140623刘军进高层建筑结构优化咨询-给东大

11高层建筑结构优化咨询中国建筑科学研究院刘军进2结构顾问咨询的作用顾问咨询的工程应用23结构顾问咨询的作用顾问咨询的工程应用服务项目、服务业主、服务建筑师做好协调工作、发挥三方作用主要任务顾问工作的主要任务：3工程设计阶段：服务与衔接项目业主工程总包建筑方案工程设计工程顾问项目业主建筑方案工程总包工程设计工程顾问工程施工阶段：1.会议2.邮件3.电话4.电话会议5.传真6.FTP等与合作单位沟通形式：47结构顾问咨询的作用顾问咨询的工程应用8项目一59项目简介优化思路和方法优化成果10项目简介塔A：222m钢结构塔B、C：165m钢混地上塔楼与裙楼设缝分开总建筑面积：19万m2办公、商业和混合式公寓611原设计完成：1999年塔楼A原设计：地上60层，高250m。中途因故停工至25层重新调整建筑布局及功能后，再次启动。59层，结构高度约221.7m低区平面约46mx46m，由下而上分级缩进。12正常使用设计年限：50年，安全等级为二级，重要性系数1.0，建筑抗震设防类别：丙类抗震设防7度(0.15g)，高度超限，抗震措施按8度抗震等级：过渡层斜柱一级，其余梁、柱、斜撑二级层间位移角限值（高钢规）：百年一遇风和多遇地震：1/250罕遇地震1/50713结构体系：钢框架+钢支撑核心筒内筒角柱–B1050X150~B600X40中柱–BH514X437X97X60.5（t=90~0）–BH510X440X40X60梁–W36X230，W36X160–H780X380X20X34，H780X280X16X30支撑–W14X311(t=100)~W14X257(t=30)–BH420X400X30X48(t=30),H260x260x12x2014优化思路和方法从结构概念出发，“先宏观，再微观”核心筒抗侧力体系优化——宏观构件应力比控制——微观既有部分减少新加固优化量新建部分可调整截面815斜撑对刚度的影响05010015020025000.0020.0040.0060.0080.010.012楼层高度/m层间位移角层间位移-倒三角分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%05010015020025000.0010.0020.0030.0040.0050.006楼层高度/m层间位移角层间位移-CQC分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%•钢支撑框架抗侧结构有效性分析16梁对刚度的影响05010015020025000.0020.0040.0060.0080.010.012楼层高度/m层间位移角层间位移-倒三角分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%05010015020025000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007楼层高度/m层间位移角层间位移-CQC分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%917柱对刚度的影响05010015020025000.0050.010.0150.020.0250.030.035楼层高度/m层间位移角层间位移-倒三角分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%05010015020025000.0050.010.0150.02楼层高度/m层间位移角层间位移-CQC分布水平力初始模型刚度折减50%刚度折减90%18机理分析核心筒为弯曲型变形，类比于悬臂受弯构件或者桁架，外围柱相当于弦杆或翼缘，对刚度贡献大；梁和斜撑相当于腹杆腹板，对刚度贡献小。优化方向将材料配置于翼缘，减薄腹板；即减小斜撑及梁截面，加强柱。使核心筒体系更有效率的抵抗侧向荷载。