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结构小站 | 超高层建筑的结构体系(一)


[版块:建筑师讨论区] [分类:讨论杂谈] [复制链接] 查看: 204|回复: 0   
管理员|深圳老梁 发表于 2021-4-16 09:11:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
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编者按:本文来自微信公众号结构小站(StrucStation),欢迎关注。

本篇文章献给不断探求应用自然法则而不盲从现行规范的结构工程师们!

因为工作以来接触的项目主要是以超高层结构为主,所以今天想跟大家聊一聊超高层的结构体系。超高层建筑的结构体系的话题很大,因为超高层建筑的结构体系多种多样,很难完全包括进去,这里主要以小编所了解到的结构体系进行介绍。

1 超高层建筑的定义


对于超高层建筑的界定,不同国家有不同标准。联合国教科文组织所属的世界建筑委员会1972年召开的国际高层建筑会议,将9层及以上的建筑定义为高层建筑,40层以上(高度在100米以上)定义为超高层建筑。根据我国《民用建筑设计通则》和《高层民用建筑设计防火规范》规定,建筑高度超过24m即为高层建筑,超过100m的均称为超高层建筑。

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图1  高层、超高层以及超级高层建筑的分类(@CTBUH)

世界高层建筑与都市人居协会(CTBUH)则将300米以上的建筑定位为超高层建筑(supertall),将600m以上的建筑定位超级高层建筑(megatall)。截止目前为止,全球共有115个竣工的超高层建筑,而竣工的超级高层建筑只有三个,这三个分别是迪拜塔(828m)、上海中心(632m)及麦家皇家钟楼(601m)。

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图2 已竣工的超高层建筑排名(@CTBUH)

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图3 世界最高建筑的竣工时间(@CTBUH)

小编认为,一栋建筑当它的高度造成在设计、施工以及使用上明显区别于同类较低的建筑时,那么就可以被定义为高层建筑。

2 超高层建筑的设计特点

超高层建筑与中低层建筑相比,结构不仅要承受重力荷载,而且要负担较大的水平荷载(如风荷载、地震作用等)。随着房屋高度的增加,水平荷载往往成为设计的控制因素。简单来看,超高层建筑可以视为固定在地面上的一根悬臂杆件,在侧向荷载为倒三角荷载时,荷载效应与建筑高度的关系中,轴向力 N 与建筑高度 H 大致成正比,而结构弯矩和位移与建筑高度 H 呈指数关系。

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图4 超高层结构内力及位移与高度的关系

根据CTBUH对历年全球最高的100座超高层建筑统计的结果,可以发现,在二十世纪之前,超高层建筑采用的材料均是以全钢结构为主。到了近年来,主要的超高层结构都是采用的是钢结构外框+混凝土核心筒的混合结构,以充分发挥两种材料的优势。

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图4 历年全球前100超高层结构采用的材料占比(@CTBUH)

3 超高层建筑主要的结构体系

超高层建筑结构的受力特点决定了结构抗侧力体系选择合理成为结构经济性的关键因素。当结构到达一定高度后,每增加一层抵抗侧向荷载所需的结构材料要比中低层建筑要多得多。因此,超高层建筑结构体系主要采用抗侧更为高效的筒体结构及其衍生的结构形式,主要有筒体结构、束筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、巨型结构、连体结构和其它一些新型结构体系等。

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图5 超高层建筑主要的结构体系

3.1  筒体结构

筒体结构可以定义为全部利用建筑的周边构件来抵抗侧向荷载的全三维结构体系。筒体概念的最早是由SOM的法兹勒.坎恩(Fazlur Khan)提出的。利用筒体结构来抵抗侧向荷载是超高层建筑设计的一场革命。本质上这种体系是力求在建筑的外围形成一种三维的墙体结构。

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图6 Fazlur Khan和其代表作西尔斯大厦

根据外框结构的布置形式,筒体结构可分为框筒,斜交网格筒,支撑筒。

3.1.1  框筒

框筒结构是由布置在建筑周边的小柱距、高梁截面的密柱深梁组成,在概念上可以认为等效于一个连续的三维墙体。框筒结构在形式上是由建筑四周的密柱、深梁组成,其受力特点是一个地面上的悬臂多孔筒体,不同于一般的框架结构。

