议超高层建筑结构分析

摘 要：简要讨论了超高层建筑结构设计中、结构体系、钢管砼结构等间题, 提出了一种深基坑支护结构的施工方法。

关键词：大型支撑结构;钢管砼结构;深基坑支护结构

Abstract: This paper discusses the design of tall building structures, the structure of system, concrete filled steel tubular structure problem; put forward a kind of retaining structure of deep foundation pit construction method.

Key words: large supporting structure; concrete filled steel tube structure; foundation pit supporting structure

中图分类号：[TU355]文献标识码：A文章编号：

我国已兴建了相当数量的高度在200m以上的超高层建筑: 本文简要讨论超高层建筑结构设计中的结构体系、钢管砼结构、深基坑支护结构等问题建议在超高层建筑中设置架空层,采用大型支撑结构及钢管砼结构,并利用房屋建筑结构作为深基坑支护结构.

一、超高层建筑的结构体系

筒体结构是高层建筑一种有效的抗侧力结构,也是我国目前超高层建筑的主要结构体系。然而,筒体结构固有的剪力滞后效应削弱了它的抗推刚度和水平承载力, 严重影响筒体结构体系的效能,作为对策,主要采取了如下措施:

(1)采用密柱深梁的外框筒, 形成筒中筒结构；

(2)用钢柱及刚性圈梁提高框筒的抗推能力；

(3)在外框筒加斜撑；

(4)采用成束筒结构；

(5)采用圈形外框筒结构。

这些措施对于提高结构的抗侧力都是有效的,但也带来一些间题。世界贸易中心的用钢量是最高的:对于高度为20Om左右的超高层建筑,我国工程师通常会首先选择钢筋砼筒中筒结构。因其侧向刚度好,水平位移小,在我国的工程实践较多,但其缺点是耗用的结构材料多,结构面积大,密柱深梁给使用带来不便。

在筒中筒结构中加刚臂和刚性圈梁,可以增强结构的整体性,减少外框筒的剪力滞后,提高结构的抗侧刚度。在核芯筒-框架结构中加刚臂及刚性圈梁,可以增强结构的整体性。使外圈框架柱更多地参加整体抗推,从而提高结构的抗侧刚度。根据我国的工程实践经验,高层筒体结构设置顶部和中部两道刚性层后,可以减少侧移10%～15% 。

在外框筒加斜撑是比较好的做法:美国芝加哥市汉考克大厦沿建筑物的立面加了五道X 型支撑,外排框筒的柱距增大到15.24m ,结构的用钢量也比较低。在外框架加斜向支撑的做法可以追溯到本世纪初,其目的是为了提高钢框架的侧向刚度,由此而形成了垂直析架和剪力墙的理论。框筒钢结构中设置斜向支撑的作用与设置剪力墙的作用相接近。由于一般单方面的原因,钢筋砖的斜向支撑很少采用,支撑,因其吊装及安装都较方便。

Milennium Tower,高度80Om ,底部直径13Om ,这样大的尺度,其它方法都难以消除角柱的巨大轴力,只有圆形外框筒能彻底消除剪力滞后效应,对于巨大的超高层建筑,圆形平面是最简单有效的选择。由于超高层建筑的轴力主要集中在房屋的四角,如果在房屋的四角设置巨柱,利用交叉斜杆连成一个空间支撑体系, 如同一个垂直的空间析架,这就是大型支撑结构。这祥的结构比筒体结构更经济有效,更能充分发挥结构材料的效能。

二、用钢管砼结构建造超高层建筑

钢管砼是用砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构,钢管采用卷制焊接管, 我国一般采用长直焊缝。钢管砼在这方面与预应力砼有相类似的地方预应力砼主要毛于受弯,而钢管砼用于受压钢管砼的基本原理有: 1.借助内填砼增强钢管壁的稳定性;2.借助钢管对核心砼的约束作用,使核心砼处于三向受压状态,从而使核心砼具有更高的抗压强度和变形能力钢管砼的极限承载力恒比空心钢管和核心砼柱体二者的极限承载力之和大,大致相当于两根空钢管的承载能力与核心砼柱体承载能力之和。钢管砼的极限应变值比普通钢筋砼大几倍甚至十几倍,是一种良好的延性材料,在高层建筑中,可不受轴压比的限制,这使其承载能力大大高于钢筋砼柱钢管砼是两种现代高强度材料的一种理想结合,具有很高的承载能力, 有很好的延性,施工快,造价比钢结构低,耐火性能比钢结构好,是非常适合超高层建筑的一种建筑结构形式。

