高层建筑优化设计

收录时间：2006-03-16 03:08 来源：建筑中文网作者：陈文钦阅读：0次评论：0 条我要评论

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内容提示：。通过将外围框筒结构改为框撑结构，与内筒构成框撑-核心筒结构体系，经过计算分析，该结构体系可取得较好的抗侧刚度，能满足现行规范的要求，并能节约混凝土用量约7000m3，增加建筑使用面积约2000m2。这种结构体系具有减轻自重、提高刚度、扩大建筑空间的优点，是超限高层建筑结构比较经济、合理、可行的一种结构体系。

延伸阅读：刚度受力性能框撑-核心筒结构超限高层

1 工程概况[1]

本工程位于重庆市渝中区的中心地带，建筑面积约100000m2，由7层裙楼及56层塔楼组成，裙房平面尺寸为81m×54m，塔楼平面尺寸为34m×34m（外包尺寸为37.6m×37.6m），将地下二层按规范要求的嵌固构造处理，使其作为上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（结构计算高度）。建筑总高度为241.2m（未包括出屋面的电梯，观景厅及水箱间的高度），核心筒平面尺寸14.6m×14.6m。该结构平面布置规则、对称，竖向抗侧力构件上下连续贯通、无刚度突变（见图1、2）。
该项目地下部分及塔楼筏板基础建成后停工至今已达三年之久，被市列为“四久工程”。（参考《建筑中文网》）

2 结构优化

2004年7月业主委托我院对该项目进行方案优化设计，要求方案满足建筑扩大空间、结构安全、经济合理并符合超限高层建筑抗震规范要求。对原设计单位所作的结构设计方案，我院提出以下优化意见。

①减少外围框架柱数量，增大建筑空间
为满足建筑大空间的功能要求，将原设计方案中每边八根柱减少到每边五根柱，底层柱截面由原设计的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大为1800mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各层柱分段减小，以满足轴压比的要求。优化后可以增加建筑使用面积约750m2，并节约混凝土用量约2700m3。为了弥补结构抗侧刚度的不足，在塔楼四角区设置“L”型桁架（见图3），构成框架桁架结构，内部布置剪力墙核心筒，形成框撑-核心筒体系。并且在建筑上将四周的支撑暴露，造型美观，具有独特的标志性风格。

高层建筑优化设计

图1 结构平面示意图图2 建筑轴侧图

②减小核心筒内墙墙体厚度
经过计算分析，芯筒内的内墙对抗侧刚度贡献较小，主要承受的竖向荷载是墙体本身的重量，因此可以将内墙厚度适当减薄。原设计方案芯筒内墙厚度为800、400、350、250mm，优化设计后改为400、250、200mm。同时将原设计中芯筒外墙厚度也减少100mm，由此可以节约混凝土用量约4500m3，增加建筑使用面积约1250m2。
③其他
在满足结构安全的情况下，将原设计方案中窗群梁由500mm×1500mm优化为500mm×700mm，塔楼井字梁由250mm×450mm优化为200mm×400mm。

3 结构整体分析

3.1 设计基本参数

①设计基准期50年，使用年限100年，安全等级为一级，地基设计等级为甲级。
②本工程抗震设防烈度为6度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，建筑抗震设防类别为两类。由于本工程特别重要，现将建筑设防类别提高为乙类。由于本工程建筑场地为I类场地，仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为B级高度建筑，其结构抗震等级剪力墙和框架柱均为二级。
③场地的特征周期高层建筑优化设计，水平地震影响系数最大值，放大系数。
④基本风压为0.45kN/m2，基本风压增大系数取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。

3.2 主要结构构件截面

表1 核心筒剪力墙尺寸

楼层	心筒外墙厚	心筒内墙厚
-2F～4F	800	400/250/200
5F～21F	700	400/250/200
22F～32F	600	350/250/200
33F～40F	500	350/250/200
41F～53F	400	300/200
53F以上	400	300/200

