簡述超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑筒中筒結(jié)構(gòu)體系

王鵬

摘 要：隨著工程技術(shù)的發(fā)展，建筑的高度越來越高，很多超高層建筑都成為了城市的地標(biāo)性建筑，其中有70%的超高層建筑均屬于鋼結(jié)構(gòu)體系，這也使高層建筑成為了一個(gè)國家建筑科學(xué)水平的標(biāo)志。本文針對超高層鋼結(jié)構(gòu)中的筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，望廣大同行給予指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；實(shí)例；模型；計(jì)算結(jié)果

中圖分類號(hào)：TU973.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0005-01

引言

筒中筒結(jié)構(gòu)有著良好的結(jié)構(gòu)空間性，所以在超高層結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用，但是由于筒中筒結(jié)構(gòu)的受力性十分復(fù)雜，對它的受力分析就變得十分復(fù)雜，下面筆者針對筒中筒的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行總結(jié)。

1 超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

在建筑體系中，結(jié)構(gòu)體系是抵抗外部作用力的一種組合方式，超高層建筑的設(shè)計(jì)主要考慮抵抗水平力的因素，同時(shí)要將抵抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為主要問題。高層建筑的抗側(cè)力單元是由井筒、框架、剪力墻等由這些單元組成的結(jié)構(gòu)體系。

1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

一般有梁和柱形成的構(gòu)件被稱為框架，如果建筑中只有梁和柱就形成了純框架結(jié)構(gòu)。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在建筑中使用墻來抵抗豎向承載力和水平承載力的結(jié)構(gòu)形式被稱為剪力墻體系。

1.3 框剪結(jié)構(gòu)體系

在建筑中將框架和剪力墻同時(shí)結(jié)合起來，達(dá)到共同抵抗水平荷載就形成了剪力墻結(jié)構(gòu)體系，如果在把剪力墻以筒的形式進(jìn)行布置就成為了筒體結(jié)構(gòu)體系。

1.4 筒中筒結(jié)構(gòu)體系和多筒結(jié)構(gòu)體系

由多個(gè)框架筒組成的筒狀結(jié)構(gòu)被成為筒中筒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常利用框架筒體為柱，使筒和筒之間采用巨型梁進(jìn)行連接，這樣就形成了巨型框架，這種筒狀結(jié)構(gòu)可以有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)空間的作用，使剛度和強(qiáng)度得到很大程度上的提高，使建筑的層高可以逐漸提高，形成巨大高層建筑。目前常用的巨型筒體和巨型框架組成了高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)可以形成巨大的剛度和整體性，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，布置更加靈活，并且滿足建筑的特殊結(jié)構(gòu)形式和建筑功能，使大型復(fù)雜的高層建筑成為了可能，近年來筒中筒建筑結(jié)構(gòu)在超高層建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢，深受廣大建筑設(shè)計(jì)師的好評。

2 工程實(shí)例

2.1 蘭州國芳大酒店

蘭州國芳大酒店地處市中心商業(yè)區(qū)，建筑主體功能為商務(wù)辦公樓和商場，建筑總面積為9萬m2。建筑基礎(chǔ)層為裙樓，共3層，標(biāo)準(zhǔn)層為39層。建筑總高154m。建筑整體采用平面布置，為正方形，采用鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的筒中筒結(jié)構(gòu)。主體內(nèi)筒為剪力墻，平均尺寸為21m×12.6m。外筒柱由高裙梁組合而成，平均尺寸為45m×36.6m。在建筑主體結(jié)構(gòu)外圍的四角處設(shè)置寄到剪力墻，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和外筒抗彎能力，內(nèi)筒的建筑面積是整個(gè)樓層面積的17%。標(biāo)準(zhǔn)層的空洞率達(dá)到39%，建筑整體抗震能力為8。

