使用极限高效结构体系的超高层建筑设计.pdf

1 使用极限高效结构体系的超高层建筑设计使用极限高效结构体系的超高层建筑设计 1. 一般事项1. 一般事项 本文介绍的建筑物为 MT130 Millennium Tower 130，如图 1 所示，为 130 层地上部分的超大型超高层建筑物。 本建筑物的概要如下 建筑物名称 MT130 建筑地点韩国 汉城市 上岩洞 使用用途居住及商用宾馆、公寓、办公室等 占地面积33,366m 2 总建筑面积407,600m 2 容积率1,220 建筑面积7,100m 2 占地使用率 21.3 建筑规模地上 130 层办公室 69 层；公寓 20 层；宾馆 29 层；展望台及 旋转餐厅 建筑高度510m 长细比1/7.85 结构形式高层部分Outrigger Belt Truss, 低层部分Ultimate High-Efficiency Structural System 图 1 MT130 2. 建筑结构形式2. 建筑结构形式 建筑物的结构形式不仅决定了将承受的竖向荷载传递到地基上的方法和抵抗风荷载、地震荷载的方法，而且是决定建 筑物安全性和经济性非常重要的因素。建筑物的结构形式有框架结构及住宅中经常使用的剪力墙结构，高层建筑中有支撑 系框架braced frame、外伸及带状桁架体系outrigger belt truss、筒体tube、巨型框架巨型框架 等结构形 式。同时也可以按照建筑物的规模、建筑规划要求、施工条件等采用多种结构形式。本建筑物按照的设计要求，通 过对不同结构形式的特性和优缺点进行比较，从而选定了建筑物 MT130 的结构形式。 2 结构体系的比较 ○ 适合 △ 一般 Ｘ 不适合 设计要求 OutriggerFramed TubeBraced Tube Super Frame Braced Tube 控制水平位移的简便性（Aspect Ratio 1/7.7） 重力体系对控制水平位移的效果 空间的自由布置及确保内部空间 确保公寓/宾馆的进深 开放下部大厅空间 布置核心筒的灵活性 结构立面与正面形状相互协调 柱弹性收缩问题 连接节点过多与否（施工性） Ｘ △ △ ○ ○ Ｘ △ △ △ △ △ △ △ △ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ ○ △ △ △ ○ Ｘ ○ △ ○ ○ ○ ○ △ ○ ○ ○ ○ ○ 地上 125 层1～5 层的大厅作为 1 层进行模拟计算的 MT130 分为上面 68 层的居住部分residential zone和下 面 商务部分office zone 。因此希望兼顾到建筑物不同使用用途上的特性而确定所要采用的结构体系。 同时由于本建筑 物的长细比为aspect ratio7.85，比较细高，因此在确定建筑物结构形式的时候如何控制水平位移就成为了非常 重要 的因素。 对于上部居住部分 40～60 层的规模来讲，控制水平位移比较有效的结构形式虽然是筒体结构，但是还是不希望使用 对建筑物设置洞口有限制的筒体结构和外部支撑等结构形式。因此采用了 K 型支撑组成核心筒，同时在该部位通过设置 外伸桁架控制水平位移的结构形式作为居住部分的结构形式。 对于商务部分虽然可以利用筒体结构形式，但是 125 层的重力荷载累计到竖向构件的最下面，组成筒的个别柱子尺寸 就会变得很大。同时在这种情况下，一层大厅的使用将受到限制，因此在商务部分也不适合采用筒体结构形式。 另一方面，为了更好地发挥设置于居住领域的外伸体系的性能，应将作为支点部位的 68 层设计成可以有效控制 X、Y 方向旋转位移的结构体系。因此考虑到细长的建筑立面特性，及保证建筑物对倾覆弯矩的安全性，采用可以将竖向重力荷 载传到平面外围的巨型框架结构体系是比较合适的。同时在转换层，为了合理地分散荷载和抵抗水平方向荷载而设置外部 支撑，从而构成了巨型框架结构体系。采用这种结构体系可以将内部的商务领域分为几个单元后分别进行设计，因此该结 构体系是更有效的结构体系。 按照上面的设计理念选定了像图 2 一样的结构体系，现在重新整理超高层建筑 MT130 的结构形式如下上面的居住 领域中间由钢核心筒steel core和三个外伸桁架组成，最大地控制了水平方向的位移，确保了公寓和宾馆的进深。下面 的商务领域引入极限高效结构体系ultimate high-efficiency system形成了支撑上部荷载的巨型框架，同时采用了抵 抗水平方向荷载的桁架筒体系braced tube system。还有不抵抗水平方向荷载的 9～19 个层的计算单元位于巨型框架 的内部，巨型框架的转换桁架transfer truss将各计算单元重力方向的荷载传递到建筑物外部的巨型柱和外部支撑上。 这种情况下巨型柱位于建筑物平面的最外部， 提高了建筑空间的使用率，最大地保证了抵抗倾 覆 弯 矩的安全性，同时 3 布置下部的大厅也成为可能。内部的办公单元只承受重力方向的荷载，减轻了建筑物框架的重量，因此可以灵活地布置内 部的核心筒，使超高层建筑物中竖向荷载传递变得自如。