第二章超高层建筑结构体系的选择

2019/采10/2用0 筏板基础。
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• 4、业主要求
• 业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。 有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。上述三个 主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师， 要满足建筑艺术、功能和经济的要求，有赖于建 筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。
• 此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下 也可能成为一个控制因素。
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• a）建筑立面照片 • b)装修后建筑正门(原地面一层下沉到地下室) • c)装修后建筑边门(原地面一层下沉到地下室)
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• 实例5——美国独特贝壳广场(One Shell Plaza)
• 独特贝壳广场[7]建造于1970年，位于美国休斯敦 （Texas.），是一座高217.6m，52层的办公大楼，是当 时最高的钢筋混凝土大楼。休斯敦的地基在600多m内主 要是粘土。要求结构体系必须使整个建筑物最为经济，建 筑物包括基础全部采用轻质混凝土。
tests)、全气动弹性模型试验(full aeroelastic model study)、定域
压力测试(localized pressure study)、人行道风环境研究。试验时
采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风环境研究(pedestrian
wind environment studies)中采用更大的1:250的模型，目的在于用
第二章（超）高层建筑结 构体形选择
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主要内容
• 第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素 • 第二节 高层和超高层建筑结构体系 • 第三节 高层和超高层建筑工程实例 • 第四节 高层和超高层建筑结构体系的选择 • 第五节 超高层建筑的阻尼器问题 • 第六节 结束语
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上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏或桩
箱基础。台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用
现场浇注桩，深入岩层；而高雄的85层东帝士大楼[4]，岩
层在地面100m以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲
积土，采用框格式地下连续墙（Barrette）。新加坡的
Raffle City的72层、42层、32层的高楼群，地层条件好而
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第一节 （超）高层建筑结构设计的控制因素
• 1、风荷载
台北-101的大楼设计，除了参考国内规范，还委托加拿大 的Rowan Williams Davies & Irwin Inc.(RWDI) 公司研 究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。以1:500比例制 作现场半径为600 m以内的风场环境模输入以10度为单位 风力模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的风速高 度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验 （Boundary layer tunnel test），然后得到大气边界层 风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式(高频动 态天平测力技术)（High-frequency force-balance）， 结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩，扭力和剪力的 分布曲线统计回归获得，并且，配合结构动力特性计算结 构体的加速度反应。这样，这些数据提供设计单位作为设 计风力的依据 。
层以上的结构。随着高层建筑的发展，层
数越来越多，尤其是，电梯间的设置，自
然形成一种内核心筒，发展成为筒中筒结
构体系。
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• 筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重 筒体结构和成束筒结构等。
• 框筒结构。在高层建筑中，利用电梯间等形成的 内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结 构。实质上，这是框筒结构。例如，实例5——美 国52层的独特贝壳广场(One Shell Plaza)。
仍然是当今南京路上的 美景。
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• 实例4——锦江饭店（Jin Jiang Hotel）
• 锦江饭店位于上海淮海中路以北，瑞金路以西， 长乐路南侧。这是1929年建造。上部结构采用钢 结构，15层，高57m，地基为深厚的淤泥质土， 基础采用30 m长的木桩，见图2-28。当时按照简 易的上部结构与地基基础共同作用理论设计，地 基土承受老八吨（80kPa)，其余由桩承担，但是， 由于施工方偷工减料，把部分桩的下半段砍断， 上世纪70年代下沉约1.5m，现下沉增至近2.0 m， 经装修后，见图2-10的b）和c)，至今使用良好。
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• 正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。例
如，风洞试验，也在加拿大Ontario的边界层为RWDI’s 2.4m×1.9m
和4.9m×1.4m的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。风洞
试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-model force balance
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• 3．框架-剪力墙结构（简称框剪结构）体系。
• 框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力 墙。剪力墙可以单片分散布置，也可以集 中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载， 而且承受绝大部分水平荷载。其布置是否 合理直接影响结构的安全和经济。在我国 基本上用以20层以内的高层建筑，也有超 过20层，例如，29层的上海宾馆。
• 多筒结构。对于超高层建筑，一般均采用多筒结 构体系。三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构 和组合筒结构。这种结构的刚度特别大，抗震力 也特别强。
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第三节 （超）高层建筑工程实例
• 每一实例的上部结构型式 • 基础 • 其他特点
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• 实例1——上海工业展览中心（Shanghai Industrial Exhibition Center）
