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[分享]巨柱简介--天津高银117大厦巨柱应用

发表于2018-01-31    702人浏览    0人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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巨型柱是伴随着建筑高度发展而衍生出来的一种特殊的柱截面形式,一般而言这是400m以上超高层项目所面临的重点和难点。巨柱的重要性和难度伴随着人类不断挑战天际线的过程而出现,房屋越高,荷载越大,巨柱越重要,巨柱的难度也越大。

一、 工程的发展:

现代建筑的发展突飞猛进,从建筑的高度上,中国城市天际线不断被突破,从二十一世纪初的300多米突破到目前的600多米,如国内某企业提出建造超过200层800米高容纳10万人的超级城市的装配式大楼,以及武汉拟建造的世界最高建筑——凤凰塔(PhoenixTowers)将赶超迪拜哈利法塔,成为世界第一高楼。打算在红海边的吉达市建造的王国大厦占地面积50万平方米,预计高1007米,208层。

巨柱简介--天津高银117大厦巨柱应用_1

武汉凤凰双子塔

巨柱简介--天津高银117大厦巨柱应用_2

沙特王国大厦

超高层的外形演化,从以前的单纯的方正的宝塔式造型,发展到目前的异形、扭转、连体、空中花园等体型,如央视新大楼、南京河西金鹰中心、迪拜哈发力塔等,不胜枚举。支撑这些华美壮丽的超级建筑,所需要的不仅仅徒有其表,更重要的是其内部的钢筋铁骨,这都得益于结构工程的迅猛发展以及新工艺、新材料、新技术的广泛应用。钢管混凝土结构正是伴随这些超级项目迅猛发展出来的,更是支撑是这些高大上超级建筑的内在力量。

二、巨柱的作用:

在工程的不断发展下,对结构的要求也越来越多,更高的建筑对竖向构件意味着更大的荷载。此竖向荷载主要由两方面的因素产生:一方面是由于建筑物的自重,伴随着建筑高度的增加,楼层数目也呈直线上升式增加,另一方面,由于侧向风荷载和地震荷载下产生的附加弯矩,弯矩在建筑物的外侧直接转换为竖向构件的附加轴力,而且侧向荷载引起的附加轴力与建筑物的高度成几何级数增加,这也是为什么高度越高,设计难度增大更快的原因。如何承担巨大的竖向荷载,是摆在工程师面前的首要问题,要解决这个难题,一方面依靠材料进步提高单位面积承载力,另一方面就是通过增大竖向构件的截面和采取巧妙的截面构造,通过这两个方面共同来承担巨大竖向荷载。

从建筑材料方面而言,建筑结构中常用的材料即为钢材和混凝土,这两项主要材料构成了建筑的钢筋铁骨。到目前为止,混凝土强度等级从C20发展到现在C80,甚至有研究机构试配出C100,钢材由最初的Q235级钢到目前的Q460级,除此提高外,尚未有其他更高强的材料普遍应用于建筑中,这从材料方面也部分制约了高大上建筑的发展。但工程师从不缺乏创新和技巧,柱子截面的尺寸从常规的约0.5m2一直到45m2,还在发展当中,还有更大尺寸的柱子出现。在柱截面大到一定程度后,构件的尺寸效应开始凸显。钢材和混凝土怎么组合,才能发挥出最大的功效,是工程师面临的巨大的技术挑战。

三、 对巨柱的挑战

巨柱的出现,从工程上根本的解决了上述问题。但巨柱自身却面临着极其严峻的挑战,对巨型柱的挑战,主要集中在对其承载力、延性、耗能、防火、施工等方面。其承载力根据项目的不同,从几万MN到几十万MN,导致巨型柱的截面从几m2到几十m2,在抗震时,又要求其有较高的延性,不能导致脆性破坏;要达到较高的延性,内在必须有较大的耗能能力,才能保证地震来临时,把地震输入能量顺利的疏散出去。另外,自从911事件以来,对主要结构的防火能力也提出了更高的要求,巨型框架结构作为牵一发而动全身的最重要构件,这就必须要保证巨型结构同样有很高的抗火能力。在有以上能力的同时,巨型结构还必须能够满足施工的要求,例如易吊装性,易于加工等。面对如此多的挑战,如何设计好巨型体系,尤其是巨型柱就成为了超高层设计中的关键,也是超高层设计成败的决定因素。

