超高層建筑若干結(jié)構(gòu)新技術(shù)應(yīng)用研究

超高層建筑若干結(jié)構(gòu)新技術(shù)應(yīng)用研究第一頁，共62頁。內(nèi)容（1）技術(shù)應(yīng)用背景（2）外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻（3）剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系（4）鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁（5）超高層消防水池TMD減震裝置第二頁，共62頁。1.技術(shù)應(yīng)用背景

廣州珠江新城F2-4地塊，總建筑面積42萬m2，由三個塔樓和一個裙樓組成。地下室4層，裙房6層；北塔46層206米，南塔55層200米，西塔16層65米。

其中，南北塔采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用天然巖基上的柱（墻）下擴(kuò)展基礎(chǔ)，基底持力層為中、微風(fēng)化細(xì)砂巖。考慮到后期改造的可能，基礎(chǔ)按結(jié)構(gòu)高度為230m設(shè)計。工程概述：第三頁，共62頁。1.技術(shù)應(yīng)用背景

本工程南塔由于功能的變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了幾個過程：1）原設(shè)計高度為200米。2）施工至裙房頂板時，建筑使用功能變化，結(jié)構(gòu)高度要求提高至230m。3）裙房施工過程中，由于頂部酒店大堂層高調(diào)整為50m，結(jié)構(gòu)高度提高至250m。4）由于消防要求，須在核心筒屋頂增加消防水池，消防水池重量約1875噸，相應(yīng)結(jié)構(gòu)高度提高至280m。技術(shù)應(yīng)用背景：第四頁，共62頁。1.技術(shù)應(yīng)用背景按普通框架-核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行增高后，存在以下問題：結(jié)構(gòu)的剛度不足，結(jié)構(gòu)剛重比小于1.4限值。豎向荷載增加，底部樓層核心筒剪力墻軸壓比不滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的基地剪力變大?；A(chǔ)及豎向構(gòu)件承載力不足。1875噸大質(zhì)量消防水池在280m高度處，會產(chǎn)生較明顯的鞭梢效應(yīng)。頂部50m高酒店大堂，施工難度較大。設(shè)計技術(shù)難點：第五頁，共62頁。1.技術(shù)應(yīng)用背景減輕上部部分結(jié)構(gòu)自重，減輕基礎(chǔ)及底部樓層豎向構(gòu)件的負(fù)擔(dān)，減小底部補(bǔ)強(qiáng)加固的范圍。改變結(jié)構(gòu)形式，采用鋼結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)剛度，同時提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力。利用屋頂消防水池設(shè)置TMD減震措施，降低鞭梢效應(yīng)，并利用屋面水池的減震作用，降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向整體變形。提高結(jié)構(gòu)的剛重比，降低結(jié)構(gòu)基底剪力。解決方案：第六頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究從結(jié)構(gòu)的32層以上，核心筒采用外包鋼板與鋼管混凝土的空實剪力墻體系。鋼管柱與鋼板圍閉區(qū)域內(nèi)局部澆注混凝土的組合構(gòu)件形成剪力墻。第七頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究外包鋼板與鋼管混凝土的平面布置：第八頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究第九頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究鋼-混凝土組合剪力墻

第十頁，共62頁。外包鋼板與鋼管混凝土的空實剪力墻構(gòu)造：2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究第十一頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究外包鋼板與鋼管混凝土的空實剪力墻構(gòu)造：第十二頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究鋼板剪力墻與混凝土墻的連接構(gòu)造：第十三頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究普通剪力墻結(jié)構(gòu)平面空實組合剪力墻結(jié)構(gòu)平面空實剪力墻與普通剪力墻動力特性對比：

普通剪力墻空實組合剪力墻空實組合剪力墻/普通剪力墻-1質(zhì)量（kN）-8%（節(jié)省約20900t）第一周期7.1576.8873.8%第二周期6.6196.3713.7%第三周期3.1373.0991.2%結(jié)構(gòu)質(zhì)量和周期對比第十四頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究空實剪力墻比普通剪力墻的基底剪力約小10%，32層以上，結(jié)構(gòu)樓層剪力降低較明顯?？諏嵓袅εc普通剪力墻整體結(jié)果對比：樓層剪力第十五頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

空實剪力墻與普通剪力墻的剪重比基本一致。空實剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對比：剪重比第十六頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

除200m以上，空實剪力墻比普通剪力墻的層間位移角減小3%?？諏嵓袅εc普通剪力墻整體結(jié)果對比：風(fēng)荷載下層間位移角第十七頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

32層以上，空實剪力墻比普通剪力墻的層間位移角小，約為7%-9%。空實剪力墻與普通剪力墻整體結(jié)果對比：地震層間位移角第十八頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