• 对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北-101，地 处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要 的是对离建筑场地 200m的断层的深入研究[3] ，经过多方面的考察 与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层， 因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙，巍 然不动，这是一个宝贵经验。
• 这是一座位于南京西路闹市区的1953年建造的展览馆，由 前苏联专家设计。中央大厅为框架结构，14层，塔顶最高 为91.3m，见图2-6。大厅采用箱基，两翼为条形基础。箱 基的尺寸为46.5m×46.5m×7.27m，顶板厚度为0.2m， 底板厚度为1.0m，基础埋深只有50cm，基底压力为 129kPa，附加压力为120kPa, 地基为淤泥质软土，压缩 性大，在压缩层范围内平均压缩模量为2.5MPa（ 25kg/cm2），限于当时历史条件，前苏联专家不了解上 海的软土特点，坚持采用埋置深度很浅的箱形基础。1954 年建成尚未投入使用时的沉降已超过1m。在1974年间根 据上海市水文地质二大队近20年的辛勤劳动获得的沉降观 测资料，由赵锡宏教授绘制和推算的沉降量为166.6cm， 沉降随时间变化的曲线见图2-7。现在工程使用良好。
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• 影响结构选型的四要素： • 风荷载→风洞试验确定 • 地震力→难以预测 • 地基基础→桩筏、桩箱配以框格式地下连
续墙
• 业主要求→建筑艺术、功能和经济
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第二节 （超）高层建筑结构体系
• 结构型式要满足哪些要求？ • 主要结构型式与高层建筑层数。
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• 从技术层面讲，高层建筑的结构体系要满 足其强度、刚度、抗剪、抗扭能力等方面 的要求，并与建筑外型相适应。
• 主要结构型式：框架、框架剪力墙、剪力 墙、筒体。
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• 1．框架结构体系。 • 竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较
大空间，建筑布置灵活，使用面积可以加大，适 用于低层建筑。 • 2．剪力墙结构体系。 • 剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间 的填充墙合二为一，成为一个宽而薄的矩形断面 墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩，还 承受风力或地震作用产生的水平力。剪力墙在抗 震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高， 有一定的延性。结构传力直接均匀，整体性好， 抗震能力也较强。是一个多功能高强结构体系。 因此，可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。 中国最高的53层的水景豪宅——世茂滨江花园就 是采用剪力墙结构。
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• 3、地基基础
由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一
般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总
荷载超过3,000,000kN（30万吨），混凝土巨型柱荷载为
101,670kN（1万余吨）；又如，台北-101大楼，建筑物
总垂直荷载达40万余吨，因此，对地基基础的要求高。在
空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的）预测
的反应程度和（风）重现期之间建立联系起着重要作用。为了确定上
层风况(wind regime)，广泛利用地面风数据、气球（探测风）数据
和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果[2]。
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• 2、地震力
• 地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区，对 地震已进行许多年的深入研究，地震前也几乎无法预测何时何地会发 生地震。因此，对待地震应倍加重视。
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• 4．筒体结构体系
• 筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个
竖向井筒式的封闭结构，结构刚度很大，
具有较大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也
较好。但是，由于核心筒的平面尺寸受到
限制，侧向刚度有限，高度一般不能超过
30~40层。上世纪的60年代开始，发展成为
框筒结构，其平面尺寸比较大，可用于40
• 筒中筒结构。一般来说，对于40~50层以上的高 层建筑，框筒结构难于满足要求，此时，需要采 用刚度很大的筒中筒结构体系，即内外筒的双筒 体结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒 结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝 土筒中筒结构。
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• 内筒与外筒通常采用密肋楼板连接，使每层楼板 在平面内的刚度非常大，当采用钢筋混凝土楼板， 其跨度可取8m~12m，当采用钢结构，其跨度可 取约15m。加大内外筒的间距，不仅对建筑平面 布置有利，而且，也加大内外筒的受力。因此， 筒中筒结构的侧向刚度很大，在水平荷载作用下， 侧向变形小，抵抗水平荷载产生的倾覆弯0/20
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• 图2-11 筒中筒体系的示意图
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图2-12 独特贝壳广场平面
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图2-13 楼板结构示意
图2-14 筏板基础的剖面
• 基础采用筏板基础，见图2-14。埋深为18.3m ， 筏厚2.52m，该筏板从大楼的四边各伸出6.1m， 整个筏板的尺寸为 70.76m×52.46m。
• 这座大楼的结构体系：上部结构采用钢筋混凝土筒中筒 （见图2-11和图2-12），由间距1.83m (6ft) 外柱的混凝土 框筒和剪力墙的内墙筒组成，又见图2-13。这种体系在当 时是剪力墙与框架共同作用结构的发展。楼板结构采用密 肋楼板，见图2-13，混凝土外框柱外面为玻璃帷幕。这样， 使得整个建筑别有风格，尤为美观
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风载取值
• 对于一般高层建筑，可按照我国规范《建筑结构 荷载规范》（GB50009-2019）。但是，该规范 荷载的规定是基于低空（8 m ~12 m）风速观测 数据以及多层建筑和一般高层建筑的单体模型风 洞试验研究成果以及工程经验，当用于超过200 m以上的超高层建筑，可能不大合适。例如，美 国SOM（Skidmore, Owings and Merrill）和 LERA（ Leslie E. Robertson Associate）设计事 务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计 所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。
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• 实例2——国际饭店 （Park Hotel）
• 这是一座位于南京路闹 市区的1932年建造有大 上海之美称的国际饭店。 24层，高83.8m,上部结 构为钢-混凝土结构 （SRC），设有旋转餐 厅，见图2-8。桩筏基础， 基础面积为1827m2,桩 约40m，为地下水位以 上的混凝土桩加地下水 位以下的38 m木桩组成， 别具风格，风貌依旧，