高层结构体系的设计与优化
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ARUP的超高层建筑天际线
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华润深圳湾总部大楼
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Mega frame+
Core+Outriggers
广州东塔
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深圳金地威新三期
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南宁华润大厦
7
沈阳恒隆市府广场
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结构设计的基本要求
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结构设计的基本要求
安 全
Safety
品 质
High Quality
灵活
Flexibility
美观
Appearance
经 济
Economical
如何设计安全的 高层结构体系
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如何设计安全的结构体系 -它们安全吗?
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1.合理且清晰的结构体系 –竖向传力体系
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1.合理且清晰的结构体系 –水平传力体系
大部分平面型
抗侧体系均可
利用外框的 空间型体系
充分利用外框的 空间型体系
充分利用 核心筒
半空间型体系
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Wall + Frame
框架+剪力墙
Shear Walls
剪力墙
Braced Frame
支撑框架
Moment Frame
框架结构
•50m以下多以框架结构为主;
•50~100m多以框剪和剪力墙为主;
•100~300m多以框架核心筒为主;
•300m以上结构体系尽量利用外框刚度
1.合理且清晰的结构体系 –水平传力体系
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1.合理且清晰的结构体系 –高层体系的有效性
引用Halvorson的一句话: Simply put, the buildings (should) look like
they work, and work like they look
高层体系有效性的 5个原则:
1.抵抗侧向力的竖向 构件布置在平面边上 – 增加力臂长度 ;
2.竖向力传递 给抵抗侧向倾覆力的竖向 构件 – 利用压重;
3.竖向构件联系 起来形成一个刚性平面 – 伸臂艼架;
4.抵抗侧向力的构件处于轴 压而不是受拉和受 弯 – 受力状态;
5.利用结构的空间效应 – 成筒;
•平面的规则性 /连续性,如楼板等
•立面的规则性和变化,如层高体型等
•结构倾斜、转换、连体、多塔等
•非常规的结构系统,如解构主义等
建筑设计方案
结构理解
结构的合理性优先;
尽可能满足规范要求;
调整建筑不规则;
(经验性、经济性、简单化)
超限设计 .VS. 不超限设计
整体价值考虑优先;
结构不一定最合理;
控制不合理的程度;
大量结构分析找出关键点;
抗震措施解决关键问题;
(技术论证、精细化、结构优化)
注:不规则的结构不代表不安全,关键是进行合理的结构设计!
1.合理且清晰的结构体系 –结构安全
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2.承载力极限状态的设计
• 非地震作用 - 竖向力、风力、温度等
• 地震作用 - 小震不坏、中震可修、大震不倒
传统的地震设计 ,可以描述为“三水准 +两阶段”,但中震和大震并无定量设计
,主要靠概念和构造设计保证;
超限高层建筑的设计 ,以结构性能设计为主,要求实现每个阶段的定量设计;
思路:
①根据建筑重要性及结构体系设计的特点,确定 整体的性能目标 ;
②根据性能目标,确定结构各部分 构件的性能状况 ,并适当调整;
③根据调整后的构件性能状况,确定具体构件的 性能水准 ;
④对结构的小震、中震、大震进行 等效弹性的设计 ,并通过大震弹塑性分析 进
行性能水准的确认;
⑤对结构进行 破坏性分析 ,确认结构的破坏和延性机制;
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2.承载力极限状态的设计
存在这些情况:
• 从L1-L3,都有设计的内容在性能
水准中,除了 L1结构基本是弹性之
外,L2和L3需要采用等效弹性的设
计,特别是 L3,结构构件已经不同
程度地进入了塑性,比如柱或剪力
墙有的已经出现了损伤性的拉裂,
刚度的变化会导致内力重分布 ,如
何较为准确的模拟?
• 即使在L1和非抗震阶段,结构整
体计算的刚度与 施工过程 形成的刚
度之间也存在差异,又或者某些构
件存在偶然破坏 的可能性,这些设
计考虑的因素也会导致内力计算的
误差。
• 因此,承载力安全设计的前提是
合理的估算和设计结构的刚度,及
其导致的内力重分布。
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3.对结构刚度的合理把握
一般结构设计中对刚度的要进行设计,比如正常使用状态下的结构表现,以及抗
震设计的刚度控制等等。
这里,探讨和应用另一层次的“结构刚度”,即:
结构体系
传力机制
内力重分布
是否可
控?
承载力安全
弹性刚度
耗能构件、砼受拉损伤等,刚度变化
是
否
包络考虑
结构的刚度设计与
承载力设计同等重
要!!
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3.对结构刚度的合理把握
Z1
Z2
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z1 Z1
Z2
Z3
Z1
Z2
Z3
Z4
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z1
Z2
Z3
Z4
Z1
某超高层的施工方案设计
支撑1 支撑2 支撑3 支撑4 支撑5 支撑6 结构完成 拆支撑6、5 拆支撑4、3、2 拆支撑1
为了确保 结构在施工完成后的刚度状态与结构分析的刚度条件一致(误差较小),本项目所设
计的施工方案和施工过程如上图所示,施工模拟采用 Midas Gen软件进行验证。
3.对结构刚度的合理把握 –案例1
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3.对结构刚度的合理把握 –案例2
斜墙区竖向力传递示意 斜墙区水平力分担比例
85%
核心筒连梁考虑轴向刚度折减 70%
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3.对结构刚度的合理把握 –案例2
结构分析设计,
1)斜墙区在正常使用的竖向力标准组合下
,由于构件的应力水平并不高,因此的 传
力机制可以得到保证 ;
2)中震组合(含竖向地震)作用下,核心
筒连梁的轴向应力水平较高,会产生开裂
,因此结构设计除了满足 承载力设计要求
外,在构造设计上根据传力机制采取了增
强措施,确保刚度变化的程度尽量小 ,从
而使整个传力机制不会发生大的变化 。
3)斜墙区在大震下, 充分考虑构件的非线
性和内力重分布 的情况下,主要结构构件
均可满足抗震设计要求;
具体的构造 措施,
1)构造上核心筒外局部 增大水平楼面 梁,
2)核心筒内混凝土梁和连梁增加构造 钢板
用以抵抗拉力,从而形成纵横交错的水平
传力加强带 。
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核心筒系统
外筒结构
耗能连梁
核心筒墙
+
连梁损伤
核心筒墙
外筒结构
塔楼结构
*连梁的损伤可降低结构刚度,减小地震作用
* 核心筒连梁损伤,结构总刚度减小后
外框抗侧分担的力不减小
(降低结构刚度 /耗散)
(外筒地震力不减少)
核心筒墙
外筒结构
(轻微损伤)
(得到保护)
罕遇大震作用
连 梁
(严重损伤)
4.结构体系设计和论证的案例
结构设计提高建筑的品质
建筑的品质包括结构 的变形、裂缝、保温、隔声、振动控制等 ;这里我们以结构的
人行振动为例,介绍通过结构的分析设计,确保建筑的品质。
高层结构体系的设计与优化(44页)