[分享]巨型桁架结构分类及在高层建筑中的应用

发表于2018-03-05    1289人浏览    2人跟帖    总热度:141  

蒋恩浩 1 ,张世海2 ,陈俊 1

(1. 湘潭大学土木工程与力学学院,湘潭 411100;2. 南阳理工学院土木工程学院,南阳 473004) 

摘 要:首先,系统分析了巨型桁架结构产生和发展的背景以及它在发展过程中的一些影响因素,给出了该类结构与传统结构相比的 9 个典型特征,同时分析了巨型桁架结构的适用范围;其次,给出了巨型桁架结构按其结构的分类,分析了三大类型的优缺点及适用范围;最后,介绍了巨型桁架结构在高层建筑中应用的困难与前景的 7 个典型特征,并分别介绍了 13 栋典型巨型桁架结构工程实例,为全面认识、了解、应用巨型桁架结构提供了借鉴和参考。

关键词:超高层建筑;巨型桁架结构;结构分类;典型工程实例


1 引言

桁架结构在人类文明历史上很早就有被应用,最早被人类应用在木桥和屋架的建造上,后来很快变成了普通的结构形式,大量应用在民用房屋建筑、工业的大跨度结构等建筑中。自从 1883 年在美国芝加哥建成世界的第一栋近代高层建筑家庭保险大楼(10 层,42 米,1890 年又加建 2 层,55 米)开始以来,桁架结构并没有很快被应用在高层建筑中,直到 1968 年建成的芝加哥约翰•汉考克(John Hancock)大厦(总高 475.2m,100 层 )才是桁架结构在高层建筑中最早的体现,在此之后慢慢被应用在高层、超高层建筑中。目前,在高层建筑诞生 134 年间,其已经历了产生、发展,繁荣的历史发展阶段,在高层尤其是超高层建筑的设计、制造与建造等领域正面临着一个以个性化、多样化、复杂化、巨型化、高技术化、智能化、信息化、数字化、与人和自然环境的关系更亲合、更节能、更环保、更可持续、综合性能最优化等为特征的新一轮快速创新发展新时期。高层建筑的发展过程也是不断积累应用经验、进行结构型式创新、发展和改进的过程[1] 。近年来结构型式出现了许多新变化,如结构型式已由传统的框架、框架-剪力墙、剪力墙及框架-筒体、筒中筒、束筒等结构型式,发展到今天各类新型结构,如巨型结构、斜交网格结构等。尤其是在巨型结构的带动下,巨型桁架结构在高层、超高层建筑中越来越被普遍应用。在高层建筑发展的新阶段,为推动该类结构的进一步推广应用,有必要对该类结构及其应用情况进行系统的归纳和总结。为此,本文将试图对巨型桁架结构分类及其在高层建筑中应用进程的脉络进行分析和梳理,以期对工程设计人员系统了解并推广应用该类结构提供借鉴和帮助。


2 巨型桁架结构的产生与特征

巨型桁架结构一般由稀柱、浅梁、大型支撑斜杆组成,主结构主要以桁架的形式传递荷载,布置在建筑物周边可形成桁架筒或巨型桁架结构。构成桁架的构件既可能是较大的钢构件、钢筋混凝土构件和型钢劲性混凝土构件等构件,也可能是空间组合构件,其都是桁架力学概念在高层、超高层建筑整体的应用。


2.1 巨型桁架结构产生背景及发展

巨型结构的概念产生于 20 世纪 60 年代末,是由梁式转换层结构发展演变而来的,由于其具有传力路径明确、空间刚度大、能充分利用材料性能、结构承担的荷载和倾覆力矩大等优点,以及自身具有巨大抗侧刚度和整体结构稳定的大型结构