2.2 溫州世貿(mào)中心大廈

溫州世貿(mào)中心大廈分為地上和地下兩個(gè)部分，地上建筑67層，地下為4層。建筑高度為264m，建筑上層有塔冠，總高度為330m。建筑占地3萬m2，建筑居住面積為18萬m2。并且根據(jù)建筑使用功能需求實(shí)現(xiàn)高位轉(zhuǎn)換，使建筑受力十分均勻，采用了分支柱過渡形式，過渡層自10層開始至15層完成全部的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸43.2m×43.2m，內(nèi)筒尺寸21m×21m，外筒高寬比6：1；內(nèi)筒高寬比12：6。

3 實(shí)力模型計(jì)算

為了使筒中筒結(jié)構(gòu)體系在很多建筑高度下進(jìn)行量化處理，本文假設(shè)500m和600m的建筑進(jìn)行模型的簡化計(jì)算。結(jié)構(gòu)外筒為框架型支撐筒，并采用方形鋼管和大型支撐柱配合混凝土梁。內(nèi)筒采用混凝土剪力墻，核心部位使用核心筒和剪力交接鋼柱，由于考慮建筑側(cè)剛度荷載已經(jīng)減少剪力，可以在建筑外框筒設(shè)計(jì)環(huán)形桁架并配合伸臂桁架。這些系統(tǒng)設(shè)置都可以配合樓板系統(tǒng)的加強(qiáng)性。

3.1 風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓為0.6kN/m2（按100a一遇重現(xiàn)期），場地地面粗糙度類別C類，風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)和體型系數(shù)參見相關(guān)規(guī)范。地震作用：抗震設(shè)防類別為乙類建筑，抗震設(shè)防烈度7度（0.1g），多遇水平地震影響系數(shù)最大值0.08m/s2，場地類別第Ⅳ類，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，特征周期為0.9s，塔樓結(jié)構(gòu)阻尼比抗震取0.04（彈性）、抗風(fēng)取0.02，周期折減系數(shù)0.95。

3.2 約500m及600m的模型計(jì)算

約500m高層建筑層數(shù)為120層，單層高度4.0m，建筑的總結(jié)構(gòu)高度為480m。建筑的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層為50m×50m。內(nèi)筒的設(shè)計(jì)尺寸為27m×27m外筒高寬比10：2；內(nèi)筒高寬比20：3。在塔樓外框筒的第24～26，49～50，74～75，99～100，120～121層設(shè)置環(huán)形桁架并使用五道伸臂桁架以輔助，外筒標(biāo)準(zhǔn)層立面開洞率約為48%。

約600m高層建筑層數(shù)為145層，層高4.1m，結(jié)構(gòu)總高度594.5m。底層平面尺寸65m×65m，建筑采取逐層縮進(jìn)，至第25層平面尺寸為50m×50m；內(nèi)筒平面尺寸為25m×25m，內(nèi)筒高寬比22.4。在第12～13，25～26，45～46，65～66，85～86，105～106，125～126，145～146層設(shè)置七道伸臂桁架和環(huán)形桁架，25層平面以上的開洞率約為37%。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過對500m和600m高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)為剛重比、剪重比、層間受剪、周期比、層間位移角、舒適度等。本文在對建筑平面尺寸和承重構(gòu)件進(jìn)行布置、使以上的多項(xiàng)指標(biāo)滿足建筑條件。

4 結(jié)語

超高層建筑隨著城市發(fā)展的需要不斷被建立，增強(qiáng)了城市的現(xiàn)代化和數(shù)字化，我國正在研究一系列以超高層鋼結(jié)構(gòu)為代表的建筑，將城市的現(xiàn)代化水平朝著深度和廣度兩個(gè)方面同時(shí)發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑的材料質(zhì)量較輕，施工周期很長。所以采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系可以有效的提高建設(shè)速度和質(zhì)量，在未來超高層建筑的發(fā)展將會(huì)主要依靠筒中筒結(jié)構(gòu)體系。

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