四、 巨柱的发展

目前的超大截面巨型柱中,是采用型钢混凝土柱还是采用钢管混凝土柱,在工程实践中出现了一定的分歧。此两种典型的柱截面在高大上的超高层建筑中都有所采用,工程上较为典型、里程碑式的建筑柱截面如下:

帝国大厦:钢柱

西尔斯大厦:钢柱

台北101大楼,是台湾台北市信义区的一栋摩天大楼,楼高509.2 m,总楼层共地上101层、地下5层,采用的结构体系为巨型框架—核心筒结构体系,外框柱采用8个矩形钢管混凝土柱,柱截面为3mX2.4m,截面积为7.2m2,是当时最大尺寸的柱。

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台北101大楼平面图

上海环球金融中心,约20平方米的巨柱均采用了钢骨钢筋混凝土巨柱。上海中心大楼采用的是巨型框架核心筒结构体系,外框柱采用型钢混凝土柱,在底部区域为8个巨柱加4个小柱,巨柱截面为矩形,尺寸为4.3X5.3m,单个巨柱的截面积为22.8m2,巨柱采用的是型钢混凝土柱。

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上海中心大楼典型平面图

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上海中心钢骨柱截面

天津高银117号大楼采用的是巨型框架核心筒结构体系,外框柱采用多腔多边钢筋混凝土筒柱,在底部区域为4个巨柱,巨柱截面为六边形梭形,尺寸为6mX11m,单个巨柱的截面积为45平方米。典型柱截面及尺寸如下:

北京中国尊大楼是在天津高银117号大楼基础上的优化,它的结构形式与117大楼类似,在高度第二区上,巨柱分叉由4个巨柱变成8个巨柱。巨柱底部截面为8边形梭形,单个巨柱的截面积为63.9平方米。典型柱截面及尺寸如下:

五、 不同巨柱形式的优缺点

看起来外表类似的柱子,由于结构形式不同,导致其在结构上的能力迥异,其主要的差异如下:

钢柱作为最早期的超高层建筑的外框柱,资格最老,先后出现在帝国大厦、西尔斯大厦等全球著名的超高层建筑中。其主要优点是钢柱加工相对容易,分隔成小段后吊装也较易实现,钢结构现对于混凝土柱承载能力很高,延性也大,在地震来临时有较强的变形能力和耗能能力。优点之下,也有些不足,例如钢结构在600度以上的高温时,承载能力仅为原来的三分之一,承载力下降太多,基本丧失承载力,所以钢结构的抗火能力尤其不足。另外,由于钢结构的刚度也相对偏小,导致其刚度略小,较难满足变形限值的要求,钢结构的造价也比混凝土高了很多。

正是由于纯钢柱有以上优缺点,在工程实践中希望能继续发挥其优点的同时,能最大程度的弥补其不足,由此发展出了型钢混凝土柱,具体截面形式为内插钢骨,外浇筑混凝土。钢骨柱相对而言继承了钢柱的所有优点,另外还有一些优点,例如其抗火能力,由于外包了混凝土,混凝土的热传导性相对较差,能较好的保护内部的钢骨,使其整个截面的抗火能力大幅提升,基本与混凝土截面的柱相同,另外由于外包了混凝土,使得整个截面的刚度也很大程度上得以提高。但由于其截面复杂,也延伸出来了新的问题,例如内插钢骨,外围还有钢筋,导致钢骨柱施工很复杂,尤其在于楼面梁等水平构件连接时,水平构件的钢筋、钢骨在其上锚固连接施工难度很大;在内部安装钢骨时需要钢结构的专项施工,在外包混凝土时,还需要绑扎模板,施工速度较慢。