[1] ,是一种能够很好地满足高层、超高层建筑对布置的变化、设计等要求的结构形式。巨型结构的种类较多,而巨型桁架就是巨型结构的一种形式,它是既巨型结构出现而附带的一种结构形式, 其兼顾了桁架结构和巨型结构双重的特征。在高层建筑中,为加建筑物的强抗扭刚度、提高抗侧力体系的效率,使立体构件取代了平面构件,在建筑中使用大型抗推构件,使结构侧力从建筑物的中心布置转向沿建筑物的周边布置,同时,让抗侧力构件和承重构件有效结合,防止竖向构件出现过大拉力。尽管框筒结构能够满足这些结构设计条件, 但是受到外圈框筒结构需要满足使用要求的限制,立面开洞不能太大,如果开洞太大就会导致建筑会产生强烈的剪力滞后效应,不可能满足有效的立体构件而充分发挥空间作用的要求。为减少这种剪力滞后效应,桁架结构其自身的内力特点正好满足其需要,沿外框筒结构的 4 个面设置大型支撑,在水平力作用下大型支撑来承担建筑物的竖向剪力,从而替代了传统结构中由腹板和翼缘框架中的窗裙梁承担,支撑的几何不变性可以有效的抵消剪力滞后,正好弥补了框筒结构的缺陷。即可以用稀柱、浅梁、大型支撑来替代传统框筒外结构,然而这实际上这就是巨型桁架体系[6] 。

自从 1968 年建成的芝加哥约翰•汉考克(John Hancock)大厦(475.2m,100 层 )是最早采用巨型桁架筒体的建筑以来,巨型桁架结构随着高层建筑的产生和发展也不断发展,相继建成的 1989 年香港中国银行大厦(70 层,315m)、2014 年建成的上海中心大厦(121 层,地下 5 层, 632m)等,都体现巨型桁架结构建筑发展从单一结构到混合结构的发展,充分体现了巨型桁架体系是一种很有前途的超高层建筑结构体系,在未来的高层以及超高层建筑中发挥着至关重要的作用,具有传统结构无法达到的很多优点。


2.2 巨型桁架结构的特征

与传统结构相比,巨型框架结构具有以下特点。

1)巨型桁架结构体系中的抗推竖向构件由楼面中间部位向楼面周边转移,并向四角集中,增强了结构整体稳定性、抗倾覆能力、抗侧刚度、抗扭能力等方面优势,比框架抗侧能力好。同时抗侧刚度沿高度分布均匀,宜形成“强柱弱梁”屈服机制,通过主次结构间的精心设计及耗能减震技术的应用,可实现多道抗震防线,整体抗震能力强。

2)巨型桁架结构主次结构体系传力明确,次结构在结构中仅是把楼层荷载传递给主结构,整个结构受力由主结构承担,满足设计大柱距结构的需要,因此根据各层空间的需要不同,可以对结构的各内柱可以上、下不对齐布置,因而设计更加灵活。

3)巨型桁架主杆件在结构中布置不连续,而且次结构的梁柱尺寸可减小,主杆件梁柱在结构中仅传递楼层荷载。在结构整体分析及截面调整过程中,为了使整体结构的自振特性及变形曲线趋于合理,可仅通过调整杆件的壁厚,而不必改变杆件的高宽等外围尺寸,同时减少了杆件品种类型,有利于设计,制作,安装,施工速度快,能有效缩短施工周期。

4)巨型桁架结构体系属于轴力杆系(即结构构件主要以轴向刚度抵抗外荷载)。这类杆系的主要特征是杆件截面上的正应力中轴向应力所占比例较大,弯曲应力占比例较小,因而材料能够充分利用,能大幅度降低造价成本,使此建筑结构体系更为经济实用,整个结构的效率也将大大提高。如 1990 年建成的香港中国银行大楼采用巨型桁架体系,整个工程下来节省钢材 40%之多[8] 。

5)对于大型支撑框筒结构而言,斜撑布置在结构外侧,代替传统结构的窗裙梁传递剪力,其自身几何不变结构又削弱剪力滞后效应,允许更大的柱距,满足高层建筑中对大空间的设计需要,其比框筒结构更能充分利用材料,减少结构断面尺寸,节约材料,适应于更高的建筑[2] 。

6)对于空间桁架结构而言,结构上所有荷载均由少量竖向巨柱传递到基础,因而可获得最大的底层自由空间,能够满足城市复杂高层建筑多功能空间的需要,且对高层底部商业活动、不同高度处设置的各类公共活动无柱大空间、在建筑中开大洞与布置内庭、及为改善居住质量与自然有更大接触面的需要,以解决传统因结构限制只能在顶部设置无柱大空间所带来的疏散不便和使用干扰问题。