結(jié)論：32層以上核心筒采用空實剪力墻核心筒，比采用普通剪力墻的相同高度結(jié)構(gòu)，重量可減輕20900t，與原230m高度結(jié)構(gòu)重量基本接近，原基礎(chǔ)設(shè)計基本能滿足結(jié)構(gòu)增高的需要，避免核心筒基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)，減少了底部補(bǔ)強(qiáng)加固的樓層范圍。空實剪力墻較普通剪力墻剛度有所提高，解決結(jié)構(gòu)增高后，剛重比不滿足規(guī)范要求的難題，避免核心筒底部中震拉力較大。3.風(fēng)荷載下，結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角比較接近；地震作用下，結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角降低較為明顯。4.結(jié)構(gòu)基底剪力減小，有利提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。第十九頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻設(shè)計軸壓比

——鋼-混凝土組合剪力墻軸壓比——墻肢重力荷載代表值作用下軸向壓力設(shè)計值；——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；——鋼-混凝土組合剪力墻中的混凝土部分面積；——鋼-混凝土組合剪力墻中的鋼板鋼管的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；——

鋼-混凝土組合剪力墻中的鋼板鋼管的水平截面積和。第二十頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻設(shè)計2.抗剪承載力

——鋼-混凝土組合剪力墻中腹板部分的抗剪承載力

——鋼-混凝土組合剪力墻中混凝土端部鋼管混凝土柱的抗剪承載力第二十一頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻設(shè)計3.壓彎承載力

——正截面受彎承載力，計算方法與普通剪力墻相同，端部鋼管面積計入剪力墻端部鋼筋面積。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ3有關(guān)公式計算，計算公式中用代替。地震組合時，尚應(yīng)考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)RE，由于墻肢中部鋼板較薄，且局部未澆灌混凝土，故不考慮其對抗彎承載力的貢獻(xiàn)。第二十二頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究

外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻設(shè)計4.計算模擬

由于通用計算程序無法直接建立鋼板墻單元，故中部鋼板剪力墻采用鋼管支撐等剛度模擬，非澆灌混凝土的鋼板墻采用深連梁方式模擬的計算方法。具體操作思路：首先模型中僅考慮澆灌混凝土部分的鋼管混凝土柱承擔(dān)豎向荷載，非澆灌混凝土部分鋼板墻采用深梁方式模擬，不考慮側(cè)向荷載，初步確定核心筒內(nèi)鋼管柱截面，確保其在豎向荷載作用下滿足豎向構(gòu)件軸壓比要求；然后在模型中添加支撐，同時考慮風(fēng)荷載、地震作用，確保結(jié)構(gòu)整體的層間位移角等滿足規(guī)范要求。第二十三頁，共62頁。2.外包鋼板與鋼管混凝土的空實剪力墻研究1.方鋼管成排布置，內(nèi)灌注混凝土；外包雙鋼板_混凝土組合剪力墻通過鋼板分隔，局部分隔灌注混凝土，增加鋼板平面外剛度，有很好的穩(wěn)定作用。2.利用外包鋼板對混凝土的套箍作用，提高混凝土抗壓能力，同時外包鋼板參與抗剪，使結(jié)構(gòu)抗剪能力大大提高。3.混凝土外包鋼材，延性好，不易開裂，能提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力。4.減少混凝土的用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)的基底剪力，提高結(jié)構(gòu)剛重比。5.直接采用外包鋼板作為施工模板，施工速度快，同時解決50m高空酒店大堂的施工難題。6.鋼構(gòu)件可以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，在工廠完成焊接加工，現(xiàn)場完成裝配及連接，符合建筑裝配式施工發(fā)展的潮流，建造速度快，節(jié)約勞動力并可提高建筑質(zhì)量。。技術(shù)創(chuàng)新點：第二十四頁，共62頁。2.外包雙鋼板_混凝土空實組合剪力墻研究現(xiàn)場施工圖片：第二十五頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究

南塔、北塔塔樓的層高4.2米，連接核心筒與外框柱之間的框架梁，跨度約為11m，由于建筑凈空的需要，框架梁的截面高度限制為450-500mm，按普通的框架-核心筒體系，型鋼寬扁框架梁設(shè)計難以滿足結(jié)構(gòu)整體剛度及局部構(gòu)件承載力的要求。設(shè)計技術(shù)難點：第二十六頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究采用一種新型的高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系。解決方案：第二十七頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究塔樓標(biāo)準(zhǔn)層模型剪力墻上增設(shè)了環(huán)狀的墻帽，墻帽的內(nèi)端內(nèi)置于剪力墻筒體內(nèi)，外延向外延伸了1.5～2.5m，框架梁和次梁與墻帽外端部連接，故可以有效地縮短梁的跨度，使得梁的截面高度也能得以減小，同時，由于墻帽的配筋深入剪力墻筒體內(nèi)，并圍成閉合的環(huán)狀，然后與剪力墻一體澆筑成型。墻帽模型：第二十八頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究墻帽構(gòu)造：第二十九頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究有墻帽結(jié)構(gòu)主梁截面為1350*450mm，無墻帽結(jié)構(gòu)主梁截面為600*800mm，兩種截面面積相差26%，有墻帽比無墻帽整體鋼筋用量小約7.2%。無墻帽平面配筋有墻帽平面配筋無墻帽與有墻帽配筋結(jié)果對比：

