超高层建筑的关键构件与节点设计“大汇总”

一、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（词条“超高层”由行业大百科提供）结构设计（词条“结构设计”由行业大百科提供）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6，弯曲变形为主，剪切变形引起的有害位移通常不足10% 　　☞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。 　　☞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（词条“剪力”由行业大百科提供）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。 　　1.2 典型超高层建筑（词条“超高层建筑”由行业大百科提供）高宽比 　　二、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。 　　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。 　　☞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 　　☞伸臂桁架结构形式比较 　　☞伸臂桁架结构形式比较 　　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 　　☞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。 　　◆方式2：伸臂桁架侧方(H型)，采用双板在墙体内与钢骨连接。 　　☞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。 　　◆方式2：伸臂桁架侧方(H型)，采用双板与柱体内钢骨连接。 　　三、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（词条“构件”由行业大百科提供）; 　　☞主要承担外筒重力荷载（词条“荷载”由行业大百科提供）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。 　　☞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% 　　3.2形式 　　☞目前常用的两种构件形式： 　　◆1、SRC（词条“SRC”由行业大百科提供）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。 　　☞巨型钢管混凝土柱 　　3.3受力性态(上海中心为例) 　　☞单工况作用下的轴力 　　☞小震组合——通高小偏心受压 　　☞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。 　　☞大震组合——通高-小偏心受拉 　　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（词条“杆件”由行业大百科提供）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) 　　3.5 实例 　　➜金茂大厦 　　➜台北101 　　➜环球金融中心 　　☞连接节点 　　➜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 　　☞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。 　　☞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。 　　☞钢骨与伸臂的连接 　　☞承载力验算 　　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。 　　☞延性分析 　　☞钢骨吊装