7)对于斜格桁架筒结构而言,斜格桁架筒体的网状相交的斜杆同时替代了传统中的垂直柱和斜向支撑组合来承受垂直和水平荷载。因而,它具有很大的抗侧能力,而且对材料的利用率也相对较高,比较节约,同时结构通过轴力抗扭,因此还有很强的抗扭能力。除此之外,它的建筑外观也有一定的视觉效果(如广州珠江新城西塔和伦敦瑞典再保险公司总部厦)。

8)巨型桁架框架结构具有的布置灵活性和抗侧高效性的特征,决定了该类结构可与其他巨型结构或巨型构件组合,如组合成的巨型框架-筒、带伸臂的巨型框架-筒结构等,形成抗侧能力更强新的巨型结构,以满足更高的超高层建筑对抗侧能力更强的结构需要。

9)有一些高层建筑在局部采用巨型桁架构件,如常见的桁架转换层结构、巨型伸臂桁架等。例如将巨型钢桁架应用于高层建筑转换层,使上部荷载通过桁架弦杆传递到下部结构,使得结构转换层上、下的空间布置具有更大的自由度。同时,桁架转换层有利于大型管道等设备系统的布置,使转换层建筑空间得到了充分利用,可方便的将公共性空间放在地面层或空中步道层,以利于拓展城市公共空间及其与城市公共空间的联系,改善单体间的联系,解决单体建筑的“孤岛”问题,使建筑群间联系更密切、整体性更好、环境层次更丰富、交往通行更便利,工作生活环境质量得到显著提升。如有一些在局部楼层处采用巨型桁架构件将两栋常规高层建筑相连,如马来西亚吉隆坡市的 Petronas Tower,在 41 层至 42 层处采用 58m跨的两层楼高的带有巨大人字支撑的巨型桁架将双塔相连。


3 巨型桁架结构的分类与适用范围


3.1 巨型桁架结构的分类

因巨型桁架结构体系的经济性和高效性,更适合建造更高的建筑,以及随着建筑选型新颖、体型更加个性化和多样化,巨型桁架应用增多,新型的巨型桁架结构不断出现,目前还没有统一公认的巨型桁架结构分类方法和标准,一般人们习惯按不同分类指标或标准进行分类。一般是按主结构的结构体系可分为大型支撑框筒型、大型空间桁架型和斜格桁架筒型;也有按其巨型桁架结构材料可分为巨型钢筋混凝土桁架、巨型钢桁架、巨型钢骨混凝土桁架、巨型钢-混凝土组合桁架;按主结构有无小型支撑或(核心)筒,可分为巨型框桁架、巨型桁架-筒体、巨型桁架-支撑、巨型桁架-支撑-筒体(带支撑巨型桁架-筒体)结构等;按巨型桁架结构主要组成单元构件进行分为 4 主构件 18 种,由其主要构件构成的巨型桁架结构分类,如表 3-1;按主次结构间有无耗能减震装置可分为带耗能装置和不带耗能装置的巨型桁架;按主结构支撑类别可分为中心(或偏心、斜隅、防屈曲)支撑、耗能支撑等巨型框架;同样还可以按巨型桁架结构周边有无悬挑结构或按建筑功能分、次结构种类等分类指标进行分类。

巨型桁架结构分类及在高层建筑中的应用_1


3.2 巨型桁架结构的适用范围

巨型桁架结构具有柱距较大、巨大的抗推刚度、竖向跨越的层数多、受力均匀且合理、结构布置灵活、能够充分发挥材料性能、工程造价经济、施工速度快、建筑适应性好、安装方方便和快捷、节省材料、自重轻、适用范围广阔以及其自身或其与其他巨型构件和结构可组合出多种新型巨型结构等优点,决定了该类结构很适合于超高层建筑,是未来高层及超高层建筑结构体系发展和应用的主要方向之一。同样也可用于底部有无柱超大空间及转换层要求的多层建筑、超高层建筑、大跨空间结构、多层城市立交桥与桥梁结构、海上石油钻井平台等。


