高层混合结构设计与施工

1,高层混合结构设计与施工,2,一、高层混合结构的定义,高层混合结构是指由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体（或剪力墙）所组成的高层建筑结构。,3,4,5,6,二、高层混合结构的特点,抗侧刚度比钢结构大，变形比钢结构小； 用钢量比钢结构省，造价比钢结构低； 结构的耐久性和耐火性比钢结构好； 延性比混凝土结构好，自重比混凝土结构轻； 施工速度比混凝土结构快； 结构所占面积比混凝土结构少。,上海静安希尔顿酒店方案比较3：,43层，143.6m高。钢筋混凝土 核心筒，外钢框架结构。,7,8,上海静安希尔顿酒店三种结构方案技术经济分析,9,三、高层混合结构的工程应用,国外：研究工作始于上世纪60年代。工程应用始于上世纪70年代。代表性建筑有：美国芝加哥 Gateway Building，36层，137m。法国巴黎 Main Mantparnasse 大楼，64层。英国伦敦 The National West Minster Bank Building .捷克 Guezla大楼，36层。日本神奈县海老名塔楼，25层。新加坡 Overseas Union Building ，64层。,法国 Anaconda Tower，40层。,10,美国芝加哥拟建的米格林-拜特勒大厦，483m。,11,12,国内：研究工作开始于上世纪80年代。工程应用开始于上世纪90年代。代表性建筑有：北京香格里拉饭店，82.75m上海希尔顿酒店，143.6m大连远洋大厦，200.8m深圳赛格广场，291.6m上海金茂大厦，418m上海环球金融中心大厦，492m,13,上海环球金融中心,上海金茂大厦,上海金茂大厦平面图和剖面图,14,15,塔顶高450m，天线顶高610m。,新型高层混合结构：,16,地上103层，高432m，外筒为钢网筒结构，内筒为混凝土结构。总用钢量约4万吨。,四、高层混合结构设计时需要 重视的问题,1、抗震性能问题高层混合结构在意大利有成功的经验，但是，在美国和日本的大地震中有损伤和破坏的纪录，如：1994年3月27日，美国阿拉斯加大地震（8.3-8.6级）中，多栋6-14层房屋出现混凝土局部压碎，个别柱箍筋拉断，主筋和型钢屈曲，型钢外鼓等现象。1995年1月17日，日本阪神地震（7.2级）中，多栋6-11层的混合结构房屋的格构式型钢混凝土柱的型钢骨架发生变形和外鼓等现象。 因此，他们认为高层混合结构房屋的高度不宜超过150m。,17,18,2、由于荷载和混凝土收缩徐变等因 素影响产生的竖向变形差问题,钢柱,钢柱,钢筋混凝土筒,钢梁,结构因竖向变形产生的内力,19,钢框架与钢筋混凝土核心筒的质量、刚度差别很大，自振周期不同，协同工作是一个问题。,3、钢框架与核心筒的协同工作问题,20,五、高层混合结构的抗震性能,我国的部分试验研究：龚炳年等：23层混合结构模型动力特性试验。李国强等：25层沪东造船厂综合技术中心大楼结构模型振动台试验。吕西林等：60层上海世茂国际广场大厦、31层北京LG大厦结构模型振动台试验。徐培福等：30层型钢框架-核心筒结构模型拟静力试验。我们：层模型低周反复荷载试验和13层框支框架-核心筒模型拟动力试验。,21,1、高层混合结构层平面模型低 周反复荷载试验,墙为钢筋混凝土墙；柱分钢筋混凝土柱、型钢柱和型钢混凝土柱三种类型，每种类型2个试件,共6个试件。,22,层模型加载装置,23,层模型实验室加载情况,24,层模型不分缝剪力墙破坏情况,25,层模型分缝剪力墙破坏情况,26,不分缝墙钢筋混凝土柱荷载-位移滞回曲线,分缝墙钢筋混凝土柱荷载-位移滞回曲线,不分缝墙型钢柱荷载-位移滞回曲线,分缝墙型钢柱荷载-位移滞回曲线,27,不分缝墙劲性混凝土柱荷载-位移滞回曲线,分缝墙劲性混凝土柱荷载-位移滞回曲线,28,试验结果表明： （1）所有试件的延性都比较好，滞回曲线比 较丰满。框架柱为型钢柱和型钢混凝土 柱时的延性比钢筋混凝土柱时好。 （2）结构破坏时，墙、柱、梁的强度都能较充分的利用。 （3）剪力墙分缝对结构的延性有明显的改善。,29,2、外框支框筒-内核心筒高层混合结构模型的拟动力试验,30,513层层高300mm,主体结构为13层组合筒中筒结构模型，模型的缩比为1/10（平面尺寸1800×1800，高4750）,14层 层高450mm,现场模型照片,31,试件加载图,32,模型裂缝图,33,楼面裂缝图,34,底层核心筒破坏情况,第4层核心筒破坏情况,外框筒第9层破坏情况,外框筒转换层破坏情况,35,第5、13层位移时程曲线试验与计算对比,第5、13层位移时程曲线试验与计算对比,36,层间位移角 、顶点最大相对位移 计算与试验比较,37,试验结果表明： （1）核心筒是抵抗水平剪力的主要构件。 （2）连梁出现交叉裂缝，破坏最明显。 （3）结构具有良好的抗震性能，7度罕遇地震时，外框筒基本处于弹性状态，8、9度罕遇地震时，内、外筒混凝土裂缝开展较严重。 （4）钢管混凝土柱承载力高，抗裂性和延性都很好，直至结构破坏时一直保持完好。,38,3、沪东造船厂综合技术中心大楼结 构模型振动台试验,共25层，振动台台面输入三种地震波：上海市人工地震波； El centro 波；San Fernando 波。,39,随着振型阶数的增加，实测自振频率加大，阻尼比减少。,40,试验结果表明： （1）小震阶段模型的顶点位移为1/600 -1/1000，大震阶段为1/45，说明模型有较好的延性。 （2）结构破坏主要集中于混凝土核心筒，表现为底层核心筒混凝土受压破坏、暗柱和角柱纵筋压屈，而钢框架处于弹性阶段。结构整体破坏属于弯曲型。 （3）钢框架梁与混凝土核心筒连接处受力复杂，预埋件与混凝土的粘结易遭破坏，核心筒角部节点区混凝土破坏严重。 （4）只要设计合理，根据现行建筑抗震设计规范设计的结构，能满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的要求。,高层混合结构好的抗震性能是建立在以下的基础之上：1、结构的平面布置应尽可能规整；2、结构的整体性要好；3、型钢混凝土构件采用实腹式型钢配筋；4、节点区箍筋要加密，梁与柱、梁与墙的连接要可靠。,41,意大利的经验是： 楼面梁多采用混凝土梁； 楼面梁与混凝土核心筒或剪力墙的 连接多采用刚性连接； 在钢框架上设置斜向支撑； 基础多采用桩基础。,42,43,44,45,日本不同年代型钢混凝土梁柱配筋形式变化,46,47,六、高层混合结构的竖向变形 差分析,不利因素： 竖向荷载在各竖向构件中的压缩量不等。 混凝土会发生收缩、徐变变形，钢材不会。 温度。有利因素： 楼面标高测量控制。 楼面高差混凝土找平。 钢筋对混凝土收缩、徐变变形会产生约束。 混凝土核心筒超前施工。,48,（一）结构自重等竖向荷载作用下考虑施工 过程影响的竖向变形差分析,49,考虑施工过程的特点：结构逐步形成，荷载逐层施加，竖向变形差随着楼面标高测量控制和混凝土找平而减少，计算较复杂，因此可采用近似加载法计算。,矩阵方程为：K=P 式中，K保持不变，P为上三角矩阵。,50,例题1：,近似解与精确解结果相近，一次解与精确解结果相差较大。,51,竖向荷载下的变形：,S1为第1层竖向构件的最小压缩量， d1为第1层竖向构件的竖向变形差。由于标高测量控制和楼面找平关系，如果各层层高、梁柱截面以及竖向荷载相同，可近似取： S4=4S1 d4=4d1,52,（二）考虑竖向荷载和混凝土收缩徐变产 生的竖向变形差实用分析方法, 仅考虑竖向构件在轴力作用下的变形。 筒体应力较小，混凝土徐变为线性徐 变，迭加原理适用。 计算徐变收缩竖向位移时，不考虑水平 构件对相邻竖向构件变形的约束。,1、基本假定,53,2、钢筋混凝土轴压构件分批加载时混凝土徐变收缩分析的简化方法,（1）徐变的计算,定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。 特点：早期发展快，但可以延续数年。