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2018-08-07 10:09:56 | 分类:默认分类 | 标签:

      中国工程院院士,广州容柏生建筑工程设计事务所总裁 容柏生

      我今天想跟大家一起研究一下的是“超高层建筑的结构体系”。看起来这个题目是太大了,因为超高层建筑的结构体系有很多类型,所以在短短的几十分钟内是不可能解决问题的,因此我把报告缩短一下,在今天的报告里讲一部分。今天我主要是讲我们国家近期的,超高层建筑的结构体系,再近一步是常用的。要不然40分钟是解决不了问题的。      

      下面的内容是我们经常碰到的一些情况,下面就开始给大家介绍一下。我们国家最近建了大量的超高层建筑,每个省市都搞了,300米、400米、500米,一直这样搞上去。因此积累了比较多的资料,我个人有幸有机会参加了我们国内很多项目的工作,了解了一些情况,我把它稍微综合一下,形成这么一个内容。

      最近在超高层建筑里比较常用的结构体系是下面这些,这种核心体系是用得比较多的。基本上每个超高层建筑都有一个核心筒,绝大多数都存在这个概念,中间一个筒,不管是建筑或是设备使用的需要,我们结构也刚好利用了它,因此从各个工种来说这个核心筒是非常有用的,因此多数的超高层建筑都有核心筒在中间。在周边就配上一些支撑结构,现在配上的有下面几种:框架、巨型框架和外框筒,大概是配上这三种的外周边结构。这个情况比较多。

      几乎每个超高层建筑都有一个核心筒,外周边简单的是加一个框架,沿周边围起来。第二种是在周边加一个框架,但是是巨型框架,我下面会逐步的介绍。另外是周边加一个外筒,所谓筒是一个筒体结构,可能也是一个密度框架,也可能是一个别的形式的筒体。下面我逐步介绍,举一些例子来说明一下。

      下面说一下框架加核心筒的形式,无论是哪种结构都是基本的,但是往往不一定够,往往在这个基础上还有一个补强的措施,在某个层面加上伸臂桁架和腰桁架。巨框架已经具有腰桁架的形式,可能加伸臂桁架。有的时候还加斜撑,我后面会举一些例子给大家解释。

      外筒结构,核心筒加上外筒,如果钢度不够还不满足规范要求我们也可以加伸臂桁架和腰桁架。总的来说现在的结构体系大半是一个核心筒一个框架,如果不够就加一个伸臂桁架、腰桁架或是斜撑,从两百米到五百米基本上都用这种结构。

      下面每个结构我都简单介绍两个例子,这个例子是我随手拣来的,首先是比较简单的核心筒框架。我举一个例子是柳州的财富中心,这个结构比较简单,看起来比较容易。这个工程高度是303米,是一个矩形底盘44×44,高宽比是6.8,高宽比虽然是一个很粗略的指标,但是可以通过他显示设计难度,高宽比越大设计难度越大,高宽比越小设计难度越小。我个人认为比较正常的是7左右,如果是7以下设计不大,如果超过8难度就来了,如果超过9就非常困难。

      这个工程是6.8的高宽比,就告诉我们这个设计难度并不太大,这个仅仅是一个方面的指标,不能说是绝对的,还要看当地的自然条件,当地自然条件好了,高宽比大一点也无所谓。大家不要认为7作为一个分界线。

      这个工程很简单,一个核心筒,另外加了一个外周边的框架,每边四根柱,这个没有角度就变成斜的,这是建筑师的要求,主要利用斜的地方能够满足建筑角上的凹凸变化,这个对结构没有影响。柳州自然条件还是比较好的,六度区、风也不太大,在高宽比也不太大的条件下所以这个结构设计并不困难。它也加了加强层,我们当时参加审查的时候,这个指标的参数还是非常好,我们建议取消一个,后来他取消了。关于加强层如果后面有时间我会简单给大家说一说。

      第二个例子核心筒+框架,也就是说外面的框架也未必是矩形,这是一个椭圆型,而且还是半边错开的,这是重庆瑞安的项目,高度440米,高宽比8.6,相当大。但是重庆的自然条件是非常好的,也是六度区,风也不大。所以在重庆搞超高层建筑条件有利。虽然它高宽比比较大,但是在比较好的自然条件下它还是能解决。由于它比较高,高宽比比较大,所以它用了五道加强层,如果下面有时间我也做些介绍。

