超高层结构分析

1 编辑 by TERNNY 超高层的分析研究超高层的分析研究超高层的分析研究超高层的分析研究 鉴于超高层与高层之间的造价和运营成本的差异，组织针对超高 层的分析研究，具体分以下几个大类： 一一一一、 超高层建筑的界定：《民用建筑 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 通则》GB 50352—2005 3.1.2： 建筑高度大于建筑高度大于建筑高度大于建筑高度大于 1OOm 的民用建筑为超高层建筑的民用建筑为超高层建筑的民用建筑为超高层建筑的民用建筑为超高层建筑。 二二二二、 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 的详查及详讨： 《民用建筑设计通则》GB 50352—2005 6.4.2： 建筑高度超过建筑高度超过建筑高度超过建筑高度超过 100m 的超高层民用建筑的超高层民用建筑的超高层民用建筑的超高层民用建筑，，，，应设置避难层应设置避难层应设置避难层应设置避难层(间间间间)，，，， 《高层民用建筑设计防火 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》GB 50045 95（2005 年版）：6.1.13 建 筑高度超过 100m 的公共建筑公共建筑公共建筑公共建筑，应设置避难层（间），并应符合下列 规定：6.1.13.1 避难层的设置，自高层建筑首层至第一个避难层或两 个避难层之间，不宜超过 15 层。6.1.13.2 通向避难层的防烟楼梯应在 避难层分隔、同层错位或上下层断开，但人员均必须经避难层方能上 下。6.1.13.3 避难层的净面积应能满足设计避难人员避难的要求避难层的净面积应能满足设计避难人员避难的要求避难层的净面积应能满足设计避难人员避难的要求避难层的净面积应能满足设计避难人员避难的要求，，，，并并并并 宜按宜按宜按宜按 5.00 人人人人/m 2 计算计算计算计算。 6.1.13.4 避难层可兼作设备层，但设备管道宜 集中布置。6.1.13.5 避难层应设消防电梯出口。6.1.13.6 避难层应设消 防专线电话，并应设有消火栓和消防卷盘。6.1.13.7 封闭式避难层应 设独立的防烟设施。6.1.13.8 避难层应设有应急广播和应急照明，其 供电时间不应小于 1.00h，照度不应低于 1.00lx。 关于避难层面 2 编辑 by TERNNY 积要求，只规定了公共建筑的为 5.00 人人人人/m 2 ，但对于住宅没有具体规 定，计算超高层住宅避难层面积时，可以按公共建筑的要求， 设计中可考虑空中花园及设备层（一梯两户的布置，45 层的人口计 算的话需要大概 32 m 2 的避难空间）,由于有避难层（间）、核心筒， 加之内部结构条件等因素，同等条件下，公摊一定会比高层的高出一 些，相同建筑面积下，使用面积会略低一些。 《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045 95（2005 年版）： 5.3.3 建 筑高度不超过 100m 的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔 2～3 层 在楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超 过 100m 的高层建筑，应在每层楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃 烧体作防火分隔。 正常做法是每层都做，所以此条款对造价没 影响。 《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045 95（2005 年版）：7.2.4 高 级旅馆、重要的办公楼、一类建筑的商业楼、展览楼、综合楼等和建 筑高度超过 100m 的其它高层建筑，应设消防卷盘，其用水量可不计 入消防用水总量。7.4.6.2 消火栓的水枪充实水柱应通过水力计算确定， 且建筑高度不超过 100m 的高层建筑不应小于 10m；建筑高度超过 100m 的高层建筑不应小于 13m。7.4.7.2 高位消防水箱的设置高度应 保证最不利点消火栓静水压力。当建筑高度不超过 100m 时，高层建 筑最不利点消火栓静水压力不应低于 0.07MPa；当建筑高度超过 100m 时，高层建筑最不利点消火栓静水压力不应低于 0.15MPa。当 高位消防水箱不能满足上述静压要求时，应设增压设施。 充实 3 编辑 by TERNNY 水柱 10m 跟 13m 的区别在于水泵的选用；静水压力 0.07Mpa 和 0.15Mpa 的区别在于屋顶消防水箱到顶层的高差，所以此条款对造价 影响很小。 《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045 95（2005 年版）： 7.6.1 建 筑高度超过 100m 的高层建筑及其裙房，除游泳池、溜冰场、建筑面 积小于 5.00m 2 的卫生间、不设集中空调且户门为甲级防火门的住宅 的户内用房和不宜用水扑救的部位外，均应设自动喷水灭火系统。 