(1) 框筒的受力性能

为了更加清楚的说明框筒的受力性能,我们以下图所示的一个50层的由密柱、深梁组成的建筑为例。假设内柱设计只承担重力荷载,而忽略其抵抗侧向荷载的能力。其抗侧力体系主要是由密柱、深梁在空间上形成的筒体,如下图所示。

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图7 框筒结构示意图

框架是平面结构,它主要抵抗与框架方向平行的水平力产生的层剪力和倾覆力矩。而框筒的受力却是空间的,在水平力作用下,层剪力主要由与水平力方向平行的腹板框架来承担,而层倾覆力矩则由腹板框架与垂直于水平力方向的翼缘框架共同承担。

平行于侧向荷载的框架起着多孔筒体的“腹板”作用,而垂直于侧向荷载的框架则起着“翼缘”的作用。竖向重力部分由外框架承担,部分由内柱或内筒承担。

当承受由于侧向荷载作用产生的弯曲时,受力的主要形式为一通常的竖向悬臂筒,在中和轴两边的柱承受拉力和压力。而平行于侧向荷载作用方向的框架承受平面内弯曲。

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图8 框筒结构在侧向荷载作用下应力分布

其他形状的框筒结构如圆形、矩形、三角形筒体的轴向应力分布规则也是相似的,如下图所示。这种利用建筑外围形成一个完全三维的结构体系以抵抗侧向荷载的原理,使得在进行建筑平面设计时,获得了很大的自由度。它对结构唯一的要求是结构构件能够围绕建筑外周连续布置形成三维空间作用,并成为封闭的盒式形状以抵抗扭转效用。

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图9 不同形状筒体结构在侧向荷载作用下应力分布

下图是自由式(free-form)筒体结构的几个例子。虽然简单的说,筒体与空心悬臂结构类似,实际上其对侧向荷载的反应是弯曲型与剪切型的组合。筒体的总弯曲是由于柱的轴向压缩与拉伸,而剪切变形是由于各个柱与梁的弯曲。一个有效能设计的基本原则是消除或者尽量减小剪切变形,这样筒体结构基本上就像悬臂构件一样做整体弯曲了。

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图10 自由式筒体结构平面图

框筒的概念可以用在围绕建筑周边对梁柱作任何合理的布置来实现。但是,不紧凑的平面和带有阴角的平面会大大降低框筒的空间作用。

对于框筒结构,一个紧凑的平面可以定义为其长宽比不大于1.5左右。具有较大长宽比的平面,要发挥其三维空间作用,则需要采取一定的加强措施。这是由于:(1)风荷载控制设计时,较大长宽比的建筑立面承受的风荷载更大;(2)而由此引起的剪力经常要求平行于风向的柱距更密,或者平行于风向的柱与裙梁的尺寸更大;(3)剪力滞后现象更加显著,尤其是垂直于风向的柱列。

同样的,筒体形状的突变也会造成框筒的空间作用的减弱,因为剪力流只有通过柱的轴向缩短以绕过角部。同时,在这些部位的次框架作用改变框筒柱的荷载分配。

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图11 错位筒体平面图

如上图所示,在南北向的风荷载作用下,背风柱A、B受压,迎风柱C、D受拉。除主要作用外,框架AB和CD还围绕其本身的局部轴线1-1和2-2转动。在A、B柱中分别产生局部的拉力和压力。由于框筒结构的柱距较小,通常在建筑底部需要增大柱距以满足建筑大空间的功能要求。当抽掉的柱子数量不多时,一般来说立面框架的空腹作用也足以传递荷载。但是,如果抽掉的柱子数量较多时,则需要设置1~2层的转换层。一般还需要设置临时支柱来承受竖向荷载和施工荷载,直到上部框架可以形成足够强的空腹作用时才可以拆除。

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图12 错位筒体平面图

一般来说,在一个转换体系中,有一个空腹桁架、钢桁架、钢结构大梁或混凝土大梁,由它们将筒体柱中的竖向荷载传递到下面的立柱上。如果取消的框柱数量太多,则需要设置额外的抗侧力体系(如混凝土核心筒或钢结构支撑筒)来承受水平剪力,我们将在后面的案例中进行介绍。