      第三个例子京基,安排我们后天参观,京基高度439米,它是矩形平面。高宽比9.5,这个高宽比是非常大的,在几个月前一直保持我们国内最大的高宽比的记录,当时设计难度非常大,深圳条件不是很好,风很大,地震也是七度,所以当时花了很大的工夫。它用的是框架+核心筒,但是这个远远不够,必须再加。我刚才说往往不够的时候再加腰桁架、伸臂桁架,他加了3道伸臂桁架和5道腰桁架。为什么两层用不同的伸臂,这是伸臂的敏感性分析出来的结果,下面有时间我也会讲一下加强层伸臂和腰桁架的敏感性分析。

      这个工程由于高宽比大,这个结构是比较硬来的,据我所知,原来这个工程地块不大,所以底盘并不是很大,才57m×46m,原来是打算建300多米的,后来由于业主想增高,要高过广州的,可以是广东最高,但现在不是了,广州东塔已经五百多了。由于它只能增高又不能把底盘扩大,所以它的高宽比非常大,设计非常困难。现在已经封顶了,据我的记忆,内筒的外墙是1.9米厚,已经是相当厚了,这个柱子大概是4米×5米,尤其是四个角柱,其实它结构占的面积是相当大,这个有点牵强。

     不但如此,加了这些东西算还过不了关,满足不了标准的要求。当时已经降了四百多分之一,他申诉了很多理由,还不能满足,最后又在外面加了斜撑,等于两边又增加了它的刚度,才马虎满足规范要求,还不完全满足,还讨价还价放宽了一点。情况是这样,这个框架+核心筒不够的时候必须加强。如此以外就没什么办法了,所有能用的方法基本上都用上去了。

      另外一个比较高点的有的时候用核心筒+巨型框架,什么是巨型框架呢?这里举个例,用少数的巨型柱,四根到八根。所谓巨型框架在两边,跟若干层通常是结合设备层布置了巨型桁架作为它的水平构件,这就组成了一个巨型框架,巨型框架的跨度很大,层高也很多,这里需要布置第二层的桁架。

      这个结构有什么好处呢?把巨型的东西,影响它使用的东西放在不重要的地方,一些重要的地方需要用的我们改为小的构件结构。次框架大家可以看到,这个仅仅是若干层,而且重的荷载很小,放在这里不影响建筑,这种用的是比较多的。这个是巨型框架。如果巨型满足不了还加斜撑,单撑、斜撑。

      有几个例子,上海中心,630多米,实际高度是580米,因为顶上还有一个塔冠,这个塔冠也有差不多五十米,这个就是它的平面。上海中心高宽比是7.0,上海的条件是七度,风力比较大,高宽比7.0,做起来也没有太大的困难,它加了六道伸臂,上海中心外面看是三角形,其实它真正的结构是圆形,这是里面圆形的结构,中间一个核心筒,每面两根柱,这些柱子靠得很近,这样就组成一个矩形桁架。另外还有一个圆弧型的环梁,这是它的结构体系。这个环型的环梁这样组成,它的形式大概是这样。这个结构由于两个柱比较靠中间,圆弧四个角的跨度很大,而且环梁又是弧形的,弧形有一个问题是受扭,这个是完全解决不了问题的,那么大的跨度要承担很多的竖向荷载,审核之后大大的改进,一个是在若干层以下加了四个角柱减轻它的跨度。另外把圆弧型的腰桁架改为空间桁架,起步是做了单片,我们说抗震比不够。核心筒加巨型框架也是一种形式。

      深圳平安大厦,平安大厦高度是648米,看起来最高,实际上真正的结构高度只有540米,为什么?他把桅杆算在里面,这个桅杆差不多一百米高,这个高度我们不去考虑了。这个结构采用了矩形刚架也是八根柱,八根柱比较靠边,这个跨度比较大,为什么留了角度?这个是建筑师的需要,我们根据建筑师的需要随便他们怎么布置。这里布置了次框架,它的结构体系就是这样的情况。这个总的体系等于核心筒加上外面的核心框架再加上若干个加强层,4道伸臂。最后感觉不够,因为它很高,高宽比达到9,也是比较大的,最后还增加了单斜撑外框。