4 巨型桁架在高层建筑中的应用


4.1 巨型桁架结构在高层建筑中应用的困难与前景

尽管巨型桁架结构在高层建筑中相比传统的结构体系,体现出了很多鲜明的优点,但是随着高层建筑的迅速发展和结构理论和建筑技术的不断提高,高层建筑结构形式也开始趋于多样化发展,其表现形式也是多种多样,随之也出现了很多在高层建筑设计方面的问题。除经济发展、高层建筑设计方面等原因外,高层、超高层建筑结构发展较慢的主要困难是:高层、超高层建筑结构(巨型结构)属于大型复杂结构,形体的复杂化和巨型构件的立体格构化均与常规结构有较大的差异,需要研究的问题多、难度大,国内外对该类结构设计理论研究不够系统深入,有关巨型桁架结构的力学模型形成和结构的研究方法紧缺,从解析方面探讨巨型桁架结构有可能会碰到很多的困难。巨型桁架结构刚度大,而现今还没有很好的方法合理确定结构刚度,主次结构及巨型梁柱的材料、构件类型、截面形式、节点连接方式复杂,主次结构尺寸悬殊、二者间连接方式多样、二者组合变化而成的巨型桁架结构体系种类繁杂。同时,巨型桁架结构试验难度大,试验研究及其成果更少,通过试验对理论计算结果的检验成果少,工程应用实例也不常见,设计人员对该类结构的性能了解较少,理论和结构性能试验研究成果缺乏,各国相关规范对巨型桁架的超高层建筑设计也缺少相关规定,对巨型桁架结构的设计与应用的有效指导不够。其在目前巨型桁架结构的高层、超高层建筑中所面临的一些问题和困难:

其一,巨型桁架结构往往在结构立面上出现交叉支撑,对于高层建筑在象征着一个城市的风景线的同时会影响建筑的外观效果和使用功能,因此,未来的高层、超高层建筑要临着如何搞好高层、超高层建筑设计的问题,如何多方面实现高层建筑设计的完善,一直是高层建筑设计所追求的主要理念。

其二,巨型桁架结构一般都是利用斜撑构件来传递结构重力荷载和水平荷载,因而其交叉支撑节点多而复杂,而且往往使用不同材料的构件,节点形式千变万化,处理起来较传统结构复杂的多。再加上建筑设计要求的提高,节点也变得越来越复杂。

其三,大型支撑框筒结构作为巨型桁架结构当中应用最为广泛地一类,尽管它有较传统结构很多明显更适合高层建筑的特征,但其自身也存在一些弱点。一方面大型支撑框筒结构的大型支撑和角柱连接处,结构内里比较集中,而且角柱应力集中系数分布也有不同程度的震荡都会导致结构弱点问题。另一方面大型支撑框筒结构的剪力滞后效应小于框筒结构,但仍然存在剪力滞后效应影响,剪力滞后效应最为严重的是在结构在大型斜撑和角柱相交楼层部分。除此之外,大型支撑框筒的结构侧向刚度强,但其层刚度由于大型斜撑的分布而表现出较显著的不均匀性。

其四,对于支撑桁架的巨型柱,计算、设计较为复杂,缺乏科学有效的计算分析模型和方法手段,受计算机容量和运算速度限制,考虑各支撑杆件屈曲的数值分析往往存在困难,用杆系模型对巨型框架进行结构弹性内力分析及罕遇地震下的弹塑性动力反应分析,往往会遇到计算方法和程序上的问题,用空间实体模型对巨型混凝土柱框架进行分析的计算量很大,会耗费大量计算机时,很难应用于工程实际,限制了该类结构推广应用。

其五,随着高层建筑高度的不断增加,结构对风荷载更加敏感,不少地区抗风研究和设计已经成为控制结构安全性和实用性的关键因素。国际工程界对超高层建筑上的风速压测试非常重视。一些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪,相关工作者进行了长期侧风测振工作,积累了一定的数据。目前,国内的一些测试设备仍不能满足工程实际需要,需要研究更合理的方法,在结构抗震、抗风设计方面加强研究,为工程提供技术支持。