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图13 框筒与中间核心筒力的转换

上部框筒的剪力则是通过楼板的隔板作用,从框架柱传递到核心筒中。外框的倾覆力矩转换为底层立柱的轴向的拉压力。

(2)剪力滞后现象(Shear Lag Effect)

框筒虽然有筒体状的形式,但是其受力性能远远要比实腹筒复杂,与实腹筒最大的不同是,框筒要承受剪力滞后的作用。
在水平荷载作用下,框筒结构截面变形不再符合初等梁理论的平截面假定,腹板框架和翼缘框架的正应力不再是直线分布而是曲线分布,这个现象就是框筒结构中的剪力滞后效应(Shear Lag Effect)。

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图14 框筒的剪力滞后现象

即使是由实心墙体构成的实腹筒体,其迎风面于背风面墙体的轴向应力分布也不是均匀的,也存在剪力滞后效应。这是由于平面尺寸与墙厚的比值通常很大,使得其剪切变形不可忽略,平截面假定不再适用。

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图15 框筒的剪力滞后现象

如上图所示,在侧向荷载作用下,大的剪切应变使得受弯平面发生变形。翼缘面单元E在剪应力作用下发生变形,所有这种单元变形累积效应最后的结果是翼缘截面由原来的平直面变为上图中曲面。这时,翼缘框架的弯曲应力不再与截面到中和轴的距离成比例关系。

由于翼缘截面的抗剪刚度不足,翼缘中心的应力“滞后(lag)”于靠近腹板的应力。这种现象就是众所周知的剪力滞后现象,它对筒体高层结构的设计起着重要的作用。腹板中的弯曲应力也以相似的方式受到影响。

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图16 框筒的剪力滞后现象

与实腹筒相比,框筒结构翼缘框架的抗剪刚度更差,其剪力滞后效应更加明显。在侧向荷载作用下,框筒结构的主要抵抗力来自于腹板框架。由于这些框架的变形,使得迎风面框架柱T受拉,背风面框架柱C受压。

腹板框架与翼缘框架之间的主要相互作用是通过角柱的轴向位移产生的。例如,当C柱受压时,将趋向于使相邻柱C1受压,但由于裙梁的刚度不是无限大,所以C1的轴向变形小于角柱C。柱C1的变形又引起下一个相邻柱C2的变形,其变形又更小一些。反应到应力上,就是角柱的应力较大,中间柱的应力较小。

(3)设计要点

剪力滞后效应使得框筒的空间作用不能充分发挥,因此,框筒结构的布置应尽量减小其剪力滞后效应。
影响框筒结构剪力滞后的因素很多,主要有:柱距与裙梁高度(裙梁的抗侧刚度)、角柱与中柱的面积比、结构高宽比、框筒结构的平面形状、长宽比、内外筒刚度比、轴压比等。

为了提高框筒结构的空间作用,并减小剪力滞后效应,框筒结构的平面外形宜选用圆形,正多边形、椭圆形或矩形。框筒结构的平面尺寸一般不宜过大。只有在结构高宽比较大的情况,框筒结构才能象箱形悬臂梁一样发挥整体弯曲的空间作用,因此框筒结构的高宽比宜大于 4。

对于框筒结构,柱距大小和梁截面高度是决定筒体空间作用的决定性因素。框筒柱距一般不宜大于 3m 和层高,框筒柱的长边应沿筒边方向布置;当结构高度较高,柱距可以适当放宽,一般也不宜大于 4.5m。裙梁的高度一般可以取 1.0~1.5m。裙梁的跨高比不应大于 3,裙梁的跨高比太大时,剪力滞后效应明显,无法有效发挥框筒的空间作用。

(4) 案例

纽约世界贸易中心双子塔
结构体系:框筒

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图17 纽约世界贸易中心双子塔

纽约世界贸易中心双子塔位于美国纽约的世界贸易中心,是著名建筑师山崎实最重要的代表作之一,大厦耗资7亿美元,于1966年破土动工,1972年完成最高层建筑(417米),超越纽约帝国大厦成为世界第一摩天大厦。然而2001年双子大厦在“9·11”恐怖袭击事件中倒塌。