中国工程师应用钢管砼结构的目的主要是减小柱的截面尺寸,美国工程师应用钢管砼结构的目的是采用高强度的砼。除密筋砼外, 各种高强砼的脆性都很大, 不能直接用于结构构件:钢管砼结构给高强砼的应用带来了出路,钢管砼是一种改性砼、由于钢管的约束,使脆性的高强砼变成延性材料钢管砼结构的另一个优点是节省模板和钢筋工,施工快: 美国西雅图市双联广场是3天半2层,西雅图市太平洋第一中心是一周4层二。其主要的结构构件是压型钢板与砼的组合楼板、钢梁与钢析架、钢支撑、采用泵送施工的钢管砼柱，我国的高层建筑钢管砼结构采用的是现浇钢筋砼楼盖。我国目前在应用钢管砼结构中的主要问题有:

1.工作机理有关钢管砼高层建筑结构工作机理的研究还不够深入和系统,没有专门的抗震计算方法和设计方法

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2.节点研究我国采用的钢管砼柱一般是与现浇的钢管砼梁配合使用。梁的剪力通过柱上的工字型钢牛腿传递,梁弯矩的传递有哈尔滨建筑大学提出的单梁方案和中国西南建筑设计研究院提出的双梁方案,也有采用钢管砼柱与外包钢砼梁的结构,这时的梁柱节点构造接近钢结构还有采用钢筋砼梁与钢管砼芯柱的结构, 这时的梁柱节点构造接近钢筋砼结构钢管砼结构梁柱节点的受力性能特别是在地震荷载作用下的节点受力性能, 有待于进一步的研究。.

3.构造问题钢管砼柱的一些构造问题,如柱帽、牛腿、横隔板、加强环、内栓钉(inteor stud)。有待进一步规范化。

三、用SRC柱(型钢砼柱)结构建造超高层建筑

近年来随着我国经济的飞速发展，越来越多的超高层建筑在各地建造，由于SRC柱具有承载力高，延性好，耐火性能好，施工方便等优点，在超高层建筑结构中得到了广泛的应用。跟钢管砼不同的是，SRC是由混凝土包裹型钢，相对来说SRC的使用维护用相对简单且经济一些。对于目前建造较多的200米内的超高层来说，采用SRC柱还是比较经济合理的。

四、深基坑支护结构

目前最常用的是用地下连续墙作为地下室的永久外墙我们提出的是利用房屋结构的钢管砼承重柱作为地下连续墙的中间支撑柱,施工方法有正作法、半逆作法、逆作法: 其施工顺序是:

1.施工地下连续墙，沿地下室外墙的闭合的地下连续墙应穿过贮有承压水的土层,广东地区的岩层埋藏较浅,地下连续墙可进入强风化岩层。

2.施工人工挖孔桩:对于基岩埋藏较浅的地区来说,挖孔桩在高层及超高层建筑基础中具有很多突出的优点:承载力高、质量好、造价低、工期短、施工没有污染,这些优点是其它的桩基础不能同时具备的，沿地下室外墙施工一道闭合的地下连续墙后,相当于做了一道钢筋砼的止水帷幕,在地下连续墙围起的区域内,可以大面积抽水而不影响相邻的建筑物,场地降水后,原来不适宜做挖孔桩的土层也可以进行挖孔桩的施工了。

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3 .施工钢管砼柱: 由于基础是人工挖孔桩。无需开挖土方,就可以很方便地做单桩单柱的施工。钢管砼柱既是上部结构的承重柱,也是深基坑支护结构的中间支撑柱。

4.开挖土方：a.正作法，利用钢管砼柱作中间支撑柱,一面开挖土方一面架设临时水平钢支撑,临时水平钢支撑一头撑在地下连续墙上,一头焊在钢管砼中间支撑柱上，随着土方开挖工作的进展,临时水平钢支撑也一道一道地自上而下架设,直至开挖至地下室底板,随着地下室钢筋砼楼板自下而上的逐层施工,临时水平钢支撑也一道一道地回收:正作法适宜用于面积较小的建筑地盘。

b.半逆作法。如果建筑物的地盘足够大,可以利用沿外墙的二排或三排柱作中间支撑柱,沿外墙的二、三排柱做逆作法施工, 而建筑地盘的中央区域放坡大开挖, 周边的逆作法与中央区域的正作法可同时进行。正作法及半逆作法的优点是位于中央区域的建筑物的核芯筒可以采用正作法: 核芯筒剪力墙采用逆作法是较难保证施工质量及精度的,而外框架柱可以采用钢管砼柱,直接种在人工挖孔桩上。

c.逆作法。建筑物的全部工程柱均作为中间支撑柱:用地下室的钢筋砼楼板作为地下连续墙的水平支撑, 先施工楼板再向下开挖土方,向下逐层施工各层地下结构:根据开挖土方施工顺序的不同,又分为封闭式逆作法(地面层施工后再开挖)及开敞式逆作法(地面层不施工即开挖)。

四、结束语

以上综述了超高层建筑结构设计采用大型支撑结构、钢管砼结构深、基坑支护结构这几分面的运用，随着设计与施工技术的不断进步,必将有更大的发展。

参考文献

赵西安.钢筋混凝上高层建筑结钩设计中国建筑工；2011.