经过工程技术人员不懈的努力和实际工程项目的需要,另外一种钢管混凝土柱被创造出来,钢管混凝土柱是在之前的柱子结构形式上发展而来,故其承载力高、延性高等优点仍然被继承下来。另外,钢管混凝土还有个突出的决定性的优点,能充分发挥混凝土与钢材的特长,从而使构件的承载能力大大提高。对于同样的负荷,钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件尺寸显著减小。对混凝土来说,由于钢管约束,改变了受力性能,变单向受压为三向受压,使混凝土抗压强度提高。对钢管来说,局部缺陷特别是不对称缺陷的存在,将使实际的稳定承载力比理论值小得多。由于混凝土充填了钢管,保证了薄壁钢管的局部稳定。极大的发挥了钢、混凝土这两种材料的优点,使得组合后的承载力大幅提高。具有良好的塑性性能,延性也得到了很大的扩展。其次,钢管在最外侧,可作为内部混凝土的模板,直接浇筑混凝土。混凝土大部分可不用配筋,包括纵筋和箍筋,极大的节省了绑扎钢筋的的工作,并且钢管本身在施工阶段即可作为承重骨架,可以节省脚手架。对施工更为有利。同时也加快了施工、缩短工期。当然,由于钢管混凝土的钢材在最外侧,抗火能力有所下降,需在外侧设置耐火涂料或耐火保护。连接节点的构造也比较复杂。当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时,就必须借助于柱上的牛腿和加强板。为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力,钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。

小结:

为了有效解决巨柱面临越来越大的荷载、抗震延性、防火等性能综合要求的结构难题,钢柱、钢骨柱、钢管混凝土柱等技术涌现出来。随着技术的不断进展,以后也许会有更多形式的巨柱出现,多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱会成为其中重要的一种技术形式,将有更大的发展,从而有效实现工程安全和经济等诸多要求。

天津高银117大厦巨柱应用

    天津高银117工程中的巨柱地上部分横截面积达到45平方米,可以承担20万吨以上荷载,是世界上第一个柱截面积超过30平方米的巨柱,也是应用了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱技术的巨柱,其后类似截面的柱被应用到多个项目,包括北京的中国尊项目。很多朋友对其过程非常感兴趣,我有幸参与了其中的部分工作,了解一些具体的过程,特作此小记。

在我谈117巨柱之前,请容许我聊聊与这个巨柱密切相关的一个人:姚攀峰同志。按他的话说,巨柱就是他的第二个孩子,亲切的不得了。

1 姚攀峰:中国尊结构设计总监、钢混凝土组合结构分会理事、国家一级注册结构工程师、国家注册土木工程师(岩土)……

这是他名片上的职务、职称等信息,不过我习惯称他为姚大哥,有时我也称呼老姚。其实老姚并不老,只比我大几岁。初次见到姚大哥是2009年,那时我还在奥雅纳北京分公司,也参与做天津高银117项目。当时姚大哥刚从钢院过来,个头不高,30岁出头,有着一张亲切的娃娃圆脸,满脸是笑意和真诚。后来渐渐了解姚大哥虽然岁数比我大不了几岁,已经是一级注册结构师和注册岩土工程师,有很多专利,还写了2本专著,这让我体会到了什么叫年轻有为。就我所知,姚大哥主要是因为天津高银117这个项目加入奥雅纳北京分公司的,他加入奥雅纳的时候就是5级工程师(高级工程师),在北京office大陆员工岗位中排名很前。姚大哥进入公司后就火线加入了117项目组,具体处理从地下的超级桩筏到地上巨型柱、支撑、桁架等工作。说实话这真叫人羡慕嫉妒恨啊!为啥?我当时估计主要因为他既有注册岩土工程师,又有注册一级结构工程师的证。事实证明,只猜对了一半,另一半是姚大哥这人做事的专注和极致,以及从这当中延伸出来的敏锐思想。后来,我逐渐了解到他在岩土领域提出了广义郎肯土压力理论、改进的摩尔库仑破坏准则,在抗震领域首次提出了“巨震,(避难单元)不倒”、“综合逃生法”等,在结构领域首次提出了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱、多腔钢管钢筋混凝土墙等技术。他研究生已毕业多年,却在国内岩土届的权威刊物《岩土力学》2009年08期发表了两篇论文(EI索引)。作者从事忙碌的设计一线工作而在著名学术期刊的同一期发表两篇理论性论文这在土木工程界大概也属于传奇了。