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图18 纽约世界贸易中心双子塔

前纽约世界贸易中心双子塔,由两幢 110 层、高 417m 的钢框筒结构组成。平面尺寸为 63.5m×63.5m,标准层高 3.66m,柱距 1.02m,裙梁高 1.32m。每 32 层设置一道 7m 高的钢板圈梁用以减小剪力滞后效应。

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图19 底部三根柱合并为一根

到了底部,为了实现大空间的建筑功能需求,每三根框架柱合并为一根,底部柱距扩大为3.06m。

101 California Building
结构体系:框筒


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图20 California Building

美国旧金山加利福利亚大街101号大厦,采用框筒结构,地下2层,地上48层,高201.2m,全钢结构。但是1~7层在半个圆的范围内,周边只有框架柱,柱高28m,没有裙梁,低区形不成框筒,如上图所示。竖向抗侧力结构不连续,同时,由于没有裙梁,也极大的削弱了1~7层的侧向刚度和抗扭刚度,成为潜在的薄弱层和软弱层。并且在37层、42层和46层立面上存在三次收进。

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图21 California Building的平面及立面

为保证侧向力的顺利传递,从1~12层在平面中央设置了钢结构支撑筒体,两个方向各为3榀4跨和3榀6跨。为使7层以上的框筒和7层以下的钢结构支撑筒成为连续的竖向抗侧力结构,对8~12层的楼板进行了加强,作为水平地震剪力的传递层,在传递地震剪力的最大的8层和12层楼面,设置了水平钢桁架。

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图22 California Building

DeWitt-Chestnut公寓
结构设计:SOM
结构体系:混凝土框筒


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图23 DeWitt-Chestnut公寓

DeWitt-Chestnut公寓(1964年)是Fazlur Khan的第一个重要作品,也是采用筒体结构体系建造的第一幢超高层。大楼高120m,由钢筋混凝土密柱和深梁构成外围筒体,抵御水平荷载。大厦内部没有芯筒和剪力墙。采用筒体结构的建筑,对内部立柱的需求少,建筑内部空间开阔。

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图24 结构底部两根柱合并为一根

到了结构底部,为实现建筑的大开间需求,框筒的立柱通过大梁转换,两根立柱合并为一根立柱。

388 Market St
结构体系:框筒


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图25 Market St

美国旧金山市场街388号大楼,27层,钢结构。为了充分利用一块面积不大的三角形场地,该建筑的平面一端圆,一端尖,像一个水滴。根据建筑平面形状,采用了一个圆弧形和一个三角形组合的框筒抗侧力结构体系。两个框筒公用的框架采用截面较高的梁和箱形截面柱。在第3层、18层、19层、20层、25层和26层,共用框架中间跨的两根柱之间附加一个斜撑。

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图26 Market St的平面及空间振型图

3.1.2 斜交网格筒体

在筒体表面增加斜向支撑可以有效的翼缘及腹板框架的剪力滞后效应。框筒即使是密柱布置,其裙梁的刚度也是有限刚度,因而平行于风向的框架的高剪应力在围绕框筒角部位置不能有效的传递。要使它的效能最高,筒体应该如一个完美的悬臂梁构件一样,在迎风面和背风面均匀的受压和受拉。然而,框筒的性能却像一个带孔洞的薄壁筒体。当轴向力绕过筒角时趋向于减小,使得迎风面和背风面中部的柱不能均匀的承担分配给它们的拉力和压力。这种效应即前文提到的剪力滞后效应。它限制了框筒通常只能用于50层或60层以下的建筑,109层的纽约世界贸易中心双子塔是采用了非常小的柱距(1.02m)。

而对于普通柱距(3~4.5m)的更高的框筒结构,其梁柱的设计是由其弯曲作用控制而不是由轴力作用控制。并且在总的侧移中,仅有大约25%是由作为悬臂构件的弯曲分量组成,其余均为框架的剪切分量构成。正是由于这种剪切变形,引起了剪力滞后现象,使得框筒不能充分发挥其空间作用。

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图27 密布斜柱的筒体结构

如上图所示,这种密布斜杆的筒体也被称为斜交网格筒体,可以有效的发挥筒体的空间作用。斜交网格筒是一种没有一般意义上的“柱”,而以网状相交的斜杆作为同时承受垂直和水平荷载构件的结构体系。