其六,有一些高层建筑在局部采用巨型桁架构件,如常见的转换层结构、巨型伸臂桁架、环带桁架等。这些转换结构虽然提高结构的抗弯刚度,减小整体结构的反应,但其设置对整体结构也会带来不利的因素,如在设置有伸臂桁架结构楼层位置,在受力过程中导致伸臂桁架加强层的上、下相邻的外围巨柱弯矩和剪力均发生突变,会形成刚度突变形成薄弱层,竖向易产生脆性剪切破坏,给结构抵抗侧向抗震和抗风带来困难。除此之外,伸臂桁架的设置占用了大量的设备层空间,给设备的放置带来困难,伸臂桁架施工复杂,施工周期长,对施工工期影响很大等一些方面的困难。

其七,近年来,随着城市高层建筑像雨后春笋一般拔地而起,它们在塑造城市形象、改善城市结构、提升城市品味、强化城市功能等方面发挥出了积极的作用,同时高层建筑存在更多的安全、污染、气候、耗能等许多方面的问题。高层建筑的体量巨大,功能复杂,一个小小的意外都会带来灾难性的后果。如遇地震、火灾、恶劣气候等灾害,由于疏散困难,可能会造成更大的伤亡和损失;高层建筑施工带来更多的固体垃圾污染,玻璃幕墙产生的光污染会影响交通秩序,会对临近建筑产生热辐射,提高城市空气温度,使城市热岛效应日趋强烈,加速了大气污染;高层建筑挡住了城市景观的宽阔视野,破坏了城市轮廓的和谐;对于高层建筑组群出现的城市(特别像我国高层建筑众多的国家),如果组群关系不好或者单体形状不佳的高层建筑,对地区风速产生很大影响,可能会导致恶劣风流的形成,此外,高层建筑物的犄角相对可产生漏斗效应,高层建筑平行排列可产生“屏障效应”等这些效应都会加剧能源的消耗;由于高层建筑是一个庞大的结构,减少了城市用地的同时增加了城市人均占地率,为了提供更好的生活质量,就需要更多的电气设备,大量的电磁辐射在城市产生,对城市环境及周围建筑都将不利;高层建筑使人远离地面和自然环境,不利于人们的户外活动,容易诱发对人类健康不利高层建筑综合症,同时如果发生停水、停电等问题,对人易引发恐惧心理。此外,恐怖主义对高层建筑的恐怖袭击有是高层建筑发展的又一问题,如2001 年美国纽约世贸中心恐怖袭击事件。

高层建筑的建设,是技术进步的体现,也是社会经济发展、改善人们生活条件的需要,随着世界技术、经济的不断发展,随着巨型结构理论研究的不断深入和应用领域的不断新实践,随着新型高强性能材料、新型组合构件和新的结构体系的应用,我们相信巨型桁架结构体系的一些困难和难题将会被解决,巨型桁架结构鲜明的优越性正在不断体现出来,前一阶段的工程实践表明,巨型桁架结构是建造高层与超高层建筑的最合适、最有效的结构形式之一。巨型桁架结构、以及与他相组合的混合结构体系将在未来的高层建筑的发展过程中蕴涵着巨大的潜力,具有更好的发展前景。


4.2.大型支撑框筒结构工程实例

大型支撑框筒结构是对框筒结构的一种改进,由大型立体支撑(大型支撑)、平面内小框架及内部钢框架所组成。该结构体系是在传统框筒结构的外侧增设大型支撑结构来替代了传统框筒结构中由腹板和翼缘框架中的窗裙梁承担的剪力,达到减小剪力滞后效应的目的,发挥了桁架的内力分布和变形的性质。美国芝加哥约翰•汉考克中心大厦,100 层,高 332m,(底层平面尺寸 79.2m×48.7m,顶层平面尺寸48.6m×30.4m )图 1,采用大型支撑框筒巨型桁架结构体。该类体系使结构抗侧能力显著提高,矩形建筑平面从地面到楼顶逐渐缩小,四面大型 X 支撑斜杆呈 45°角布置,斜杆即承担部分重力荷载,又抵抗风荷载或地震作用水平剪力,加强外框筒体形成实体筒的性能。长春光大银行,25 层,地下 2 层,102m,标准平面层尺寸为 48m×25.6m,图 2,也采用了巨型钢框架结构,巨型框架柱布置在建筑两端,巨型钢框架柱为 16m×8m 的桁架筒,由八根钢柱(四根箱型截面柱,截面由 1000mm×1000mm×80mm,变600mm×600mm×20mm,四根 H 型截面柱,截面由 600mm×600mm mm×30mm×20mm,变为400mm×400mm×16mm×20mm)与柱间以人字形、V 形及单斜支撑构成,构成该结构体系的竖向支撑来承担整体结构水平荷载,巨型钢框架梁为两层或一层高的两片带有 X 形及人字形支撑的巨型平面桁架,分别设在 9-10 层、17-18 层、25 层。用以承担竖向荷载,而且与两侧“巨腿”相连,与其共同构成纵向巨型框架体系的主结构,承担风荷载及地震作用。