      天津117,天津117说实在的,它从实际高度来说还算是国内最高的,它是597米,下面是餐厅,餐厅上面是顶盖,所以597米应该算是真的,实实在在的。它的地盘也利用了矩形框架,但是高宽比达到9.7了,京基是9.5当时都很困难了,后来他的9.7也感觉很困难。天津条件不太好,7.5度,风又大,比上海要大,没深圳大,条件很不好,所以它的设计也是非常困难,他采用了矩形框架,用四柱放在角上,做完了还有很多设备层,最后还是不够,最后加了斜撑,斜撑还是双斜撑,打叉叉的,这边一个叉,双斜撑才能解决问题,因为它的高宽比太大了。

      这里有一个小插曲,起初不是双斜撑,不是X交叉的。因为那个时候业主不同意,业主说风水不好,每个都是叉叉,他说只能用人字型的,人字型太陡,最后算起来没办法只能用交叉,最后说服了业主。他说里面看见好了,外面不要看见,所以它的外框是比较复杂的,次结构方面是在外面做四根柱,斜撑部分竖在里面,因此外面矩形框架每一层的桁架是双重的,外面一层是竖向力,里面是抵抗水平力的交叉,因此这个还是比较复杂的。不管怎么样,总归通过核心筒加上巨型框架再加上加强层和交叉的斜撑,总算是解决了问题,这个也过了关。

      最后一种就是内筒加外筒,这是一个真正的筒体,所谓筒体和框架不一样,主要是从受力性质上分,筒体是属于三维结构,框架还是二维结构,要是框架做非常非常密就变成了框架筒。下面我讲的是真正的筒体,先说一个简单的,天津搞了一个广东大厦,这个广东大厦高度四百多米,高宽比8.2,有一定的难度。由于它的平面变化很多,慢慢收,越收越小,他用了一个结构体系,他下面用框架,上面用外框筒,大家看到上面是密柱的,密柱框架就变成框架筒,下面没有,因为下面是功能项的需要,用的是普通框架,十米、十二米,因为它太单薄了,因为要上面的平面缩进去,外筒是回字型的框架筒,详细的我不说了。

      上面这部分可以说是核心筒加外筒,下面应该是核心筒加外框,他毕竟还是框架,双重框架不等于筒体,还是框架。上面是筒体,这是一种形式。下面两种是纯粹外筒的。

      广州西塔是三角形的平面,里面是六角型的筒体,外面纯粹是筒体结构,这个是斜交网格,用柱子组成交叉的组织,既然是交叉组织大家看看它的立面,变成很完整的结构,它是核心筒加外面的筒,这个筒体是用斜交网格,用钢团混凝土做的斜交网格。这个外筒抗力是非常强的,无论是抗扭、抗震,它的抗震能力比它的内筒还强,而且它抗扭的能力非常好,因此它的扭转成分是非常小的,这是很好的结构。西塔给我带了一个头,后面也有很多参照了这个东西。

      但是有一个问题,这个斜交网格在建筑上会受到一定的影响,现在的网格很大,一个格27米高,一个菱形是54米高的,虽然那么大,写字楼影响不大,上面的客房可以看到它的斜杆,这个使用上好不好,见仁见智了。

      天津中钢,它是核心筒加外筒,它的核心筒有点像广州西塔,但是广州西塔很简单都是菱形,但是它不是,它下面组成的筒体构件是六角形的,蜂巢型的,每个菱形都是蜂巢型,这是建筑师的要求,他控制你,构件要跟着他走。这种结构虽然是一个筒体,抗水平力还是很好的,里面有很多的水平杆,斜向比较好,但是它的竖向受力很差,重力荷载下它很差,因为它是六角形的,所有构件里面没有一根是竖的,重力荷载就靠斜的杆。在设计过程中,在竖向荷载的重力下会往外挤,六角形压扁了就往外鼓,所以就造成了往外鼓,它受水平力还是不错的,但是受竖向力不好,因此产生了很多外鼓,这个时间拖了很长,一直想办法如何解决这个问题,最后通过一个在设计上非常精细的考虑来缩小它的水平变形,另外还通过一些施工措施减少它的水平变形,这里用了很多、很高深的分析和技术,最后总算是解决问题了。详细的东西傅总很清楚,有机会可以跟大家介绍。