單位鋼筋計算用量kg/㎡單位砼計算用量m3/㎡有墻帽1280.41無墻帽1380.39第三十頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究X向有墻帽比無墻帽的樓層剪力略大，最大差別不超過1%，Y向無墻帽比有墻帽的樓層剪力略大1%。無墻帽與有墻帽整體結(jié)果對比：樓層剪力第三十一頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究有墻帽比無墻帽的層間位移角十分接近。1）有墻帽結(jié)構(gòu)比無墻帽結(jié)構(gòu)的主梁高度和用鋼量明顯減小，有較好的經(jīng)濟(jì)性。2）結(jié)構(gòu)的樓層剪力和變形比較接近，說明有墻帽結(jié)構(gòu)與無墻帽結(jié)構(gòu)剛度接近。無墻帽與有墻帽整體結(jié)果對比：層間位移角第三十二頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究1.本技術(shù)增設(shè)的墻帽，能夠縮短梁跨，因而減小梁的截面高度，增加樓層凈空。墻帽配筋深入剪力墻筒體內(nèi)，并與剪力墻一體澆筑成型，能夠提高梁剛度，也有助于加強(qiáng)剪力墻的剛度，進(jìn)一步提高其抗剪能力，有助于提高結(jié)構(gòu)整體剛度。墻帽增大了剪力墻筒體與框架梁的接觸面積，能夠改善剪力墻筒體的受力，消除框架梁與剪力墻筒體相交節(jié)點應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這種應(yīng)力集中的現(xiàn)象在剪力墻筒體轉(zhuǎn)角處尤為明顯。降低因核心筒與外框柱之間豎向變形不同而導(dǎo)致框架梁與剪力墻筒體相交節(jié)點超筋的情況。技術(shù)創(chuàng)新點：第三十三頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)場施工圖片：第三十四頁，共62頁。3.高層建筑剪力墻筒體外伸墻帽建筑結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)場施工圖片：第三十五頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究混凝土組合U型梁平面布置：第三十六頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

本工程多處出現(xiàn)大跨度、大荷載梁，最大跨度28m，其上有1.5m覆土；因樓層凈高嚴(yán)格受控，梁截面高度不得超過1000mm，普通混凝土梁及常規(guī)的型鋼組合梁難以滿足設(shè)計要求。設(shè)計技術(shù)難點：解決方案：新型的鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁第三十七頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究在支座內(nèi)設(shè)“”型鋼與U型鋼焊接，內(nèi)填混凝土，在跨中處設(shè)置空心鋼管?；炷两M合U型梁構(gòu)造：第三十八頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究混凝土組合U型梁構(gòu)造：第三十九頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究U形外包鋼-混凝土組合梁截面構(gòu)造示意圖1—底鋼板；2—側(cè)鋼板；3—外翼緣鋼板；4—梁面縱筋；5—梁面橫向分布筋；6—翼板；7*—梁底縱筋；8*—底部抗剪栓釘；9*—橫向加勁肋；10*—拉條；11*—外翼緣抗剪栓釘；12*—板托；13*—抗剪鋼筋；14*—中部腹板；15*—上翼緣鋼板；16*—上翼緣抗剪栓釘。（帶“*”者為可選項）第四十頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

中震工況下，除跨中梁面上層柱底處局部出現(xiàn)375MPa的應(yīng)力外其它部位的應(yīng)力均小于80MPa。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q345型鋼的設(shè)計應(yīng)力值?；炷两M合U型梁有限元分析：局部應(yīng)力375MPa其他位置應(yīng)力很小第四十一頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究