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图28 斜交网格筒体的三角单元

体系中斜柱以轴向拉压内力为主,能有效利用构件材料力学性能提供很大的侧向刚度,为减小内筒或内框架的刚度要求提供了可能,从而为建筑内部的布置提供了更大的自由度。

斜交网格筒的抗侧刚度受网格角度的影响较大,在网格角度为 60°至 70°之间,斜交网格筒的抗侧效率最高。斜交网格筒平面形状愈趋近圆形, 斜柱、环梁的内力分布愈均匀,因此筒体平面形状宜采用圆形或接近圆形的凸多边形,多边形平面的角部宜采用圆弧过渡。

案例

瑞士再保险大厦
结构体系:斜交网格筒


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图28 瑞士再保险大厦

2004 年建成的瑞士再保险总部大楼,位于英国伦敦“金融城”圣玛丽斧街 30 号,共 40层,180m 高,它是一幢集办公建筑。大楼采用圆形周边放射平面,外形像一颗子弹,为螺旋型,每层的直径随大厦的曲度而改变,直径由 50m 至 56m(17 楼)之后续渐收窄。

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图29 瑞士再保险大厦

广州西塔
结构设计:ARUP & 华南理工设计院
结构体系:钢管混凝土柱斜交网格外筒 +钢筋混凝土内筒的筒中筒体系


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图30 广州西塔

广州西塔地下4 层 (局部5 层 ),地面以上103 层 ,主塔楼高432m , 采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒 +钢筋混凝土内筒的筒中筒结构 。斜交网格筒侧向刚度 、抗扭刚度大 , 以斜柱轴力抵抗水平荷载引起的结构楼层水平剪力和倾覆力矩 ,充分发挥了高强钢管混凝土柱的优势 , 是超高层建筑的优良结构形式 。西塔外周边共 30 根钢管混凝土斜柱于空间相贯 ,共 16 个节点层 ,节点层间距 27m 。

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图31 广州西塔平面图

广州西塔斜交网格外筒的组成包括 :(1)竖向构件以一定角度相交的斜柱 ;(2)水平构件沿外周边布置 、连接网格节点的环梁及沿外周边布置 、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点 , 侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒 ,但竖向刚度比框筒稍差 。水平力由斜柱的轴向力平衡 , 倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。

西塔的层高为 3.375 ~4 .500m , 斜柱的交角为 13 .63 °~34.09 °, 自重引起的弯矩不大;对各节点层施加了体外预应力,阻止了竖向荷载作用下网格节点的向外水平位移,大大减少了斜柱的柱端弯矩和剪力, 提高了结构的竖向刚度 。不论是受竖向还是水平荷载作用 ,斜柱的主要内力是轴力,剪力和弯矩均很小 。

北京保利国际广场
结构设计:SOM & BIAD
结构体系:交叉网格筒中筒体系


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图32 北京保利国际广场

北京保利国际广场主塔楼高161.2m,32层,采用独特的钻石型折叠网格造型。结构体系依据建筑体型,采用交叉网格筒中筒体系,外筒为钢管混凝土斜柱构成的交叉网格结构,无竖直柱子,内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒。交叉网格外筒的组成包括:
1) 斜向构件,以一定角度( 约45°) 倾斜相交的斜柱,斜柱每根跨两层;
2) 水平构件,由外环梁和径向梁构成,外环梁沿外周边每两层设置一圈,连接网格柱节点,径向梁支承于交叉网格节点和核心筒之间。作为一种新颖的框筒体系,交叉网格筒体的受力性能与一般框筒有很大差别,主要体现在以下几点。
(1) 交叉网格的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点,外筒的巨大刚度使其能够承受很大的水平荷载,为减小内筒的刚度提供了可能,从而为建筑内部的布置提供了更大的自由度,可取得更好的建筑效果和综合效益。
(2) 侧向力主要由斜柱的轴向力平衡,倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡,因此柱内的剪力和弯矩比较小。
(3)斜交网格在水平和竖向荷载作用下,表现出明显的空间受力特征,结构的高宽比、斜柱的倾斜角度、斜柱的截面面积、斜柱与环梁的相对刚度比等等,均对交叉网格筒体的受力性能有较大影响。(
4)交叉网格外筒的抗侧刚度往往超过混凝土核心筒的抗侧刚度,同时延性逊于常规框架体系,体系的屈服机制明显不同于传统结构,抗震防线的分布也将发生较大变化

