高度很大，轴向压力也很大，需要选择强度等级较高的混凝土，同时考虑到施工可靠性，柱和剪力墙选择了C60混凝土。•对于梁、板等水平结构构件，一般选择C40或者C30的混凝土。福州世茂国际中心混凝土的选择结构构件GB50010-2002基础和地下墙C40剪力墙C60–C50柱C60–C50板、梁C40–C30其他，混凝土填料/垫块/栏板C30混凝土垫层C15钢材的材料选择•福州世茂国际中心楼面钢梁采用Q345B钢材，钢管混凝土柱的钢管，加强层伸臂与带状桁架均采用Q345GJ钢。当钢板厚大于等于40mm且承受沿板厚方向的拉力时，受拉试件板厚方向截面收缩率，不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》（GB50313）中关于Z15级规定的容许值。•采用《钢结构设计规范》GB50017-2003,表3.4.1所列的，随厚度而改变的钢材设计强度。•钢材的自重为7850kg/m3,杨氏弹性模量为206,000MPa，热膨胀系数为1.20x10-5/oC。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明合理建立计算模型•常用结构分析软件：SATWE和ETABS。普通结构用SATWE即可，前后处理功能很好；复杂结构要用ETABS，SAP等，计算准确。•选取合理的单元模型：整体分析时梁柱选用杆单元，剪力墙采用壳单元，楼板采用膜单元。•根据结构情况合理建模：适当处理墙开洞，适当处理次要构件，抓住结构的力学实质。正确确定计算参数•连梁刚度折减：一般可以取0.7，不宜小于0.5。•现浇楼板的面外刚度：高层建筑一般采用现浇楼面，楼板作为梁的有效翼缘形成T形截面梁，提高了楼面梁的刚度，也提高了结构整体的侧向刚度。通过对梁的刚度乘以放大系数来考虑，一般为1.3~2.0.•框架梁弯矩调幅：0.8~0.9。•楼面梁的扭矩：0.4~0.7。•周期折减：框架-剪力墙结构：0.7~0.8.•施工顺序加载分析类型•一般采用反应谱分析，振型参与质量系数要大于90%，很多实际项目都是达到95%以上。•对于高度较大、结构复杂的结构要补充弹性时程分析。•对于高度很大，结构很复杂或者很重要的结构，补充进行弹塑性分析。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明钢管混凝土柱的截面设计依据•《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28:90）•《现代钢管混凝土结构（修订版）》（2007年版）•《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003)钢管混凝土柱的截面设计依据•《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)•《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082-97)设计方法•SATWE软件会将分析和设计全部完成。•在跨层处注意柱计算长度系数的数值。•可以把内力组合结果读出，并根据前面所说的规程进行手工复核。•还可以根据规程编制出N-M相关曲线，把把内力组合结果画到相关曲线上。设计方法•ETABS软件分析结果准确，但是不能按照规程来设计。•可以把内力组合结果读出，并根据前面所说的规程进行手工复核。•还可以根据规程编制出N-M相关曲线，把把内力组合结果画到相关曲线上。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明钢梁的设计方法•钢梁：SATWE和ETABS都会完成分析和设计。•对于上翼缘有铺板的钢梁，无支撑长度比要改小，不需要考虑钢梁的稳定应力，只要强度应力满足强度设计值要求。•钢梁有抗弯应力比和抗剪应力比。组合梁的设计方法•ETABS能够完成组合梁的设计。•也可以根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行手工计算。•还可以编制EXCEL表进行组合梁的设计。钢筋混凝土梁的设计•SATWE和ETABS都会完成钢筋混凝土梁的分析和设计。•钢筋混凝土连梁的设计：对于跨高比小于2的连梁宜配置交叉暗撑，增强其抗剪能力，达到强剪弱弯的效果。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明梁柱节点的设计•按照“强节点，弱杆件”的要求进行设计。在计算和构造两方面满足要求。•《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）第8章做了规定。•《钢结构设计手册》（第三版）（2004年版）有计算范例。梁柱节点的设计•福州世茂钢结构节点图纸讲解。•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明讲课大纲核心筒的设计•SATWE能够完成分析和设计。•ETABS能够完成分析，得到内力组合结果，但是需要提取出内力组合结果，再根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）进行设计。•一般采用钢筋混凝土核心筒。•按照规范规定，在底部加强区的边角部位按照约束边缘构件配筋，内部配置竖向和水平向分布钢筋。在底部加强区之上的边角部位按照构造边缘构件配筋，内部配置竖向和水平向分布钢筋。•《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）对于剪力墙配筋有明确规定。核心筒的材料和配筋核心筒内的型钢•《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第11章对于混合结构设计有相关规定。•一般在核心筒角部要配置型钢。•核心筒剪力墙中的型钢可以参与剪力墙受力。核心筒与钢梁的连接•核心筒与钢梁的连接节点图讲解。讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连接•9.如何实现由计算书到施工图的设计，手工计算所依据的规范，需要查阅的图集•10.钢结构设计总说明如何实现由计算书到施工图的设计•对于钢结构，应力比符合要求后，根据施工图制图规定表示即可。讲解典型结构平面图。•对于钢筋混凝土结构，根据计算出的钢筋面积，考虑构造要求，绘制施工图。需要查阅的图集•《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01（04）SG519•《钢管混凝土结构构造》06SG524•《型钢混凝土组合结构构造》04SG523•《钢与混凝土组合楼盖结构构造》05SG522讲课大纲•1.工程概况•2.整体结构布置，计算模型和基础设计•3.混凝土、钢材的材料选择•4.结构计算•5.钢管混凝土柱的截面设计•6.梁的设计•7.各种部位梁柱节点的设计•8.核心筒的设计，材料，截面，配筋，型钢，与钢梁的连