受拉損傷：跨中梁面上層柱底、跨中梁底部基本無受壓損傷。混凝土組合U型梁有限元分析：U型梁適用于大跨度、大荷載的梁設(shè)計，1m高U型梁的跨度可達(dá)到30米。第四十二頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究現(xiàn)場施工圖片：第四十三頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究現(xiàn)場施工圖片：第四十四頁，共62頁。4.鋼箱組件及由其組成的鋼箱—混凝土組合U型梁研究（1）U型型鋼直接作為施工支承模板，在施工過程中無需另外搭建施工模板和拆除模板，有效縮短工期。（2）兩端支座處設(shè)置型型鋼，可提高梁支座處的抗彎承載力，同時減小支座處的負(fù)筋的配筋面積。（3）U型梁頂部型鋼可伸入樓板內(nèi)，型鋼外露的部分減小，與現(xiàn)有普通鋼箱梁相比，既有利于支座部分的受力，又有效增大樓層凈空，防腐防火處理面積減小，節(jié)省防腐防火成本，提高了經(jīng)濟(jì)性。（4）U型型鋼可出任意鋼牛腿與次梁連接，因此施工方便。（5）跨中圓管內(nèi)中空，不需灌注混凝土，在不降低梁的剛度與承載力的前提下，約可減小25%的自重。技術(shù)創(chuàng)新點：第四十五頁，共62頁。5.超高層消防水池TMD減震裝置研究水池TMD減震裝置

南塔1875噸大質(zhì)量消防水池在250m高度處會產(chǎn)生的較大的地震力，會產(chǎn)生明顯的鞭梢效應(yīng)，同時導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部剪力墻在中震下出現(xiàn)較大的拉力。設(shè)計技術(shù)難點：解決方案：采用一種新型大質(zhì)量消防水池TMD減震裝置。第四十六頁，共62頁。TMD減震系統(tǒng)，一般是通過彈簧和阻尼系統(tǒng)將質(zhì)量塊連接在結(jié)構(gòu)上，無其他支撐質(zhì)量調(diào)諧阻尼器（TMD），由質(zhì)塊，彈簧與阻尼系統(tǒng)組成。一般將其振動頻率調(diào)整至主結(jié)構(gòu)頻率附近，改變結(jié)構(gòu)共振特性，以達(dá)到減振作用。最初是由FRahm發(fā)明，名為“動力振動吸振器”。橋塔上抗風(fēng)渦激用擺動式阻尼TMD5.超高層消防水池TMD減震裝置研究第四十七頁，共62頁。首先增加TMD后結(jié)構(gòu)的動力特性發(fā)生變化，致使輸入能發(fā)生變化。在輸入能一定的情況下，TMD的剛度比結(jié)構(gòu)小，通常是整個系統(tǒng)的薄弱部位，致使振動過程中，TMD分配的能量較多，大大減小了流向主體結(jié)構(gòu)的能量。當(dāng)TMD存在阻尼時，TMD將消耗能量，將這些能量轉(zhuǎn)化成熱能，應(yīng)變能等等。因此，TMD最終減振效果取決于輸入能的變化，分配的能量，以及本身的阻尼耗能能力。用TMD減振消能是一種經(jīng)濟(jì)、實用，又不影響美觀的方法。TMD減震原理5.超高層消防水池TMD減震裝置研究第四十八頁，共62頁。質(zhì)量比:一般來說TMD的質(zhì)量越大減震效果越好.質(zhì)量比的常選用范圍為:0.01

到0.1但為了不給施工和設(shè)計帶來大的困難一般在0.01-0.04之間

頻率比:0.98-0.86

阻尼比:0.08-0.20

橡膠隔震支座側(cè)向線剛度為909kN/m，豎向剛度線為2,097,000kN/m；速度型粘滯阻尼器線剛度為600,000kN/m，阻尼系數(shù)為600kN/（m/s）,阻尼指數(shù)為0.8。TMD最佳參數(shù)的常用范圍本項目設(shè)計參數(shù)5.超高層消防水池TMD減震裝置研究第四十九頁，共62頁。5.超高層消防水池TMD減震裝置研究

大質(zhì)量消防水池底部加橡膠隔震支座和水平位移限值裝置，隔震支座數(shù)量為12個；沿水池壁周邊設(shè)置速度型粘滯阻尼器，數(shù)量16個，共3層，底部4個，布置在水池中部4個方向；中部8個，布置在水池中部與角部；頂部4個，布置在水池4個角部。阻尼器設(shè)備相連的梁柱的抗震等級需提高一級。TMD減震裝置計算模型：第五十頁，共62頁。5.超高層消防水池TMD減震裝置研究風(fēng)作用結(jié)構(gòu)基底剪力和層間位移角對比頂點加速度對比

在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的減震效果不明顯，但對結(jié)構(gòu)舒適度控制有一定的效果。不加TMD時，舒適度不滿足規(guī)范0.25m/s2的要求，加TMD后，舒適度滿足規(guī)范要求。TMD減震計算結(jié)果第五十一頁，共62頁。5.超高層消防水池TMD減震裝置研究基底剪力計算結(jié)果（kN）層間位移角