[分享]：关于超高层结构的设计思考

sheng.r

我去年参加了一项超高层建筑计算与设计（建筑高度243米），为双塔框筒结构。计算结果显示顶层在地震或风荷载水平位移均超过了30cm，虽然满足了《高规〉及《多层与高层钢结构设计规范〉的水平位移限值及人体舒适度标准，但从常理出发，我个人认为顶层位移还是偏大。当时我提出了在楼顶加大吨位水箱的想法来限制主楼在风载与地震荷载下的位移，可能当时我的想法太过缺乏理论及试验依据就没有进入我们老总的考虑范围。
   昨天晚上我看了中央电视台科技台关于马来西亚双子楼的设计介绍，顿时大有感慨。双子楼顶正是安装了一种U型水箱使得顶层在风载下的位移减少了50%以上！！！一般来讲，高层建筑在抵抗水平和载只能靠自身的抗侧刚度，当建筑超高时，顶层位移就可能在绝对值上很大。为了解决这个问题，就需从其他方面入手。隔振垫是个好东西，但只解决了地震荷载向上传递的问题，并不能解决风载带来的变形问题。水属液态，振动一般比固态滞后，顶层水箱中的水在风载作用下的振动比楼体振动慢半个周期，正好起到了限制位移的作用。在当时那个项目作初步设计的时候，我就有这样的想法，正好搞水的同志提出要在搂顶加一个大吨位消防水箱，一举两得，结合这样的想法，可在搂顶做这样一个水箱，既可以限制水平位移，平时又可以做消防水箱使用，具体试验时可做一个模型在两种情况下的风洞试验，就可对比出结果。可惜的是，我跟老总讲了半天也没领会我意思，于是就算了。
   以后如果有再搞超高层机会，我一定要试试。
  欢迎广大同行热烈讨论！

大地

同意你的观点。屋顶水箱，在地震作用下相当于一个减振器。而在早先砌体结构中，设屋顶水箱，总认为是不利的。我分析其原因，砌体结构一般层数不高，是一个很刚的结构形式。而屋顶水箱，在如此短的周期内大概是无法发挥作用。
在超高层的设计中，在顶部设一个刚性层，对水平位移的控制是很有帮助的。象你如此高度的建筑，光在顶部设一个刚性层可能还不足以解决问题。我的想法在2/3高度再设一个刚性层，可能会好多了。
自己还没有做过超高层，以上仅是从书本得来的知识。在此纸上谈兵，请行家多多指正。

sheng.r

添加刚性层（我们叫加强层）的做法也是一种常用的方法，是通过加强某一层的抗侧刚度（一般设置巨型桁架）大大减小该层的位移角，从而达到减小顶点位移的目的，形象的讲加强层好比竹子的节。这其实还是一种增加建筑物本身刚度的做法，在目前国内超高层结构中应用较为广泛，我在前面提到的那个项目就设置了两层加强层，分别与1/3与2/3高度处。

appleke

我连高层的都没有做过更别想超高层了，哎，羡慕中
不知道做高层应该看些什么书呀，还是。。。请高手们给予指示方向。

大地

最初由 sheng.r 发布
[B]我在前面提到的那个项目就设置了两层加强层，分别与1/3与2/3高度处。[/B]

我印象当中，好象设在顶层用处最大，不知对否。你没有试着计算过把加强设在顶层？其效果如何？
另，在论坛上的朋友绝大多数都没有做过超高层，你能把此工程的大概情况向大家做一下介绍。我替大家谢了。

sheng.r

那我把此项目的大概情况介绍一下：
商务写字楼，建筑面积10万多，建筑高度243米，地下两层，裙房6层，A搂五十几层，B搂30层（但层高较高），为双塔框筒钢筋混凝土结构。加强层的设置主要依据建筑避难层设置，因为避难层一般不作为办公用房，将避难层作为加强层对建筑功影响不大。（顶层作为加强层并不合适，这是我们老总的观点，好像是地震作用下的鞭梢效应）因为在后来计算时发现不设加强层顶层位移也满足规范要求，后来在施工图设计中老总又把加强层取消了（唉唉）
    A搂的外框柱采用劲性柱，减小了柱断面。框筒在整个设计过程中，加强层的设置并不是最主要的，难点在于框筒的几个基本尺寸（柱子大小，筒的外形尺寸，筒的壁厚）需要同建筑与设备反复推敲，搞得我算了不下十几遍。还有就是与设备专业的协调，经常要在我的筒上开洞，开的到处是洞，把我气死了。
   还有什么问题，我尽可能回答吧

敲了这么多字，没有功劳，也有苦劳吧！

大地

我想提一下问题，你所说的建筑高度是不是含上部构筑的高度，要不然层高也太高了，有4m多。还有象这样高度的建筑，依据高规地下室埋深不得小于1/18（我想一定是采用桩基了）也得13m多，两层地下室有那么深吗？
此类高层的设计，确实会存在与设备的协调。个人体会，假如有一个有经验的建筑师，情况要好得多。没有一个有经验的建筑师统一协调，结构做起来是相当痛苦。不要说一个五十多层的建筑，就是三十层的建筑筒体上也到处是洞。我个人做法，是上下洞开一样大小，小洞处剩余部分用砌体封掉。这样当然是削弱了筒体，对你这样一个超高层是否合适就不好说了。
象这样一个高度的建筑，我以为混凝土等级会用到C70~80，筒体的壁厚会在400以上，可能会取500~600。不知我说得对否。
关于劲性柱，我没有做过。去年有个工程，本想做的，可由于时间紧，一时没有找到相关资料，后来也没有做。你能否对这方面的设计给讲一下。