深圳京基金融中心大厦,100 层(主塔楼 98 层),441.8 米,图 3,主体采用钢筋混凝土核心筒(核心筒底部设置型钢,延伸至 77 层)+巨型斜支撑框架及+3 道伸臂桁架+5 道腰桁架,并在短向两侧设置巨型支撑,形成三重抗侧力的混合结构体系来抵抗水平荷载。第一层是在大楼东西两侧的垂直立面上设置 X形交叉形式巨型斜支撑框架(采用箱形截面,底部最大尺寸为 1600×1400,钢板厚 80mm);第二层是在建筑的框架部分使用矩形钢管混凝土柱(底部最大为2.7m×3.9m)和型钢组合梁(最大厚度为 70mm)组成。第三道抗侧力结构是 5 道腰桁架(沿结构均匀布置)和 3 道伸臂桁架(设在 37~39 层、55~57 层、73~75 层),同时在相连伸臂桁架的剪力墙中设置的剪力暗桁架。


上海环球金融中心,101 层(裙房为地上 4 层),地下 3 层,492m,图 4,采用了外围为巨型桁架筒+内部为钢筋混凝土的筒中筒结构。该建筑主体结构采用钢管桩(内筒采用 700×18,外筒采用 700×15,裙房采用 700×11)加筏板的基础形式。在结构设计时为了考虑将超高层巨型结构承受的荷载分段传递到巨型构件中,将结构的外框巨型桁架结构设计按每 12 层设计一个次构件(由巨型柱、带状桁架、巨型斜撑、钢梁和钢柱组成)从而可以有效避免普通构件截面过大影响巨型构件功能的发挥,其中前两个体系承担了由风荷载和地震作用引起的剪力。

巨型桁架结构分类及在高层建筑中的应用_2


此外,天津高银 117 大厦,117 层,597m,平面呈正方形(底部尺寸 65m×65m,顶部尺寸 45m×45m),图 5,结构采用核心筒+巨型支撑筒(角部巨柱+巨型 X 斜撑+带桁架)+周边巨型框架结构的混合结构体系。结构的巨型支撑布置在建筑物的四个立面,上部 8 个区域,每 12~13 个楼层设一个巨型 X 型交叉斜撑。


4.3 大型空间桁架结构工程实例

大型空间桁架结构体系是由大型立体支撑、少量竖向巨柱、外墙、平面内小立柱、及内部钢框架所组成,主要受力体系是支撑和竖向巨柱构成的空间桁架。其特点是底部空间大,布置灵活等。纽约市的花旗银行(Citicorp)大楼,65 层,278.6m,图 6,采用大型空间桁架结构体系。该结构的芯筒位于建筑底部一个九层高的塔楼上(由四个斜撑柱腿支撑构成,其中每个柱腿支撑一个两层高的转换桁架)。塔楼上面芯筒是由主体支柱(一个从桁架顶部沿着柱腿的轴线向上延伸到塔楼的顶端)和次支柱(位于塔楼的四个角及每个外表面的四分点处)组成,同时柱结构又附加了八层高主对角 K 型支撑。

香港中国银行大厦,70 层,368.5m,正方形平面 52m×52m,图 7,采用钢—混凝土混合结构巨型桁架体系。上部结构为 4 个巨型的三角形桁架,斜腹杆为钢结构,竖杆为钢筋混凝土结构,4 个巨型桁架延伸到建筑的不同高度,在 13 层和 25 层切去一个区域,最后到楼房的顶部只有一个桁架,楼层平面成为原面积 1/4 的三角形。钢结构楼面支撑在巨型桁架上面,4 个巨型桁架支撑在底部三层高的巨大钢筋混凝土框架,最后由 4 根巨型柱将全部荷载传递至基础,该建筑采用了独特的 SRC 柱和节点处采用简化构造,不仅可以大大节俭建筑的用钢量、施工方便、加快安装进度而且还降低了结构的难度、降低了钢结构加工精度、简化节点连接还可以容许节点存在偏心。