2 大厦

天津高银117大厦位于天津高新技术产业园区,位于西青区。总建筑面积约为83万平方米,其中,大厦塔楼地下3层,地上117层,结构高度597米。工程是由甲级写字楼为主、六星级豪华酒店、观景台、特式酒吧、精品商业、屋面空中花园及其他设施为一体的大型超高层建筑。天津高银117大厦结构高度位居国内第一,世界第二,仅仅较哈里发塔低4m,抵抗7度半的地震,是世界上7.5度首个超过590m的建筑物,有多项技术难题属于国内第一次遇到甚至世界第一次遇到。

巨柱简介--天津高银117大厦巨柱应用_6

图- 1天津高银117大厦

3 巨柱

天津高银117采用了巨型支撑框架+核心筒结构体系,外框结构所承受的侧向荷载极大,包括侧向风荷载和侧向地震荷载,这两个作用同时控制着整个塔楼的结构设计,这两个作用最终使巨型支撑框架承受了巨大的荷载。巨柱在建筑的四角,决定整个大楼的安危,单柱截面积为45平方米,是世界上首次超过30平方米的柱子,建筑工程上之前尚未有过这么大截面的巨柱,难点中的难点自然而然就变成了四个巨型柱的设计。巨柱自身面临着极其严峻的挑战,对巨型柱的挑战,主要集中在对其承载力、延性、耗能、防火、施工等方面。本项目巨柱抗压承载力约20.5万吨力,约相当于4个辽宁号航空母舰的重量。在抗震时,该柱必须有较大的耗能能力,对其要求有较高的延性,不能导致脆性破坏,才能保证地震来临时,把地震输入能量顺利的耗散出去。另外,自从911事件以来,对主要结构的防火能力也提出了更高的要求,巨柱作为牵一发而动全身的最重要构件,这就必须要保证巨柱同样有很高的抗火能力。在有以上能力的同时,巨柱还必须能够满足施工的要求,例如易吊装性,易于加工等。面对如此多的挑战,如何设计好巨型柱就成为了此栋超高层设计中的关键,也是超高层设计成败的决定因素。

4 过程

在概念设计阶段,经过多方考虑,巨柱采用了钢骨混凝土巨柱。当时世界上20平方米以上巨柱均采用了钢骨柱。该类型巨柱有其优点,也有其缺点。在本项目中,巨柱地上部分截面积超过30平方米,承载力20万吨以上。该钢骨巨柱的延性是否能够满足要求?耐久性是否可以满足超高层超长寿命的要求?超厚钢板焊接是否能够保证质量?姚大哥到公司之后,针对上述难题进行了重新思考并提出了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱。我曾经看过姚大哥设计的草图,不受约束又充满谨慎。仅仅一个截面,姚大哥做了几十种尝试。经过多次构件校核计算,该截面柱承载力、延性等主要指标完全满足项目的要求,最终顺利的通过了全国专家的抗震超限审查。

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图-2方案阶段的巨柱截面

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图-3巨柱、桁架和节点早期的概念设计

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图-4柱身在第一次初步设计阶段的设计

姚大哥在项目组同事的支持下,经过长期的思考和深化,协同大家完成了巨柱节点、地下室巨柱截面、柱截面改进、柱脚及计算和详细分析等,最终得到了抗震超限审查专家及同行的高度认可,成绩斐然。