      关于结构形式就讲完了,大家可以看见,目前国内超高层建筑的结构形式大概是如此。后面我想讲点体会,也跟大家交流一下,我在超高层建筑方面有几个感觉是值得我们关注的,也有给我们设计上带来一些难题,不太好解决,我举几个问题主要是跟大家共同交流一下。我只能提出问题,讨论的时间就没有了。

      第一,现在超高层建筑关于剪重比的问题,剪重比现在在抗震规范里是一个强条,你算出来一个结构,地震工况算了以后减去剪力,究竟每一个楼层的剪力和重量的剪重比,那么多的重量,那么大的剪力,这个算出来有一个结果。规范说由于我们现在用的规范基本上是以加速度来反映的,但是对高层建筑,尤其超高层建筑周期很长了,周期长就过了加速度的影响区域,一直到后来受到速度和位移的影响更为重要,可是现在我们还没有,还算不出来,因此用现在的规范算包不住地震作用,也没办法算,所以通过剪重比控制一下,算出来太小不行,还要加大,把地震所产生的剪力扩大下,扩大里面抗地震能力更强。

      我们很多超高层建筑设计出来以后,发觉这个剪重比满足不了要求,比如说七度来说,七度的剪重比要求是1.2%,要是剪重比不满足1.2%就要想办法处理,现在提出处理的办法有两个。抗震规范5.2.5及高规4.3.12,这里有说了,剪重比我提出来的问题,现在搞很多超高层建筑,发现第一个问题出现的就是剪重比不够,怎么处理?剪重比差得比较大,要调刚度,剪重比更大了。我们感觉后面的好办,调刚度非常难,调来调去也满足不了剪重比的要求,这一点我作为一个问题提出来。

      第二,关于外框承担剪力的问题,我刚才介绍了这个结构体系,一个核心筒、一个外框,外周边的地方,外框承担剪力,现在我们要求也比较高,现在核心筒还是主要的,承担第一道防线,剪力它占了很大的部分,框架是其次的。既然核心筒是那么重要,但是核心筒有很多连廊,在地震比较严重的时候这个连廊会开裂降低刚度,从而它承担力小了,外框部分有足够力量的第二道防线的能力,这也是一个问题。

      现在这个问题我们往往在设计中也发现,有的时候外框比起内筒来说这个刚度还差很多,和内筒的分担相比它还占很少数,这里做了一个界定,不应该小于V0.2,有的时候不光要你调,还要把外框的刚度放大,让他直接承担10%以上的剪力。

      第三,关于加强层设置位置的选择,加强层包括伸臂桁架和腰桁架,腰桁架加强外框和条柱和竖向构件的联系,以便均匀的工作。伸臂桁架是加强内筒与外框的联系并协调工作,减小结构侧向变形。

      他们有一个缺点:构造很复杂,不管是腰桁架还是伸臂桁架,耗材很多,造成侧向刚度突变,施工难度较大且影响工期。往往停顿一段时间,这些都是不好的。

      既然有好处也有不好处,因此必须要做好加强层,包括伸臂桁架和腰桁架的布置问题,我这里提出的问题有几个原则,简单说一下设计的原则:在满足有关控制指标的情况下,尽量不设或少设,要是设应该设在效果最好的地方,效果对号的地方你通过测算,通过敏感性分析,如果单向能解决问题就不要双向。同时这个也应该尽量少,通过敏感性找到最佳的效果,用得很好是最重要,我发现很多设计,反正随便加,加完够就算是了,并不是精心算的,这个是要花很多心思。

      第四,关于外筒和外框的混凝土强度等级,七度的不能高于C70,九度不能高于C60,尤其是核心筒剪力墙不能高于C60,这里显示的是不宜,现在超限审查都不让你超过C60,核心筒不能超过C60,所以造成比较多的问题。要不然墙很厚,因为你要保证轴压比,要不然就得配很多钢筋、钢板,现在我们设计的超高层建筑里,这个新的要求,超限审查往往得掌握这个原则,在这样的情况下,这个困难怎么解决也是一个问题。

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