表2 框架柱截面尺寸

楼层	角柱	中柱	框架主梁
-2F～4F	1800×1800	1700×1700	500×700
5F～22F	1800×1800	1700×1600	500×700
23F～31F	1700×1700	1700×1400	500×700
32F～39F	1600×1600	1700×1200	500×700
40F～52F	1400×1400	1700×1000	500×700
52F以上	1200×1200	1700×800	500×700

表3 混凝土强度等级

楼层	核心筒墙	框架柱	梁、板
-2F～24F	C60	C60	C30
25F～33F	C50	C50	C30
34F～42F	C40	C40	C30
42F以上	C30	C30	C30

3.3 计算模型与程序

根据本工程结果的特殊性，结构整体分析采用SATWE和TAT两种软件分析计算。为了优化结构设计，并充分利用已经施工完成的基础，根据专家组的建议，分别对六柱方案、五柱方案和四柱方案三种框撑-核心筒体系进行计算分析。综合分析以上三种方案，专家组一致推荐第二方案，即五柱方案。

3.4主要计算结果

①五柱方案
表4～表6为SATWE和TAT主要计算结果的对比分析。应说明的是，采用SATWE程序计算，可将楼板按弹性楼板考虑，消除了复杂结构体系按刚性楼板假定计算带来的误差。

高层建筑优化设计

(a)平面图 (b)立面图

图3 五柱方案

表4 模态分析计算结果

分析软件	SATWE	TAT	备注
结构总质量（t）	147815.625	146626.9
第1周期（s）	5.6758	5.8466
第2周期（s）	5.5607	5.7573
第3周期（s）	2.3090	2.5085	< 0.8T1
第4周期（s）	1.4015	1.4830
第5周期（s）	1.3840	1.4739
第6周期（s）	0.8100	0.8773
第7周期（s）	0.6542	0.6842
第8周期（s）	0.6194	0.6466
第9周期（s）	0.4535	0.4717

注：表中只列出了前9个周期。

表5 抗风计算结果

分析软件	SATWE	TAT	备注
x向最大层间位移	1/1163	1/1033	满足规范要求
y向最大层间位移	1/1127	1/1012	满足规范要求
x向顶点位移	163.25	181.97	满足规范要求
y向顶点位移	170.03	185.73	满足规范要求
x向总剪力（kN）	12813.6	12999.04
y向总剪力	12796.3	12982.13
x向总倾覆力矩（kN·m）	1860922	1896806.4
y向总倾覆力矩（kN·m）	1860582	1896478.6

表6 抗震计算结果

分析软件	SATWE	TAT	备注
x向最大层间位移	1/1836	1/1969	满足规范要求
y向最大层间位移	1/1804	1/1968	满足规范要求
x向顶点位移	102.01	90.62	满足规范要求
y向顶点位移	105.01	91.26	满足规范要求
x向总剪力（kN）	8410.2	11730.15
y向总剪力	8491.4	11730.15
x向总倾覆力矩（kN·m）	1124786	1565804.38
y向总倾覆力矩（kN·m）	1112582	1536540.25

考虑第I振型，并忽略阻尼的有利影响，计算出结构顶点顺风和横风最大加速度：高层建筑优化设计，，均满足高规规定的小于0.15m/s2的要求。

②六柱方案

高层建筑优化设计

最大轴压比0.66

结构顶层最大加速度：高层建筑优化设计，。

内筒尺寸不变，外框架柱底层面积率为原设计方案（“筒中筒”方案）的71.4%。

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(a)平面图 (b)立面图
图4 六柱方案

③四柱方案

高层建筑优化设计

(a)平面图 (b)立面图
图5 四柱方案

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最大轴压比0.69

结构顶层最大加速度：高层建筑优化设计，

内筒尺寸不变，外框架柱底层面积率为原设计方案（“筒中筒”方案）的76.0%，需设置三个加强层。
④计算结果对比分析

表7 计算结果对比分析表

		T	Δ/h			备注
筒中筒体系		6.2951	1/817	0.75		原设计方案
框撑-核心筒结构体系	六柱方案	5.4618	1/1433	0.66	0.05890
	四柱方案	5.7756	1/1237	0.69	0.13840	有加强层
	五柱方案	5.6758	1/1127	0.65	0.09270