前言 结合已有项目工程案例 结构设计特点,并对典型项目进行分析计算,总结高层 / 超高层办公塔楼结构设计规律,包含结构材料、结构体系、结构布置、构件尺寸、超限措施、材料用量等内容,希望能为 100~200m 高层 / 超高层办公楼结构设计提供参考。 一、 结构材料 1.1、混凝土 墙柱等竖向构件宜采用
一、 结构材料
1.1、混凝土
1.2、钢筋
1.3、钢材
常用的钢筋为HRB400、HRB500等,当条件允许时,可适当考虑HRB500、HRB600等高强钢筋的应用。当采用高强钢筋时,应按钢筋受拉承载力设计值相等原则换算,并应满足最小配筋率和钢筋间距等构造要求,并应注意由于钢筋强度和直径改变会影响正常使用阶段的挠度和裂缝宽度。
二、结构体系
2.1、 抗侧力体系
200m以下的超高层建筑宜采用混凝土框架-核心筒结构体系,一般无需设置加强层,框架梁柱为普通钢筋混凝土构件,核心筒为钢筋混凝土核心筒;
框架-核心筒结构体系
特殊情况:
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当施工工期是控制因素时,可对比混合结构方案; -
由于政策原因有强制性的装配率要求时,可对比混合结构;
在方案阶段,应通过结构每平米质量指标从宏观层面判断整个结构方案是否合理、经济,常规项目的荷载取值、结构布置往往差异不大,各结构体系的每平米质量参考范围如下:
各结构体系每平米质量(KN/m2)
当政策原因有强制性的装配率要求时,可采用叠合板、钢筋桁架楼承板或压型钢板。
三、 结构布置
3.1 、 总体布置原则
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结构平面布置宜简单规则,避免质心与刚心存在过大的偏心。宜减少结构平面布置的长宽比(控制长宽比不大于2.0),避免较狭长的平面。不宜设置过大的转角窗和不必要的结构开洞。 -
建筑平面宜选用风荷载效应较小的平面形状和立面形体。可采取角度柔化、竖向锥形、改变截面形状、立面旋转、立面开洞等措施来减小风荷载。如果条件允许,可通过调整优化建筑物平面朝向,使大楼产生最不利气动响应的风向远离当地主要的强风方向,从而达到减小风荷载的效果。
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结构竖向布置宜使结构竖向规则、均匀,不应采用竖向布置严重不规则的结构,防止结构出现薄弱层。竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。收进外挑宜满足规范要求,控制立面的单侧内收程度。 -
高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济性合理性的宏观控制,应选取合理平面布置,使得建筑高宽比处于合理范围。
3.2、核心筒布置原则
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考虑有效使用面积、使用功能及抗侧力体系的要求, 200m以下超高层的核心筒平面布置的面积比宜在20%~25%左右。核心筒面积占比过小,会导致结构侧向刚度不足;占比过大,会导致框剪比不足。 -
建筑核心筒平面尺寸对整体刚度影响较大,核心筒应选取合理平面布置,核心筒高宽比一般不宜超过15(规范要求不宜超过12)。 -
核心筒平面有九宫格、回字形、矩形等方案供选择,剪力墙应沿建筑平面的主要轴线布置,宜上下连续贯通。
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核心筒在平面上应尽量居中,有特殊景观资源和需求,可以考虑采用核心筒偏置方案。 -
若采用核心筒收进,应注意立面收进幅度应有限度,可从结构楼层侧向刚度的变化来控制,并应注意核心筒收进应尽量对称。 -
核心筒开洞位置距离角部宜大于1倍墙厚,且不宜小于400mm。核心筒开洞宜上下连续。
3.3、框架柱布置原则
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200m以下超高层外框柱宜采用多柱体系,如16柱、18柱及20柱等方案进行布置选型分析,一般不采用巨柱方案。 -
框架柱宜放置在结构的最外围,以增大外框架抗侧能力。 -
竖向构件截面尺寸和混凝土强度等级沿竖向可分段逐渐减小。截面尺寸与混凝土强度等级的改变应避免发生在同一楼层,以减小刚度突变的影响。 -
框架柱轴网间距8.4m~12m范围比较常用,柱网要结合地上建筑方案和地下车库布置共同考虑,框架柱轴线间距不宜大于12m。外框若采用钢结构,柱距可以适当放宽。 -
框架柱至核心筒的合理距离为10m~12.5m,距离过小时,建筑有效面积偏小;距离过大时,楼面梁高度控制困难,净高受限制。 -
外框柱应尽量与核心筒剪力墙对齐,以提高结构效率及经济性。
3.4、楼面梁布置原则
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框架柱之间应设置框架梁,不宜中断,建筑角部如功能需求,外框架无法拉结,应提前进行征询。 -
楼面梁不宜搭在连梁上。 -
梁端部配筋较大时,可采取水平加腋的方式减小配筋率,也可在计算模型里做支座弯矩调幅,或几种方式相结合。 -
梁间距不宜大于4m,保证楼板跨度在合理范围之内,更加经济。 -
核心筒周边走廊上方的梁截面,可以考虑竖向变截面收小,有利于控制走廊净高。
四、构件尺寸
4.1、规则项目示例
对典型超高层建筑进行试算,结构平面布置和主要设计条件如下表,提供典型超高层结构构件截面布置,可用作常规项目参考,设计参数变化时,构件截面相应调整。
各典型超高层建筑平面图
各典型超高层结构平面图
4.2、剪力墙
核心筒剪力墙墙厚如下表所示:
4.3、框架柱
框架柱一般无需设置型钢,柱轴压比不满足要求时,可考虑设置芯柱或复合箍筋的方式。建筑有要求,需要控制框架柱截面尺寸时,可考虑采用型钢混凝土柱。
4.4、外框架梁及楼面梁
楼面梁建议截面如下表所示:
五、超限审查及应对措施
5.1、超限项判断
总体来说,不规则项尽可能合并,减少项次。
高度超限检查
一般不规则项检查
特别不规则项检查(1)
特别不规则项检查(2)
当特别不规则项数量超过对应各表中要求时,为严重不规则结构,不得采用,应调整设计。
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特别不规则,不规则程度超过限值较多,可选用; -
高度或个别不规则超过限值较多,可选用C或D; -
高度和个别不规则超过限值较小,可选用D; -
高度不超B级且不规则性满足限值,可选用D; -
超B级高度,可选用C;
整体性能水准尽量取为D级,性能目标取值如下:
六、材料用量参考表
根据典型模型进行材料用量测算,参考典型房企材料用量限额,结构材料用量参考如下:
注:
1 )仅包含塔楼地上部分,不含二次结构,不含二次结构和塔冠。
2 )混凝土用量单位为 m 3 /m 2 ,钢筋和型钢单位为 kg/m 2 。
3 )基本风压按 0.60KN/m 2 考虑,每增加 0.1kN/m 2 ,钢筋用量增加 1kg/m 2 。
4 )适用于地面粗糙度类别为 C 类的项目,当地面粗糙度类别为 B 类时,钢筋用量增加 2kg/m 2 。
5 )适用于 Ⅱ 、 Ⅲ 类场地, Ⅳ 类场地钢筋增加 3kg/m 2 ,混凝土增加 0.02m 3 /m 2 。
6 )上表不考虑预制装配式结构引起的材料增量。
7 )建筑需控制柱截面时,型钢用量相应增加。