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图33 交叉网格的尺寸及竖向荷载下的轴力图

网格构件尺寸不完全是按楼层分布,而是根据构件的内力分布,呈空间变化,在竖向荷载作用下,外网格柱的轴力分布如图所示,自底层的最大轴力27500kN,逐渐过渡到顶部的500kN。

中信金融中心结构设计:SOM & 华阳国际结构体系:交叉网格+混凝土核心筒
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图34 中信金融中信(原设计)

中信金融中心原设计包含两栋塔楼,分别为一栋311.4m的办公塔楼和一栋211.25m的多功能塔楼。

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图35 中信金融中信的结构体系(原设计)

两栋塔楼的结构体系采用的均是外围交叉网格+混凝土核心筒体系。其外框支撑筒体的斜杆布置可通过拓扑优化得到,俗称米歇尔桁架,如下图所示。

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图36 米歇尔悬臂

这时的立面的斜杆布置与水平荷载下的应力路径相同,理论上是最优的一种斜杆布置方法。

深圳农村商业银行

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图37 深圳农村商业银行

3.1.3 支撑筒

通常为了减小对建筑立面及使用功能的影响,如下图所示的大的斜向支撑形成支撑筒更为常见。这个方法是在每个立面上用最小的斜杆相交在角柱的同一点处。这种体系之所以成为筒体,是由于筒面斜杆与垂直面的桁架相互作用形成了三维的空间作用。

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图38

这种大的斜杆形成的支撑筒,在每一个交点处都立柱相连接,有效地消除了翼缘框架与腹板框架的剪力滞后效应。支撑筒在水平荷载作用下发生整体弯曲时,本应该由腹板框架与翼缘框架中裙梁承担的 竖向剪力主要由斜杆来承担;由于斜杆的轴向刚度大,所以支撑筒结构基本消除了框筒结构剪力滞后效应,从而更充分地发挥了筒体的空间作用,适用于建造更高的建筑。

案例

约翰.汉考克中心
结构设计:SOM
结构体系:钢结构支撑筒


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图39  约翰.汉考克中心

这种体系最著名的例子要数由SOM公司的Bruce Graham和Fazlur Khan设计的汉考克中心了。建筑为100层,总高度343.7m,加天线高度达457.2m。建筑的底层平面尺寸为50x80m,从中心核心筒到外侧的净跨约为18m,建筑平面随着高度上升不断减小,到了顶部平面尺寸为30x49m,净跨缩小为9m。底层最大柱距达到 13.2m,远大于框筒结构要求的 4.5m。

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图40  立面支撑施工图

每一斜杆呈45°角布置,在每一面形成巨大的X型支撑。斜杆具有多重功能,既与斜柱一样受力以抵抗部分重力荷载,又承担了大部分水平荷载作用下剪力。斜杆与框架柱、横梁形成了具有较大刚度的支撑筒。

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图41  约翰.汉考克中心

汉考克的45°斜杆与外框形成的支撑筒,极大的消除了筒体的剪力滞后效用,其空间作用远远高与框筒。100层的汉考克中心用钢量约150 kg/m2,而102层的帝国大厦的用钢量是其约为205 kg/m2。
上海环球金融中心结构设计:LERA & ECADI & 株式会社 构造计画研究所结构体系:核心筒—巨型支撑筒体—伸臂桁架

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图42  上海环球金融中心

上海环球金融中心,主楼地上 101 层,地下3 层,地面以上高度为 492m,裙房为地上 4 层,高度约为 15.8m。

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图43  上海环球金融中心的结构体系示意图

上部结构同时采用以下三重抗侧力结构体系:
1)由巨型柱,巨型斜撑(主要的斜撑)和周边带状桁架构成的巨型结构框架;
2)钢筋混凝土核心筒;
3)联系核心筒和巨型结构柱之间的外伸臂桁架。