巨型桁架结构分类及在高层建筑中的应用_3


台湾高雄 85 大楼,82 层,地下 5 层,331m,图 8,采用了巨形钢框架(属巨型空间桁架型钢框架),巨型框架柱是由支撑竖筒(由 4 根角柱与 4 片竖向支撑围成)组成,巨型框架梁由空间桁架组成,在巨型框架的各层巨型梁之间,另立小型次框架来承担此区段内的若干楼层的重力荷载和局部水平荷载,并把它传给巨型框架。

建设中的广州东塔,112 层,地下 5 层,539.2m,正方形平面 58.1m×58.1m,图 9,采用带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构,巨型柱为布置在建筑周边的 8 根多腔矩形钢管混凝土柱,截面尺寸为 3.5m×5.6m至 0.8m×1.5m,巨型框架梁为布置在建筑周边的 6 道空间环形钢桁架(约 15 层布置一道,桁架弦杆箱截面为 500×700×12×22,腹杆箱截面为 500×700×30×30),其中第 1、2、4、6 道为两层高,第 3、5 道为 1 层高,核心筒为边长 32.7m 的正方形钢板钢筋混凝土筒,其外墙(32 层以下)为 1.5-0.5m 厚双层组合钢板(钢板厚 40-18mm)混凝土剪力墙,内墙为型钢混凝土剪力墙,在第 1、2、4、6 道环向桁架处设置4 道伸臂桁架(伸臂桁架斜杆箱型截面为 1950×800×130(110、80)×40、1200×285×80×40),伸臂桁架将巨型框架与核心筒相连,使两者能有效协同工作,既能约束核心筒的弯曲变形,又能高效地利用周边 8 根巨柱来减少结构总体变形及层间位移,外伸臂桁架的使用增加了巨型框架在总体抗倾覆力矩中所占

比例,减少了结构整体变形中的弯曲变形。


深圳平安金融中心,118 层,地下 5 层,646m(结构高度 540m),图 10,该结构体系被称为“一筒、八柱、七根金腰带”。即是说,其结构由核心筒和周边巨型框架组成。巨型框架由 8 根巨柱(底部 6.5m×3.2m,顶部 2.0m×2.0m)、钢斜撑和七道加强层(由伸臂桁架、周边带桁架组成)构成。其中内筒由型钢-钢筋混凝土筒体构成,外围巨型框架由型钢混凝土巨型柱+周边空间钢腰桁架+角部 V 形钢支撑组成,内筒为型钢-钢筋混凝土筒体,墙体洞边及角部埋设型钢柱。外框的巨型柱由于建筑体型的要求在局部高度有倾斜,在角部两个巨型柱之间设置 V 形支撑以增强角部两巨柱之间的联系。钢桁架之间设置等间距斜柱作为次构件,增强了整体结构的刚度和稳定性。


4.4 斜格桁架结构工程实例

斜格桁架结构一般是将大型支撑密布于结构外立面和设计在结构中的竖向的柱子(一般都会有)来共同抵抗结构的水平荷载,达到最大效率地利用材料的强度,具有明显的剪力滞后效应弱的优点,而且结构具有美感,但其结构设计复杂,施工较复杂、延性较差。如 2010 年建成的广州西塔,103 层,地下 4 层,432m,平面为圆角等边三角形,塔身沿竖向在中间略微外鼓,图 11,采用钢管混凝土斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒结构的混合结构体系,其中内筒为钢筋混凝土核心筒(不等边六边形),外筒为新型的钢管混凝土菱形斜交网格筒。结构的外筒是由 30 根钢管混凝土立柱组成,从建筑地下四层柱点开始一直延伸至塔顶相应的柱点位置。立柱沿高度方向每隔 27米,需形成一个“X”形状的外筒节点来满足不规则网筒管状的塔形钢结构。