1019内筒框架梁–H780x280x16x30H500x200x12x20–H780x380x20x34H500x250x16x24内筒支撑–XC8BH420x400x30x48(t=30)Box400X20–XC9BH400x400x24x36(t=10)Box400X20–XC10BH430x340x45x75(t=20)Box400X20•26层以上新建结构优化措施斜撑材料Q345B改为Q235B20•25层以下原结构加固优化措施外框架柱与核心筒之间的框架梁仅对刚接端的半跨进行加固，可减少加固量约60t左右。内筒人字形支撑不加固，可减少加固量约300t左右。1121•优化前后计算结果对比周期:5.83s→ 5.84s(f1)、5.52s→ 5.55s(f2)顶点位移：317→ 328(X)、349→ 350(Y)层间位移角：1/551→ 1/528(X)、1/525→ 1/502(Y)剪重比：2.52%→2.49%(x)、2.37%→2.35%(Y)22结构大震下的塑性铰发展顺序：内筒耗能斜撑→耗能梁端→框架梁。塑性铰主要分布:外框架环梁两端、外框与内筒之间框梁刚接端、偏心支撑耗能梁端；8层以下部分斜撑出现塑性铰；绝大部分竖向构件均没有塑性铰。•优化后大震弹塑性分析1223抗震规范《GB50011-2010》第8.2.6条人字支撑和V形支撑的框架梁在支撑连接处应保持连续，并按不计入支撑点作用的梁验算重力荷载和支撑屈曲时，不平衡力作用下的承载力。不平衡力应按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑最大屈曲承载力的0.3倍计算。24项目二1325项目简介超高层酒店54层、247.6米，混合结构框架-核心筒体系超高层住宅、公寓139.5~150米，采用部分框支剪力墙混凝土结构。商业裙房5层，综合商场、餐饮、娱乐功能。框架结构。26正常使用设计年限：50年，安全等级为二级，重要性系数1.0，建筑抗震设防类别：塔楼丙类、商业裙房乙类抗震设防6度(0.05g)，高度超限抗震等级：塔楼底部加强区框架、核心筒一级，其余区域框架、核心筒二级。层间位移角限值：多遇地震1/500重现期10年风荷载下舒适度限制1427优化思路和方法方案阶段，结构方案论证比选宏观上把控结构方案的合理性，使得结构的抗侧力体系高效，经济性优。酒店塔楼平面图，外立面沿高度方向为弧线。设计院提出酒店塔楼方案1带转换层的混合结构框架—核心筒结构。外框柱上、下层对齐。有转换1-6层外框柱柱距9m，柱截面尺寸约为1600mm×1600mm，7层为转换层，转换梁截面尺寸约1600mm×2100mm，转换层以上柱距4.5米，柱截面尺寸约为600mm×1500mm。15顾问方案2混凝土框架-核心筒结构取消转换，外框柱沿外立面折线变化普通钢筋混凝土框架核心筒结构底部柱截面尺寸约为1400mm×1400mm，外框梁截面为600mm×900mm，主梁截面为600mm×650mm。30方案主要优缺点方案1：带转换层的框架-核心筒，楼面体系为钢梁加混凝土组合楼面优点：柱设计、施工简单，楼面体系施工周期短；缺点：需要设置转换层，增加结构抗震不利因素；造价较高。方案2：混凝土框架-核心筒，楼面体系为普通梁、板楼面优点：无转换层，减少了结构的抗震不利因素；造价较低缺点：柱设计、施工复杂，自重比方案1稍高。（地基承载力较高，不会因为混凝土楼盖重量增加导致基础形式发生变化）方案优缺点对比最终实施方案，取消转换，为了施工进度，楼面采用了钢梁加混凝土组合楼面16公寓塔楼的转换层方案优化裙房基础独立柱基加防水板抗拔锚杆抗拔锚杆主要设置在柱下设在防水板处更有利裙房基础中抗拔锚杆的优化17混合结构体系的型钢柱配钢率优化地震烈度低，柱截面强度（轴压比）控制建议酒店塔楼可不强调混合结构-框架核心筒，中上部（非加强层区域）的柱中型钢配钢率可低于4%；该咨询意见，在审查会上得到专家的认可。最终型钢优化量为300~350t楼板的优化现有楼层板配筋均为双层双向配筋。建议设计方除加强层及部分需要楼板整体性的部位外，其余楼层配筋采用分离式配筋，并在板跨中设置温度筋。18墙、柱的优化1、嵌固层以下的地下结构的抗震等级可逐层降低，构造配筋率。