2002zjp

讲讲你的基础、承台，讲讲你的砼强度等级的级差是如何处理的。
顶层设水箱的做法非常高明，在discover的节目中已经有非常详细的介绍。你可以看看。

sheng.r

昨天下午验收去了，接着吃晚饭搞到很晚，没上网，谢过斑竹。
我再谈一下那个项目。
地下两层，均为人防，分为六级和6B级，层高5米左右（因为事隔一年半，具体数字记不清了，但误差不会太大），但底板很厚，平均为1.5米，局部到了3m多，正好可满足最小埋置深度要求。在抗震审查会时，北京的程懋堃曾提出底板是否太厚了，造价太厉害，北京也就400~500
就够了，但我们老总考虑我们当地土质情况（接近上海），地下工程的重要性，维持了原设计。
关于混凝土强度，底层柱墙用了c60，为什么不用再高一点的，我忘了，好像是哪本规范有规定的，外筒壁厚底层为600。
关于层高，A搂为3.8米，不要以为很高，扣去梁高、水暖电、吊顶后也就2.5M左右，至于B搂就夸张了，层高4.8米，开发商在其中做了个夹层便于销售（商业用房），号称满一送一，我们当时觉得应该没人买，夹层净高才2.3米！但半年前就听说已经卖完了。
关于劲性柱，是一个解决超高层中底层柱截面过大问题的好办法，它的设计依据是在混凝土柱中如果将钢材截面积提高到5%以上，将大大提高它的承载力，相应降低了柱的，因为钢材的屈服应力很厉害（忘了具体数字），注意并不能提高它的抗侧刚度。具体设计时，你可将理想的柱截面输入计算，算完找到柱轴力（配筋肯定超，不理会），根据力、轴压比算出柱中所需要的型钢面积，就可设计出型钢尺寸。劲性柱施工难点在于其中的型钢与梁里面的钢筋怎么连接，麻烦！要画大样，尺寸要准。
DISCOVERRY介绍水箱了吗，我怎么才能看到。
我很乐意跟大伙交流，但打字太慢，（打了45分钟）斑竹有没有好的打字软件！

大梦小生

开眼界,up
楼主应该是用拼音输入的吧?推荐使用紫光拼音输入法,晓东里就有下载的.

大地

谢谢 sheng.r ！！！
我打字是用五笔的，不知你会不会用。如果会用的话，我推荐五笔加加。
谈点个人看法。
关于基础底板有厚度，如果1.5m的厚度是A楼或B楼的主楼之下，我认为厚度并不过分。对于A楼筒体下用到3m板厚，也可以接受。可能我所在地方邻近上海，与上海有些寺方相近。最早的时候（在九十年以前，那时的高层还比较少），底板厚度常取100mm/层，后证明过于保守，现在是越来越薄了。
混凝土等级之所以没用到C70~80，可能更多地考虑了施工方面的因素。一则高等级的混凝土水化热太高，二则与底板混凝土的级差太多（底板可能会在C40左右），局部承压不一定通得过，三则施工单位这个混凝土等级的级配还一定能做出。我仿佛记得，在金茂大厦的施工时，用到的高等级混凝土全是小日本的级配，还不允许中国人看（混凝土施工），真是欺人太甚。不知是否真有这回事，请上海的同仁多做一下介绍。
关于劲性柱，我想请教一下。此处所说的理想截面是否为设计所选的截面？在劲性柱的设计中，型钢一边是放置在柱的中央，而混凝土柱计算下来的配筋是考虑在周侧的，这中间是如何换算的？对轴压比倒还可以进行换算。是不是单独有个程序，取整体计算后的柱内力，按此内力进行型钢计算和钢筋配筋？关于劲性柱的构造在钢骨混凝土设计规范中看到过一点，不知除以上一些还有什么要求，还有什么是要设计中应当特殊考虑的。多谢指教。

sheng.r

劲性柱理想截面指建筑可以接受的截面。
关于劲性柱的配筋，其实不光设型钢，周边同样需设主筋。在新版本的TBSA6.0与PKPM中都有劲性柱的子程序，但我没有用过。老版本的程序中并没有劲性柱的内容，我们老总在计算时基本上是按程序算出的内力手算配置周边主筋，至于型钢的抗弯作用就留作富余了。但是这样带来的问题是节点处钢筋太多，连混凝土都不好浇。所以我认为劲性柱最好是轴心受压或小偏压（这样周边配筋便较小），大偏压的情况并不适用。
关于在节点处混凝土级差，在高低标号混凝土界面设置钢丝网就可以了（但好像还有其他问题）

木野狐

u型水箱是可以减震，但是减震效果恐怕达不到50%那么多吧
希望与楼主多交流
qq50345916
email:  grace__fan@sohu.com

sheng.r

减小50%是电视上看的，实际设计时肯定要做试验的

木野狐

这两天查了一些论文，水箱控制风振确实能减少30-50%，但是地震还在研究阶段
pdf的论文，如需要可以上传