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图44  上海环球金融中心的结构体系示意图

高银117大厦
结构设计:ARUP & ECADI
结构体系:混凝土核心筒+巨型柱框架+巨型支撑


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图45  高银117大厦

高银117大厦,建筑高度597m,共117层,塔楼外形随高度变化,楼层平面为正方形,楼层平面随高度逐渐变小。首层平面尺寸为65x65m,渐变至顶层的45x45m。

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图46  高银117大厦结构体系组成及平面图

结构外框采用巨型柱+巨型支撑+水平横梁组成的巨型支撑筒体。巨型支撑筒体承担了主要的抗侧力作用。

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图47  高银117大厦的外框支撑筒的组成

天津周大福
结构设计:SOM & ECADI
结构体系:带陡斜撑和带状桁架的钢管(型钢)混凝土框架+钢筋混凝土核心筒


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图48  天津周大福

天津周大福,共94层,建筑高度530m,大屋面高度443m,集办公、公寓、酒店等多功能于一体。

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图49  结构体系组成

结构体系为带陡斜撑和带状桁架的钢管(型钢)混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构。外框由角柱、陡斜撑(斜柱)和普通边框柱组成。塔楼立面设置 3 道环带桁架,第一道设置在中部 L48M~L51 层,下部框架柱为钢管混凝土柱(CFT) ,上部框架柱为劲性混凝土柱(SRC)。其余两道环带桁架设置在L71~L73层和L88~L89层设备层,在核心筒顶部设置一道帽桁架来缩小周边柱与核心筒之间的变形差。底部加强区和中部加强区的核心筒采用设置钢板和型钢的组合剪力墙以提高核心筒的延性。

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图50  施工中的天津周大福

结合建筑立面体型,沿建筑的立面脊线设置陡斜撑,不设伸臂桁架,而结合带状桁架、帽桁架、抗弯框架组成一种特殊的支撑结构体系——带陡斜撑(或斜柱)的框架-核心筒超高层组合结构体系。该体系的特点是在外框中设置了陡斜撑(斜柱),陡斜撑(斜柱)介于框架柱与常规支撑之间,角度比较陡,为 70°~80°左右,从底层角柱开始倾斜向上,与普通边柱相交、合并、分开、或再相交,将外框角柱、普通边柱联系起来,提高外框的抗侧刚度,使得外框承担的地震剪力达到了底部总剪力的10%。

北京中信大厦
结构设计:ARUP & BIAD
结构体系:巨型框架支撑外框筒+钢板组合剪力墙核心筒


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图51 北京中信大厦

中国尊大厦是全球第一座在地震 8 度设防区超过 500m 的摩天大楼。塔楼外形以中国传统宗教礼仪中用来盛酒的器具“樽”为意象。

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图52 北京中信大厦

建筑高度528m,地上112层,地下8层。平面为方形,底部尺寸为 78m×78m,中上部平面尺寸为 54m×54m;同时顶部逐渐放大为 69m×69m,最终形成中部略有收分的建筑造型。

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图53 北京中信大厦的结构体系组成

结构体系为巨型框架支撑外框筒+钢板组合剪力墙核心筒组成的双重抗侧力结构体系。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。其侧向荷载主要外框的支撑筒与核心筒承担。

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图54 北京中信大厦的结构体系组成

中央电视台新台址
结构设计:ARUP & ECADI
结构体系:钢结构支撑筒体

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图55 中央电视台新台址

CCTV 主楼由塔 1 和塔 2 两座塔楼 、裙房及基座组成 ,地下 3 层 。塔楼 1, 2 均呈双向 6°倾斜 ,分别为 51 层和 44 层 ,在层 37以上部分用 14 层高的 L 形悬臂结构连为一体 。结构屋面高度 234m , 最大悬挑长度 75m 。

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图56 立面支撑布置

CCTV 主楼采用钢支撑筒体结构体系 。带斜撑的钢结构外筒体提供结构的整体刚度 ,部分钢结构外筒体表面延续至筒体内部 ,以加强塔楼角部及保持钢结构外筒体作用的连续性 。大楼特殊的几何造型导致外筒杆件受力不匀, 故设计将斜向交叉的钢构件- 斜交格构- 在受力较大或较小的区域增加或减小密度。如上图所示。