2、上部结构按抗震性能目标计算、配筋。墙、柱部位抗震等级框支柱纵筋配筋率框支柱箍筋配箍率墙边缘构件纵筋配筋率墙边缘构件箍筋配箍率地下3层、地下2层21.2~1.4%1.5%0.8~1.1%（构造边缘构件）1.0~1.3%（构造边缘构件）地下1层11.3~1.6%1.5~1.8%0.9~1.2%（构造边缘构件）1.1~1.4%（构造边缘构件）地下1夹层特1级1.7~2.2%1.8~2.2%1.4~1.6%（约束边缘构件）1.5~1.8%（约束边缘构件）上部1层~上部4层特1级1.7~2.2%1.8~2.2%1.4~1.6%（约束边缘构件）1.5~1.8%（约束边缘构件）第5层（转换层上1层）特1级1.4~1.6%（约束边缘构件）1.5~1.8%（约束边缘构件）第6、7层特1级~1级过渡区1.2~1.4%1.2~1.5%第8~14层1级1.0~1.2%（构造边缘构件）0.9~1.2%（构造边缘构件）14层以上2级0.8~1.0%（构造边缘构件）0.8~1.0%（构造边缘构件）墙、柱建议配筋率（原来墙暗柱配筋2%以上）1937项目三38项目简介位置：北京朝阳门区域东二环路西侧面积：占地约5万多平方米、总建筑面积33.4万平方米业主单位：SOHO中国建筑方案：ZHA2039项目简介高度：地下四层，地上15层，结构高度约60m。结构单元：地下为一个结构单元，未设永久伸缩缝；地上分为四个结构单元结构体系：各塔均采用框架--剪力墙结构体系。塔楼之间在不同楼层有连桥连接。40地上连体楼板开大洞2141主要设计参数建筑结构安全等级为二级设计使用年限：50年地基基础设计等级为甲级结构的环境类别：地上一类，地下二b类防空地下室设计等级：六级地下工程的防水等级：一级建筑物耐火等级：一级42主要设计参数设防烈度为8度，设计加速度值为0.20g。建筑抗震设防类别为丙类建筑场地类别为Ⅱ类设计地震分组：第一组本场地地基土层地震液化程度判定：无液化可能特征周期为0.35s；地震影响系数最大值为0.16。2243项目结构难点四个塔体分别采用大跨度的连桥将四个塔体联系在一起。东部两个塔体在六、七层的连桥的跨度最大，达110m。各塔楼中部采用了中庭建筑形式，中庭跨度根据塔楼尺度有所不同，最大长轴约54m，短轴约28m。连桥立面图中庭剖面平面简图AC/KCFAFAPDAC/KCFAFAFAPDFAFAPDFATower4Tower1Tower2Tower3中庭展开面中庭展开面空调机房空调机房空调机房空调机房餐饮2.K4.191.21.34.C3.93.82.J1.E2.H3.G3.F3.E3.D3.C3.B4.D4.E4.F4.G4.H4.J4.K4.L4.184.174.164.154.144.134.124.114.104.94.84.74.64.54.44.34.23.73.63.53.43.33.23.12.92.82.72.G2.F2.E2.D1.41.51.61.71.81.91.F1.G1.H1.J1.K1.L23连桥方案解决项目剪力墙外挑跨度（m）顺桥向主结构跨度（m）最外侧主结构负荷面积（m2）剪力墙悬挑端荷载（kN）方案A1259.54007200方案B348.02805040修改后建筑边线NoHard方案A1方案A2方案B1方案B2方案C连桥方案解决初始建筑造型的结构方案思路24方案1方案2方案3方案4方案5中庭方案解决中庭方案解决25Ex3-采光顶设计中庭方案解决中庭方案解决26中庭玻璃屋的结构形式中庭屋顶节点设计外方建筑师思路广泛且细节深入，结构顾问很好的适应了他们的需求。中庭节点设计首层入口门厅建筑平面图首层入口门厅结构平面图原有框架梁有些结构坚持的问题对建筑功能产生巨大影响，结构顾问起到了很好的沟通协调作用。局部方案优化27取消结构外围弧形柱中钢骨、径向混凝土框架梁尽量不设钢骨此建议一方面可以大幅提高结构的经济性，另一方面也可以降低工程的局部施工难度。结构设计主要优化成果结构二层以上楼板均为双层双向相同直径通长配筋。鉴于二层以上结构楼板大部分为单向板，建议设计院根据计算进行楼