图 3 显示了重力方向和水平方向荷载作用时荷载的传递方式。 图 2 MT130 的结构体系 上面居住部分的楼板荷载通过核心筒和外围框架的柱子被传递到下层。在由巨型框架组成的 68 层核心筒的重力荷载 通过转换桁架transfer truss被传递到外部支撑和巨型框架的大柱子上。对于商务部分，采用 isolation gap 分离成的 各建筑单元（module）的重力方向荷载经过各单元的转换桁架transfer truss传递到巨型框架。因此水平荷载作用时， 居住部分由 K 型支撑组成的钢筒和外伸桁架抵抗建筑物的剪切变形和弯曲变形；商务部分依靠巨型框架的外部支撑和大柱 子的悬臂桁架抵抗水平荷载。 4 Lateral Load 8 Tension Tension - Compression- Compression - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Gravity Load Lateral Load 图 3 荷载的传递途径 图 4 显示了办公领域巨型框架的一个计算单元。在各计算单元中支撑核心筒柱子的子桁架依靠外侧的主桁架支承，该 主桁架为大跨度结构。因此如果通过设置在 1 个层的转换桁架来传递荷载，将使各别构件的尺寸变得很大，要想实现比较 经济的设计是很困难的。所以采用了如图 4 所示的将外部支撑和转换桁架结构体系结合的抵抗水平荷载体系，这样在各个 节点，外部支撑均可以支承转换桁架，从而减小了主桁架的跨度，使结构体系发挥了最大的效率。 5 Super Column 4000X2000X80 External brace의 형상 Main column 16400 15000 16400 External brace 50층 MT1 图 4 巨型框架模型 3. 结构分析模型和主要结构构件3. 结构分析模型和主要结构构件 3.1 标准楼板体系3.1 标准楼板体系（Typical flooring system）Typical flooring system） 居住部分的结构体系由内部核心筒和外围框架构成，内部的主梁和次梁都按照与压型钢板构成的组合结构进行了设 计，与柱子连接的节点采用了剪切连接shear connection形式。同时为了控制水平方向的位移在 89、110、124 层布置 了外伸桁架。图 5 和图 6 显示了居住部分和商务部分的楼板体系。 External brace的形式 50 层 MT1 6 3.2 转换层3.2 转换层 在居住部分，由于位于 68 层的转换层一次性传递了 60 层公寓和宾馆核心筒部分的荷载，因此采用了双层楼板作为转 换楼板体系（参照图 7，并将交叉布置的桁架ST1和外部的主桁架MT1采用了与办公转换体系一样的设计。 Residential Zone Member Size MG1H-500X200X10/16 MG2H-596X199X10/15 MG3H- 500X200X10/16 SB1H-506X201X11/19 SB2H-500X200X10/16 SG1H-400X200X8/13 SG2H- 506X201X11/19 SG3H-250 x125x6/9 SB1AH-606X201X12/20 SB3H-300X150X6/9 MG1 MG1 MG2 SB2 SB1 SB1A SB3 MG3 SG3 SG2SG1 图 5 居住部分的楼板体系 SG5 6 Office Zone MG1 MG3 MG2MG1 SB1 SB1 SB1 SB1 SB2 SG1 SG2 SG1SG3 SG4 SG5 Member Size MG1H-506X201X11/19 MG2H-506X201X11/19 MG3H-506X201X11/19 SB1H-506X201X11/19 SB2H-400X200X8/13 SG1H-400X200X8/13 SG2H- 506X201X11/19 SG3H-250 x125x6/9 SG4H-594X302X14/23 SG5H-600X200X11/17 图 6 商务部分的楼板体系 7 商务部分，在 2、13、32、49、68 层的地面设置了将上部荷载传递到巨型框架 的转换层。因此正如图 8 所示内部交 叉型的桁架ST1承担了 9～19 个层的荷载，这些桁架又被外部的主桁架MT1支承着，主桁架被位于平面端部的巨型框架 的大柱子和外部支撑支承着；形成了连续三跨 15～21m 跨度的桁架参照图 4。还有考虑到水平方向的荷载将主要集中作 用在外部支撑和与外部柱子相交的 16、36、53 层的楼板，因此采用了如图 9 所示的刚性楼板体系。 图 7 居住部分的转换层 8 图 8 商用部分的转换层 9 图 9 刚性楼板体系 3.3 外伸及带状桁架层 3.3 外伸及带状桁架层 在居住部分，为了有效地控制水平方向位移和使外部柱子受到的轴向力可以获得均匀地分布，采用了像图 10 一样的 外伸及带状桁架体系。