伦敦瑞典再保险公司总部大厦,40 层,179.8m,图 12,也是采用的巨型斜格桁架筒体结构,其钢框架由中心支撑筒体、轻质混凝土楼板、异形金属边梁和支撑梁系等共同组成并协同工作,通过径向钢梁与壳面周边的柱子相连,两个倾斜的立柱与环梁相交。外壳结构由 36 根外围柱构成,形成自支撑的对角网格结构。其结构外形采用了双曲线外形,它的构形与竹子外形十分相似,可以有效减少材料使用,降低建筑物的自重。

多哈市的卡塔尔外交部办公大楼,44 层,地下 4 层,231m,顶盖为一个直径 33m 钢结构穹顶,上设27m 高的桅杆,图 13,采用钢筋混凝土交叉网筒结构体系。该结构是由交叉斜柱、环梁和楼板构成,交叉斜柱每 4 相交一次,内设偏北布置较小的核心筒(底部直径约 45m,顶部直径约为 33m,平面呈圆形),楼层半径随着高度不断缩小。每根斜圆柱沿着半径不断减小,从层的 1.7m 变化到顶层的 0.9m,层内直线。交叉斜柱每 4 层相交一次,柱中心线交叉点位于楼面标高,夹角约为 48 度柱中心线交叉点位于楼面标高,环梁、楼板每层与斜柱连接。

总之,随着近年来世界经济的不断发展,高层、超高层建筑除了要满足建筑使用功能要求外,也越来越重视建筑个性化的体现,使高层建筑平面、立面均极其特殊。尤其是近几年,各种复杂体型及复杂结构体系大量涌出,如体型复杂的连体结构,带不同类型转换层的高层建筑,楼板开大洞形成长短柱,立面开大洞,楼板与外框结构仅通过若干节点连接,悬挂、悬挑,大跨度连体的滑动连接,多重组合巨型结构体系等。特别是巨型桁架结构在近几年来在高层、超高层建筑中与其他结构体系组合成混合复杂的结构体系如雨后春笋一样拔地而起,应用非常广泛,结构类型不单单仅局限于巨型桁架体系结构,巨型桁架与其核心筒结合、型钢混凝土巨型柱+伸臂桁架+巨型支撑结合以及和环带桁架、结构控制技术(如耗能支撑、基底隔振、TMD、AMD 等)等结合形成了许多新型巨型结构,正一步步地快速发展着,为超高层建筑向更高方向发展提高了可靠的结构支撑。


5 结论

本文介绍了巨型桁架结构体系的内涵、分类、特征、适用范围及其在高层建筑中的应用,系统分析了巨型桁架结构的产生背景,给出了该类结构产生发展的一些影响因素,指出巨型桁架结构的产生是人们对高层结构长期探索、改进、创新和积累及技术进步的结果。给出了该类结构与传统结构相比的 9 个典型特征及其适用范围与应用前景。分析了巨型桁架结构在高层建筑中应用的困难与前景,系统的介绍了国内外大型支撑框筒桁架结构、大型空间桁架结构、斜格桁架筒型桁架结构以及混合复杂结构桁架结构体系在高层建筑工程中的应用实例,通过对国内外 13 栋典型巨型框架结构的介绍,为全面认识、了解、应用巨型桁架结构提供了详实资料。

巨型桁架结构作为高层或超高层建筑的一种崭新结构体系,其结构经济性和高效性,更适合建造更高的建筑,以及它与其他巨型构件和结构可组合出多种新型巨型结构,能够适应高层建筑高度的不断增加、功能的综合化或特殊功能要求、形态的变异化趋势,它的不断发展和完善,必将为未来在解决高层及超高层建筑抗震、防风的难题上产生出新的思路和方法,它也将进一步给建筑设计带来了新的灵活性和设计思,让我们拭目以待吧!


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 发表于2018-03-05   |  只看该作者      

2

不错男-强

 发表于2019-05-05   |  只看该作者       筑龙币+20

3

巨型桁架结构体系属于轴力杆系(即结构构件主要以轴向刚度抵抗外荷载),主要特征是杆件截面上的正应力中轴向应力所占比例较大,弯曲应力占比例较小,因而所使用的材料能够充分利用,能大幅度降低造价成本,使此建筑结构体系更为经济实用,整个结构的效率也将大大提高。

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