,混凝土的徐变与混凝土的材料组成、应力大小、养护情况和加载龄期等许多因素有关，情况较复杂。,54,假定混凝土的应力较小，徐变是线性的，迭加原理适用。根据ACI规范可得混凝土的徐变应变公式如下：,式中，i、ai、h、ti、分别为第 i 级荷载时的荷载增量以及加载龄期、构件厚度、持荷时间、环境相对湿度有关的徐变影响系数。当 t 时， ti1。,时刻t的徐变应变:,最终徐变应变:,55,56,（2）收缩的计算,定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。收缩率：3×10-4。收缩=凝缩+干缩。 特点：早期快，可延续12年。,混凝土的收缩与混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比；养护条件；使用时的温度与湿度有关。与荷载的大小无关。,57,式中， 持续时间影响系数， （潮湿养护）， （蒸汽养护），t 是养护终了以后的天数。,混凝土收缩应变可按下列公式计算：,58,（3）混凝土竖向承重构件收缩、徐变变形的计算,第 i 层竖向构件收缩、徐变由以下几部分组成：,分析表明，高层混合结构竖向变形差的大小为0.5mm1.0mm/m。其中：由于荷载引起的竖向变形差约占1/3；由于混凝土的收缩、徐变引起的竖向变形差约占2/3。有些因素和施工措施可以减小竖向变形差，如纵向受力钢筋和核心筒超前施工等。,59,60,（三） 配筋率影响的计算,混凝土截面最终收缩徐变应变： 式中：,61,（四）混合结构核心筒超前施工的影响,混凝土核心筒超前施工的目的是：使楼面施工到达这一层之前，核心筒由于荷载和混凝土的收缩、徐变产生的变形已经完成了一部分，当楼面施工到这一层时，竖向变形差比不超前施工的小。,62,上海地区部分混合结构核心筒超前施工情况,核心筒超前施工的层数应根据筒体的承载力、稳定和变形计算确定。文献65介绍了经验确定法、简单估算法和整体分析法，可供设计和施工参考。,63,例题2 ：上海环球金融中心核心筒超前施工分析70,64,混合结构层高3.6m，总高度216m(60层) 。其他情况与例题1相同。环境相对湿度40，潮湿养护天数4d，施工速度4 d/层，剪力墙竖向分布钢筋的配筋率0.2。,例题3：,算例平面图,65,（1）剪力墙B点的徐变和收缩竖向位移/mm,混凝土竖向收缩、徐变变形量约为0.5mm/m。,66,（2）配筋率和核心筒超前施工的影响,67,例题4：南京紫峰大厦29,墙和柱不考虑施工调整时的竖向变形量约为0.65mm/m。,68,69,（四）减少竖向变形差的措施,材料方面,尽量采用高强度的混凝土，且混凝土必须采取合理的养护方法。避免过大的水灰比。 尽量增加骨料的含量，选用弹性模量较大的骨料 。尽量使用快硬水泥，减少混凝土的徐变。 使用减水剂以增加混凝土的强度，减小混凝土的徐变和收缩。,70,设计方面,结构平面布置均匀对称，竖向构件重力荷载下压应力尽可能相等或接近 ，控制竖向构件的轴压比 。 适当增大竖向构件的配筋率 ，且相邻竖向构件的配筋率应尽量接近 。在构件体积不变的前提下，适当增加构件截面的厚度 。尽量采用刚性节点。外钢框架柱尽量采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱 。 设置加强层、水平环带、巨型斜向支撑等。,71,施工方面,核心筒应超前外钢框架施工 。 一般高层建筑超48层，超高层建筑可超815层。刚性节点先铰接后刚接 ，保证施工期间构件竖向自由变形。加强标高测量控制和楼面找平。 调整钢柱的下料长度 。,正在施工中的上海金茂大厦,72,七、框架与核心筒的协同工作,钢框架梁柱连接节点、楼面梁与框架柱和混凝土墙的连接形式：刚接：整体性好，框架与筒体协同工作好。铰接：整体性差，施工方便。半刚性连接：整体性较差，施工较方便。通常的做法是：框架梁柱连接采用刚性节点，楼面梁与框架和混凝土墙连接采用铰接节点，从上到下设置几道外伸桁架将框架与筒体拉接在一起。,