我在项目组中,有段时间协助姚大哥做了节点分析,以及三维有限元分析等工作,深感新技术实施的不易。由于巨型柱、巨型支撑、巨型桁架尺寸巨大,连接节点的几何尺寸柱子段长达24m,约跨过6个自然层。如下图所示,图中红色为巨型柱,紫色为巨型腰桁架,青色为巨型支撑,共同汇集到巨型柱所在的楼层。

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图- 5典型连接节点三维图

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图- 6连接节点三维应力图

上图为连接节点处的应力云图。节点尺寸过大后,几何效益就凸显,这种节点已不是单纯的一个几何点,而是细化到如何把由巨型支撑、桁架传来的巨大荷载可靠的传递到巨型柱截面当中,而不引起应力集中。即把荷载均匀的传递到整个柱截面,避免荷载仅凝聚在巨型支撑的连接板上。另外,在柱脚的分析中,为把巨型柱的荷载均匀分布到筏板上,在巨型柱下设置较大的翼墙,翼墙为钢板混凝土剪力墙,翼墙的设置高度不同时,巨型柱下的筏板反力并不完全是平直截面假定。巨型柱下的反力与翼墙的高度相关,另外还与筏板厚度、筏板下桩的布置均有关系。如何有效处理难度非常大。姚大哥在概念分析、有限元计算等基础上,采用了一种特殊的反力和变形假定,即满足了安全要求,又使得工程计算具有可操作性,有效地解决了该问题。

5 思考

多边多腔钢筋混凝土柱是在以上类型的基础上发展而来,相比而言又有以下优点:对超大型截面,采用多腔体,有效分割了混凝土截面的尺寸,避免大体量的素混凝土出现,多腔对混凝土形成复合周边约束,提高了混凝土的周边约束力以及柱整体的延性,对抗震更为有利。截面形式为多边形,能较好的贴合建造外边线的造型,也便于同伸臂桁架、腰桁架的连接。多腔内部设置钢筋笼,相当于形成额外的混凝土芯柱,在控制内部混凝土的连接性、提高柱截面承载力的同时,还提高柱的延性,在外筒钢管壁局部屈服后,芯柱仍有很高的承载力。当然,该技术也有缺点,主要是设置多腔后,混凝土的浇筑振捣难度增大,对混凝土流动性要求较高,一般需要自流平混凝土;设置钢筋笼芯柱后,对施工工艺要求较高,需要精心施工。

6 展望

目前城市空间越来越紧凑,用地更为紧张,在有限的空间里如何创造更有效、更舒适的工作、生活空间是建筑师、工程师挑战,更是机遇。为满足多样化的需求和更高的空间利用率,目前的城市中心区建筑越来越多的向高空、复杂体型发展。超高层建筑、异性建筑如雨后春笋般蜂拥而至,具统计,目前全球超过250米的超高层建筑中,有53%的建筑在中国(文献),中国已事实上成为了超高层建筑蓬勃发展的热土。中国是一个多地震国家,支撑超高层建筑的骨架,除了必须要有极高的承载力,还必须要有极好的抗震能力。而多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱在能提供极高的承载力的情况下,还能有较大的变形能力,充分满足了超高层建筑对承载、抗震的双向要求;另外,多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱的外边不限于传统的圆形、矩形,可结合建筑的外边线来设计截面形状,与建筑外形贴合度较好。多边多腔钢管钢筋混凝土柱堪称工程届智慧的结晶,其以极高的承载力、抗震能力及较好的建筑贴合度,为提高超高层建筑的性能提供了更优越的解决方案,,以后必定是超高层建筑骨架的重要技术支撑,也将是超大截面巨柱发展的核心方向之一。

该技术已经推广应用到中国尊、沈阳宝能等地标性超高层建筑物中。在未来,随着人类的不断更高要求,该技术将有更多的用武之地。

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来源:西建大北京校友会(BJ710055),作者:姚攀峰,如有侵权请联系删除。


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