该条款规定超高层建筑的户门必须为防火门，且前室及裙房要 做自动喷水灭火系统。 《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045 95（2005 年版）：8.2.1 除 建筑高度超过50m的一类公共建筑和建筑高度超过100m的居住建筑 外，靠外墙的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前室和合用前室，宜 采用自然排烟方式。(建筑内的防烟楼梯间及其前室、消防电梯间前 室或合用前室都是建筑着火时最重要的疏散通道，一旦采用的自然排 烟方式其效果受到影响时，对整个建筑的人员将受到严重威胁。对超 过 50m 的一类建筑和超过 1OOm的其它高层建筑不应采用这种自然 排烟措施) 该条款规定超高层住宅的防烟楼梯间及其前室、消防 电梯间前室或合用前室必须采用机械排烟。 《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116－98： 3.1.1 火灾自动报警 系统的保护对象应根据其使用性质、火灾危险性、疏散和扑救难度等 分为特级、一级和二级，并宜符合表 3.1.1 的规定。(建筑高度超过 100m 4 编辑 by TERNNY 的高层民用建筑…..特级) 该条款规定超高层住宅的火灾报警控 制器和火灾探测器的要求级别为最高级。 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3 2002：4.6.6 高度超过 150m 的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行国 家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009 规定的 10 年一遇的风荷载取 值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax不应超过表4.6.6 的限值。必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向 结构顶点最大加速度 αmax，且不应超过表 4.6.6 的限值 该条款 规定高度超过 150m 的高层建筑的舒适性要求，对于 150m 以下的高 层建筑，只要满足规范要求就能满足舒适性的要求，（150m 的剪力 墙结构的建筑顶部位移不会超过 150mm，）。 三三三三、 施工难度、成本分析，施工周期的长短：100m 和 150m 建筑的 施工难度对于有经验的特级施工企业来说没什么区别，施工时垂直运 输的成本会有所增加，如果用滑动脚手架，则脚手架的每平方成本会 有所下降，总的来说 100m 和 150m 建筑施工成本变化很少；施工周 期会按比例相应的有所拉长，由于垂直运输的时间加长，到顶部几层 施工的时间相应的会加长 1~2 天。 四四四四、 总体造价与分析：相对高层住宅而言，超高层住宅设计复杂， 对项目设计及管理水平要求严格，因此设计、工程顾问及监理费用可 5 编辑 by TERNNY 能增加；配套设施建设费或会因建筑物层数不同而收费基准有异。超 高层住宅造价增加主要体现在以下四个方面：项目整体设计与建筑标 准；基础及结构；屋面及外立面；机电。根据表示，假设开发商开发 一座 30 层的毛坯房一般造价约 2,200 元／平方米，如设计为 50 层超 高建筑，经过下列简单测算，其额外造价约：330 545 元/平方米，造 价增幅约为 15％ 24％，该数据与我司调研的数据相差不大（120m 的 超高层比 100m 的高层造价大约高 300 元／平方米，140m 的超高层 比 100m 的高层造价大约高 500 元／平方米）。 成本的增加势必使得开发物业销售价格上扬，同时也使得项目开 发获取得利润率降低，所以，在开发成本和销售价格不可控的情况下， 缩短超高层住宅物业的开发销售周期是保证利润率的一个关键。 五五五五、 使用及运营成本的分析：高层与超高层风压会有一定的区别， 但差别不大，从现行的规范看来对高层与超高层（150m 以下）的玻 璃窗的要求没什么区别，电梯运行不会有差别（速度更快）；物业管 理费以及各种公摊的费用不会有很明显的增加（是指分到每户的费用， 因为总费用是增加了，但分摊的户数多了），甲方在销售期间维持未 6 编辑 by TERNNY 满入住率时各栋建筑的运营费用会增加，但不会太明显，电费会是最 大的增长点，其他的费用相对会少点；高层住宅也会有这个问题。 六六六六、 分期施工对场地的要求很低，现在施工技术已经很先进，这方 面可以不考虑，费用也不会有明显的增加，至于后期施工对前期住户 的影响是不可避免的，在已有总体规划的前提下，怎么样做会把这 种 影响降到最低才是我们要努力的。 伸臂桁架和腰桁架加强层设计小结 在外框柱与核心筒之间设置伸臂桁架的主要目的是减小结构侧移，它的机理是提 高水平荷载作用下的外框架柱的轴力，从而增加框架承担的倾覆力矩，同时减小 了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效的增大结构的抗侧刚 度，减小结构侧移动，一般情况下也会减小外框架的剪力分担比。