也就是在 89 层和 110 层设置了外伸桁架；对于 X 方向，在 124 层增加设置了外伸桁架。还有居住 部分除了外围框架以外的所有梁-柱子连接部分都采用剪切连接shear connection形式。 10 Plan Isometric View BOTH-400 x400 x13/21 DIAH-400X400X13/21 VERH-304X301X11/17 MATSM570 TOPH-400X400X13/21 MIDH-400 x400 x13/21 Belt Truss Outrigger Truss 图 10 外伸及带状桁架层 3.4 大厅主要构件 3.4 大厅主要构件 地上二层的转换层与上部所采用的结构形式不同，由于外部支撑没有在主桁架的中间部分对主桁架进行支承，因此需 要可以支承 64m 大跨度结构的承受竖向荷载的结构体系。还有考虑到建筑物下部的使用用途为大厅，即使暴露在外面也要 尽可能地展示结构自身的美，因此设计了像图 11 一样的拱形桁架。 11 4000 x2000 x80 TOPB 1600 x800 x80 BOTB 1600 x800 x80 VERH-400 x408x21/21 DIAB 800 x500 x40 주기둥 수평 트러스 TOPB 800 x800 x80 BOTB 700 x700 x80 DIAB 500 x500 x40 Arch Truss 图 11 大厅的的拱形桁架 내부기둥SM490 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-400 x400 x12/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-414x405x18/28 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-400 x400 x12/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-414x405x18/28 외부기둥SM570 H-428x407x20/35H-428x407x20/35 H-458x417x30/50H-458x417x30/50 H-428x407x20/35H-428x407x20/35 H-458x417x30/50H-458x417x30/50 H-428x407x20/35H-428x407x20/35 H-458x417x30/50H-458x417x30/50 H-458x417x30/50H-458x417x30/50 图 12a 商务部分的主要构件 水平 桁架 外部柱子SM570 外部柱子SM570 内部柱子SM490 内部柱子SM490 Arch Truss 主柱子 12 주기둥SM570 4000 x2000 x80 4000 x2000 x80 4000 x2000 x80 4000 x2000 x80 BraceSM570 1500 x800 x60 1800 x900 x80 2500 x1000 x80 2500 x1000 x80 1500 x800 x60 1800 x900 x80 2500 x1000 x80 2500 x1000 x80 4000 x2000 x80 2000 x1000 x80 4000 x2000 x80 2000 x1000 x80 图 12b 商务部分的主要构件 3.5 竖向构件3.5 竖向构件 商务部分和居住部分的主要竖向构件和对角构件的尺寸大小如图 12 和图 13 所示。 外部柱子SM570 外部柱子SM570 Brace SM570 Brace SM570 13 외부기둥SM490 B 500 x500 x20 B 500 x500 x30 B 500 x500 x20 B 500 x500 x30 B 500 x500 x40 B 500 x500 x50 B 500 x500 x40 B 500 x500 x50 내부 Core Brace SM490 H-390 x300 x10 x16 H-300 x300 x10 x15 H-390 x300 x10 x16 H-300 x300 x10 x15 내부기둥SM490 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 H-400 x400 x13/21 H-428x407x20/35 H-458x417x30/50 图 13 居住部分的主要结构构件 4. 使用荷载 4. 使用荷载 4.1 重力方向荷载4.1 重力方向荷载 本建筑物中所使用的重力方向主要荷载参见。恒荷载考虑了建筑物的自重和楼板装修做法，活荷载依据为韩国 建筑协会制订的“建筑物荷载规范“，并且考虑了活荷载的最不利组合，省略了堆积集中荷载。 