Onterie Center
结构设计:SOM
结构体系:混凝土支撑筒


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图57 Onterie Center

SOM公司的法兹勒.坎恩(Fazlur Khan)早在1972年就设想,用混凝土建造高层建筑是有可能与钢结构相匹敌的。他寻找一种可以消除筒体剪力滞后的结构解决办法,最后他提出了支撑筒的概念。这个概念在芝加哥的约翰.汉考克大厦的设计中得到了充分体现。

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图58 Onterie Center三维及平面示意图

采用类似的原则,坎恩提出了一个采用混凝土支撑筒的想法。它的组成是:布置间距约为3.04m柱,每一层堵住一个一些窗户,在外立面形成斜的混凝土支撑。然后按承受剪力设计斜撑,也就消除了筒体柱和梁的弯曲。虽然坎恩在1970年就提出了这个原理,但是直到15年后才在建筑中实现。

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图59 Onterie Center

位于芝加哥的昂特里中心便是采用的混凝土支撑筒结构,高173.7m,58层,其高宽比非常大,达到了8:1。将窗洞填塞形成的混凝土支撑具有双重作用。首先,它们消除了剪力滞后,提高了筒体的效率。其次,它们将重力荷载进行重新分配,较小外围混凝土框架柱的竖向变形差异。

纽约花旗银行总部大楼
结构设计:Willam J.LeMessurier

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图60 纽约花旗银行总部大厦

结构工程师将巨型三角形桁架组合到建筑的立面中,这些立面桁架分担了约一半的重力荷载,并承担全部的风荷载。在立面上所聚集的传递底部的四根巨柱上,由于不再利用转换层以下的巨柱承担剪力,在底部设置了混凝土核心筒以承担水平荷载作用下的剪力。在转换层楼面,利用斜撑以完成从外支撑筒体到混凝土核心筒的剪力传递。

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图61 立面支撑布置示意图

香港中国银行大厦
结构设计:Leslie Robertson


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图62 香港中银大厦

中银大厦,地上70层,楼高315米,加顶上两杆高度共有367.4米,建成时是香港最高的建筑物,也是当时美国地区以外最高的摩天大厦。

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图63 香港中银大厦建筑形成图

香港中银大厦的设计灵感源自竹子,它将中国的传统建筑意念和现代的先进建筑科技结合起来。贝聿铭把大厦比作雨后春笋,正方平面对角划成四组三角形,每组三角形的高度不同,如同节节上升的竹子,象征着力量、生机、茁壮和锐意进取的精神,对于银行而言,其中的含意也不言而喻。传统文化中的风水问题,贝聿铭在设计中也有所考虑,大厦两旁都有泉水,在中国古代房屋相学中水被看做是财源,水流生生不息,隐喻财源广进,象征为银行带来佳运。

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图64 香港中银大厦图纸

香港中国银行大厦主要是一个由立面交叉支撑的空间桁架组成。该空间桁架几乎承担了建筑物的全部竖向荷载,同时又承担了水平荷载。所有的侧向荷载与竖向荷载均有角部的四个组合柱来承担。四个角柱底部的净跨达到51.82m。

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图65 香港中银大厦结构示意图

第五个组合柱位于建筑平面中心,由第25层一直延伸到建筑顶端。由此柱承受的荷载在第25层传递给角柱。角柱在底部的截面尺寸达到了4.3x7.93m。这种创新的“巨型结构”设计由立柱、对角拉锁和水平加强板组成,用特制连接件使得所有部件协同作用,构成一个整体的三维系统,从而使结构和经济效能发挥到极致,最终比普通的香港高楼节省一半的钢材用量。

未完待续....
由于篇幅原因,本篇主要介绍筒体结构(框筒、斜交网格筒体、支撑筒)的受力特征及案例,筒体布置时最重要的是要采取措施减小剪力滞后效用,充分发挥筒体的空间作用。由于裙梁的刚度有限,框筒的剪力滞后效应较为明显,而斜交网格筒、支撑筒利用斜杆的轴向刚度,可以较大程度的消除剪力滞后,因此,斜交网格筒及支撑筒的效能要远高与框筒。下期将继续分享关于束筒、筒中筒、框架-核心筒、巨型结构、连体结构以及新型结构等超高层建筑的结构体系。下期见!

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参考资料:
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