结构高宽比

1.1概念

☞关于结构整体高宽比的讨论： 

☞高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标。  

   ◆基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比  

   ◆建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减  

☞超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。  

☞高宽比直接与超高层结构的受力性态相关： 

  ◆高宽比<4，剪切变形为主，类似框架结构受力性态  

  ◆高宽比=4~6，弯剪变形 

  ◆高宽比>6，弯曲变形为主，剪切变形引起的有害位移通常不足10% 

☞关于结构整体高宽比的讨论： 

☞当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架 或 巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。  

☞当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在八度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。

☞关于核心筒高宽比的讨论： 

☞核心筒高宽比的影响：  

对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。

☞核心筒面积比例：指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。  

  ◆围合面积比例<20%，核心筒刚度偏弱，宜加强外框筒，采用支撑框筒或巨型结构 

  ◆围合面积比例=20~30%，核心筒刚度适中  

  ◆围合面积比例>30%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。

1.2 典型超高层建筑高宽比

伸臂桁架结构

2.1概念

☞超高层建筑框架-核心筒结构体系，存在侧向刚度不足、核心筒倾覆力矩偏大的缺陷 。 

☞通过设置抗弯刚度较大的伸臂桁架，连接核心筒和外框架，可将周边柱的轴向刚度用来增加结构的抗倾覆力矩，显著提高结构的抗侧刚度，减小核心筒倾覆力矩。

2.2形式

☞形式1：两点连接方式；  

☞形式2：单点上部连接方式；  

☞形式3：单点下部连接方式； 

☞形式4：单点中间连接方式。

☞伸臂桁架结构形式比较  

☞采用SAP2000对各种伸臂桁架形式进行了极限承载力分析

☞伸臂桁架结构形式比较

☞伸臂桁架结构形式比较

2.3连接节点

☞伸臂桁架与核心筒连接节点 

☞伸臂桁架与框架柱连接节点

☞伸臂桁架与核心筒连接节点  

  ◆方式1：伸臂桁架正方（工型），采用单板与墙体内钢骨连接。

  ◆方式2：伸臂桁架侧方（H型），采用双板在墙体内与钢骨连接。 

☞伸臂桁架与框架柱连接节点

  ◆方式1：伸臂桁架正方（工型），采用单板与柱体内钢骨连接。

  ◆方式2：伸臂桁架侧方（H型），采用双板与柱体内钢骨连接。

巨型框架柱设计

3.1概念

☞巨型框架-核心筒结构中重要的受力构件；  

☞主要承担外筒重力荷载和倾覆弯矩；  

☞巨型柱的地位非常重要，对构件选型需要重点考虑。

☞上海中心巨型柱受力情况：  

           竖向荷载分配：54%

           底部剪力分配：57%

           底部倾覆力矩分配：79%

3.2形式

☞目前常用的两种构件形式： 

  ◆1、SRC型钢混凝土柱。包括：上海中心、深圳平安、上海环球金融中心等；  

  ◆2、CFT钢管混凝土柱。包括：天津117、台北101、深圳京基中心等。

☞巨型钢管混凝土柱

3.3受力性态（上海中心为例）

☞单工况作用下的轴力

☞小震组合——通高小偏心受压

☞中震震组合——1～2区为小偏压，3区为大偏压，4区为大偏拉，5～8区为小偏拉。

☞大震组合——通高-小偏心受拉

3.4设计指标

☞材料：C70～C50；Q345GJ～Q390GJ 

☞抗震等级：通高特一级  

☞抗震性能目标：中震弹性、大震不屈服  

☞轴压比限值：0.60 （1.2重力+1.3小震）  

☞钢骨含钢率：标准段不小于4％，节点区及上下各一层范围内不小于5％，并根据节点计算的需要调整。  

☞纵筋配筋率：标准段1.2％，节点区由于纵筋将被伸臂、环带桁架的杆件截断，取0.8％。 ☞配箍率：不小于1.0％； 

☞剪压比：V ＜= 1/γRE(0.36*βc*fc*b*ho)

3.5 实例

➜金茂大厦

➜台北101

➜环球金融中心

☞连接节点

➜上海中心

☞8层巨型框架+6道伸臂+核心筒体系 

☞巨型框架：8根巨柱+8道环带桁架

☞方案一：九肢格构式钢骨  

  ◆九肢型钢分散布置，需通过缀板连接以协调抗力。但型钢肢数越多，传力越不直接，各肢协同工作的难度越大。

  ◆伸臂只和中间三肢型钢直接连接，需要通过大量的缀板连接后才能把力传递给其他六肢，传力途径不直接。 

  ◆型钢间联系很弱，依靠缀板传力在节点区应力集中处，易产生纵向劈裂破坏和剪切破坏。  

  ◆抗震性能不好。

☞方案二：‘王’字形实腹式钢骨  

  ◆可有效解决协同抗力和剪切破坏两个关键问题。  

  ◆钢骨内部形成约束混凝土，提高巨型柱的抗压能力和延性。  

  ◆在节点区域与伸臂和环带桁架的连接较方便，伸臂和环带的力可直传递给整个钢骨。 

  ◆钢骨可在工厂焊接完成，现场可整体吊装，减少了现场焊接量。

☞钢骨与伸臂的连接

☞承载力验算

采用纤维单元法得到SRC巨型柱的空间屈服曲面。将巨型柱的内力状态和空间屈服曲面绘制在同一内力坐标下，进行比较，当荷载对应的空间点落在空间屈服曲面内时，则可以判定该构件满足承载力要求。

☞延性分析

☞钢骨吊装