重力方向荷载 （单位 kg/m 2 办公室设备室大厅公寓 公寓 楼道，楼梯 宾馆生活设施 恒荷载 400510450 700500 550450 活荷载 2501,000 400 250300 250500 使用荷载 6501,510 850 950800 800950 建筑物所承受的重力方向荷载总和参见，单位面积所承受的荷载为 963 kg/m 2 。 外部柱子SM490 外部柱子SM490 内部柱子SM490 内部柱子SM490 内部 Core BraceSM490 内部 Core BraceSM490 14 重力方向的荷载总和 单位 ton 自重 70,299 恒荷载 170,622 活荷载 58,207 合计 228,289 4.2 风荷载4.2 风荷载 风荷载依据为韩国建筑协会所制定的“建筑物荷载规范”，计算风荷载所使用的参数见下面，风荷载分析参见图 14。 在 X、Y 方向作用风荷载时，建筑物的底面剪力为 6,415 ton。 o 地面粗糙度 B o 风振系数Gf 2.51 柔性建筑物 o 基本风速Vo 30 m/sec o 重要性 系数Iw 1.1 特 o 不同地形的风速折减系数Kzt 1.0 图 14 X-方向风荷载 4.3 地震荷载4.3 地震荷载 建筑物的地震荷载是按照韩国建筑协会制订的“建筑物荷载规范“中的时程分析法进行计算的。 15 计算地震荷载所使用的参数参见下面列表，地震荷载的分析结果显示在图 15 中。 地区系数A 0.11 地震区域 I 重要性系数IE 1.5 特 地基系数S 1.2 地基 2 反应修正系数R 3.0 其它结构体系 是按照底面剪力法的计算公式，按地震周期为 1.2 倍非规则建筑物计算的底面剪力。 底面剪力和增大系数scale-up factor X Y 时程分析法 2,327.1 2,348.4 底面剪力法 3,761.0 3,761.0 增大系数 1.62 1.60 图 15 按照时程分析法计算得到的地震作用 5. 对使用性能的评价和应力验算5. 对使用性能的评价和应力验算 5.1 使用性能的评价5.1 使用性能的评价 风荷载作用下，建筑物的最大位移参见图 16，建筑物最顶端的最大位移为 124cm，相当于 H/400。同时为了对风振效 应wind induced vibration进行验算使用了加拿大的 NBC-85National Building Code of Canada规范。分析结果为 10 年再现周期 1 小时的最大平均风速为 18.24m/sec，风荷载作用方向的最大加速度和风荷载作用方向成直角方向的最大 加速度分别为 0.754g 和 0.625g，均小于 1.0g。 16 050100150 Base 20F 40F 60F 80F 100F 120F Story Displacementcm 图 16 风荷载作用时的最大位移 时程分析得到的地震作用层间位移参见图 17 和图 18，各主要振型的模态和特征值分析结果参见和图 19。 Story Drift X-Dir 00.511.522.5 125F 120F 115F 110F 105F 100F 95F 90F 85F 80F 75F 70F 65F 60F 55F 50F 45F 40F 35F 30F 25F 20F 15F 10F 5F Story Drift cm Story Drift Y-Dir 00.20.40.60.811.21.41.61.8 125F 116F 107F 98F 89F 80F 71F 62F 53F 44F 35F 26F 17F 8F Story Drift cm 图 17 地震作用时的层间位移 17 Story Drift Ratio 00.0020. 0040.0060.0080.010.0120.0140.016 125F 117F 109F 101F 93F 85F 77F 69F 61F 53F 45F 37F 29F 21F 13F 5F Story Ratio 图 18 层间位移比 X-dir 特征值分析结果 18 振型-1 振型-2 振型-3 振型-4 图 19 模态 19 5.2 结构设计5.2 结构设计 图 20 和图 21 分别为重力方向荷载和风荷载作用时，建筑物中产生的轴力。 图 20 重力方向荷载作用时构件中所产生的轴力 图 21 风荷载作用时构件中所产生的轴力 20 图 22 是各结构构件应力验算的结果。 图 22 组合应力比 按照所使用构件截面计算出结构构件需要的用钢量为 284kg/m 2, 中表示出了所需要钢材的摘要。是本建 筑物所需要的钢材量和其它超高层建筑物用钢量的比较结果。 需要的钢材量 结构构件 钢材量（ton） 巨型柱 柱 梁 外部支撑 Apt.int. Girder 2F Transfer Transfer APT Transfer Outrigger 29,710 1,423 5,559 8,947 4,253 5,793 11,640 1,730 1,257 合计 70，300 21 同其它超高层建筑物的比较