对于框架核心 筒结构，设置伸臂桁架后减小侧移显著，而对于筒中筒结构而言，减小侧移的效 果很小。 在结构周围设置腰桁架的作用作用是使各框架柱承受的轴力均匀变化，因此也可 以达到提高外框架抗倾覆力矩的能力以及减小侧移的目的，但是不如伸臂有效。 在框架核心筒结构中，视外框柱的数量和布置方式，可以设置腰桁架，也可以不 设置；由于腰桁架可以减小框筒结构的剪力滞后，因而在筒中筒结构中，腰桁架 可以加大结构的整体刚度并减小其侧移。 结构可以根据具体情况，仅设置一种或者同时设置以上两种构件，设置了伸臂桁 架、腰桁架的楼层可统称为加强层。 设置加强层后，造成结构沿高度方向刚度不均匀，刚度突变带来内力突变，因此 在加强层及上下相邻层构件的内力会出现较大的改变，设置是方向性的改变，加 强层的刚度越大，内力突变的程度也越大，这种突变会产生薄弱层效应。 因此，在结构抗风设计中，采用伸臂桁架、腰桁架的效果很好，它可以采用刚度 大的加强层，以形成较大的抗侧刚度。 而在抗震设计的结构中，应尽可能的减小出现薄弱层形成的不利效应，因此可以 不设置加强层时，就不必设置加强层，需要设置加强层时，也不宜采用刚度过大 的伸臂和腰桁架，以避免加强层范围出现过大的刚度突变。 7 编辑 by TERNNY 沿高度可以布置一个楼层（一道）或多个楼层（多道）的伸臂桁架和腰桁架。研 究表明，多道伸臂桁架减小侧移的效果优于一道伸臂桁架，但是伸臂结构数量与 减小侧移并不成正比，当设置四道以上的伸臂桁架时，减小侧移的效果就不再明 显。 伸臂设置的位置不同，其减小侧移的效果也不相同，研究表明，当沿高度仅设置 一道伸臂桁架时，可以设置在结构的 2/3H 处减小侧移效果最好，而要减小内筒 倾覆弯矩则越靠下越好；设置两道伸臂桁架时，其中一道可设置在 0.7H 高度处， 另一道大约设置在 0.5H 处。一般的高层结构设计中，伸臂桁架设置位置需要做 敏感性分析，以研究其最有效和最适合具体结构的位置。 筒中筒结构中腰桁架的设置则要视减小剪力滞后的效果而定。 由于具体结构的类型和建筑布置的不同，结构的加强层一般宜与高层建筑的设备 层和避难层统一，但是应强调建筑机电和结构的合作优化，包括加强层的位置， 数量等。 从具体的技术层面上讲，伸臂桁架和腰桁架的刚度不宜太大，如果采用整层楼高 的钢筋混凝土实腹大梁，不仅刚度突变过大，而且与它相连的上下层框架柱将非 常不利，这些柱子容易出现塑性铰及裂缝，甚至破坏，呈“强梁弱柱”的不利抗 震概念。因此，伸臂桁架、腰桁架均宜采用桁架结构，其中钢结构施工方便，优 于钢骨混凝土桁架。 由于抗震结构中设置加强层，具有不利的效应，加强层的刚度远大于其他楼层， 并出现内力突变，因此应提高加强层以及与加强层相邻的竖向构件的抗震性能。 一般情况下，加强层及上下相邻层中混凝土构件的抗震构造措施应提高一级采用， 特一级时可不再提高。 伸臂桁架的上下弦是桁架的重要构件，必然有拉伸和压缩变形，有时又楼板刚好 处于同一标高，因此若按照楼板无限刚的假定进行计算，则应将伸臂桁架单独开 来，以便释放上下弦的拉伸和压缩变形，或者计算的时候楼板采用弹性膜假定， 实际设计中一般在加强层均需要根据具体情况提出不同的构造措施和计算假定。 当伸臂桁架或腰桁架兼做转换层构件时，不仅需要验算其竖向变形和承载力，而 且对于这种构件的抗震性能应提出特殊的严格要求。 在高烈度设防区，当在较高的或者特别不规则的高层建筑中设置加强层时，还宜 采取进一步的性能设计要求和措施。为了保证它在中震或大震作用下的安全性， 可以要求其杆件和相邻杆件在中震或大震下不屈服，甚至更高的性能要求。根据 结构高度及其重要性，宜采用静力弹塑性分析或时程分析检验结构在中震及大震 下的表现，以评估其达到设计抗震性能目标的能力。 伸臂桁架和腰桁架、外框架及核心筒相连，除了必须按照提高一级的抗震等级设 计外，在实际设计中还需要注意以下各项措施。 8 编辑 by TERNNY 伸臂桁架和核心筒之间的连接应采用刚接，伸臂桁架对核心筒的作用力（弯矩、 剪力和轴力）很大，因此宜将其贯穿核心筒，并与另一边的伸臂相连，或伸臂深 入墙中应有足够的锚固长度，且有可靠的锚固措施以均匀传递伸臂的集中力。 与伸臂桁架相连部位的混凝土墙内应设置竖向钢骨；如果原来结构中已经设置钢 骨，则应利用此钢骨与伸臂桁架构件相连，如果未设置钢骨，则可以在相邻楼层 设置局部钢骨。 但是在结构施工阶段，应对伸臂桁架结构与核心筒之间连接采用措施，使二者之 间可以竖向滑动，以避免由于施工阶段内外结构构件的竖向变形差在伸臂结构中 产生过大的初始应力。待结构的竖向变形差基本消除后，再进行连接。 伸臂桁架与外框柱的连接虽然可以采用铰接，但是为了保证连接的可靠性，柱中 宜有钢骨（或局部钢骨）与其上先弦连接。 加强层及其上下各一层的外框钢骨混凝土柱，应沿柱全高加密箍筋；钢柱的板件 宽厚比限值应按照设防烈度提高一度的要求确定。 由于加强层上下产生的内力突变，加强层上下层楼板会传递很大的剪力，因此应 适当增强楼板的刚度，楼板厚度不宜小于 150mm，且不宜开较大的洞口，楼板 的混凝土强度等级不宜小于 C30，且应设置双向双排钢筋。有必要时，尚应控制 楼板在指定侧向力下的应力水平。 注：以上小结整理自高层混凝土结构设计规程