高层建筑优化设计.docx

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高层建筑优化设计

高层建筑优化设计

摘要：

。

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。

关键词：

框撑－核心筒结构超限高层受力性能刚度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”。

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。

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，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～4F800400/250/2005F～21F700400/250/20022F～32F600350/250/20033F～40F500350/250/20041F～53F400300/20053F以上400300/200表2框架柱截面尺寸楼层角柱中柱框架主梁-2F～4F1800×18001700×1700500×7005F～22F1800×18001700×1600500×70023F～31F1700×17001700×1400500×70032F～39F1600×16001700×1200500×70040F～52F1400×14001700×1000500×70052F以上1200×12001700×800500×700表3混凝土强度等级楼层核心筒墙框架柱梁、板-2F～24FC60C60C3025F～33FC50C50C3034F～42FC40C40C3042F以上C30C30C303.3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。

（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SATWETAT备注结构总质量（t）147815.625146626.9第1周期（s）5.67585.8466第2周期（s）5.56075.7573第3周期（s）2.30902.50850.8T1第4周期（s）1.40151.4830第5周期（s）1.38401.4739第6周期（s）0.81000.8773第7周期（s）0.65420.6842第8周期（s）0.61940.6466第9周期（s）0.45350.4717注：

表中只列出了前9个周期。

表5抗风计算结果分析软件SATWETAT备注x向最大层间位移1/11631/1033满足规范要求y向最大层间位移1/11271/1012满足规范要求x向顶点位移163.25181.97满足规范要求y向顶点位移170.03185.73满足规范要求x向总剪力（kN）12813.612999.04y向总剪力12796.312982.13x向总倾覆力矩（kN·m）18609221896806.4y向总倾覆力矩（kN·m）18605821896478.6表6抗震计算结果分析软件SATWETAT备注x向最大层间位移1/18361/1969满足规范要求y向最大层间位移1/18041/1968满足规范要求x向顶点位移102.0190.62满足规范要求y向顶点位移105.0191.26满足规范要求x向总剪力（kN）8410.211730.15y向总剪力8491.411730.15x向总倾覆力矩（kN·m）11247861565804.38y向总倾覆力矩（kN·m）11125821536540.25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：

，，均满足高规规定的小于0.15m/s2的要求。

②六柱方案最大轴压比0.66结构顶层最大加速度：

，。

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％。

（a）平面图　（b）立面图

图4六柱方案③四柱方案

（a）平面图　（b）立面图

图5四柱方案最大轴压比0.69结构顶层最大加速度：

，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TΔ/h备注筒中筒体系6.29511/8170.75原设计方案框撑－核心筒结构体系六柱方案5.46181/14330.660.05890四柱方案5.77561/12370.690.13840有加强层五柱方案5.67581/11270.650.09270摘要：

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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。

关键词：

框撑－核心筒结构超限高层受力性能刚度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”。

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。

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，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～4F800400/250/2005F～21F700400/250/20022F～32F600350/250/20033F～40F500350/250/20041F～53F400300/20053F以上400300/200表2框架柱截面尺寸楼层角柱中柱框架主梁-2F～4F1800×18001700×1700500×7005F～22F1800×18001700×1600500×70023F～31F1700×17001700×1400500×70032F～39F1600×16001700×1200500×70040F～52F1400×14001700×1000500×70052F以上1200×12001700×800500×700表3混凝土强度等级楼层核心筒墙框架柱梁、板-2F～24FC60C60C3025F～33FC50C50C3034F～42FC40C40C3042F以上C30C30C303.3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。

（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SATWETAT备注结构总质量（t）147815.625146626.9第1周期（s）5.67585.8466第2周期（s）5.56075.7573第3周期（s）2.30902.50850.8T1第4周期（s）1.40151.4830第5周期（s）1.38401.4739第6周期（s）0.81000.8773第7周期（s）0.65420.6842第8周期（s）0.61940.6466第9周期（s）0.45350.4717注：

表中只列出了前9个周期。

表5抗风计算结果分析软件SATWETAT备注x向最大层间位移1/11631/1033满足规范要求y向最大层间位移1/11271/1012满足规范要求x向顶点位移163.25181.97满足规范要求y向顶点位移170.03185.73满足规范要求x向总剪力（kN）12813.612999.04y向总剪力12796.312982.13x向总倾覆力矩（kN·m）18609221896806.4y向总倾覆力矩（kN·m）18605821896478.6表6抗震计算结果分析软件SATWETAT备注x向最大层间位移1/18361/1969满足规范要求y向最大层间位移1/18041/1968满足规范要求x向顶点位移102.0190.62满足规范要求y向顶点位移105.0191.26满足规范要求x向总剪力（kN）8410.211730.15y向总剪力8491.411730.15x向总倾覆力矩（kN·m）11247861565804.38y向总倾覆力矩（kN·m）11125821536540.25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：

，，均满足高规规定的小于0.15m/s2的要求。

②六柱方案最大轴压比0.66结构顶层最大加速度：

，。

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％。

（a）平面图　（b）立面图

图4六柱方案③四柱方案

（a）平面图　（b）立面图

图5四柱方案最大轴压比0.69结构顶层最大加速度：

，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TΔ/h备注筒中筒体系6.29511/8170.75原设计方案框撑－核心筒结构体系六柱方案5.46181/14330.660.05890四柱方案5.77561/12370.690.13840有加强层五柱方案5.67581/11270.650.09270