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高成结构 ||326m高不设型钢的纯钢筋混凝土建筑封顶在望

新年伊始,听说那栋在斯里兰卡326m高的纯钢筋混凝土结构封顶在望,高度已到235m,经历了2019年的大爆炸,2020年的疫情,总算有了阶段性的胜利。

图1现场施工照片

刚开始做超高层时,被老师教导200m高的建筑就应该用混合结构,2008年公司内部的大佬在深圳卓越皇岗项目上把混凝土结构做到250m,就觉得很牛,当然柱内加了型钢,不然超限审查是通不过的,因为“延性不够”。后来也有听说有300m的钢筋混凝土建筑被审查专家改为混合结构,所以一直就以为250m高是做钢筋混凝土结构的上限。
2016年刚看到斯里兰卡项目时,心里犯怵,这么个贫穷落后的国家,要建这么高的楼可行吗?成本控制得了吗?施工水平、材料水平跟得上吗?这么高的容积率,住得舒服吗?疑问很多,不管怎样,调查下再说。

图2建筑效果图

斯里兰卡是印度洋上的大岛,面积比台湾大近一倍、人口差不多。项目位于首都科伦坡中心城区,距印度洋200m,经过调研,本地有产符合英标的钢筋,沙石等原料都可以生产,商品混凝土强度可以做到C80,但钢材都需进口,加气砌块厂不多。同时参观了当地的一些高层超高层建筑。网上查了些资料,只有广州及香港各有一栋近300m高的建筑,当初还不知道Jeddah Tower用纯钢筋混凝土结构做到了1000m高。

经过调研参观,心里大概有底了。当时就跟甲方说,我们可以做一个成本低、施工方便又能实现建筑意图的建筑结构。方案经建筑与甲方老兄们修修改改后,确定了3栋塔楼的业态分布与高度,A塔高326mB塔高305mC塔高360m。建筑方案绝对是高端大气上档次的,也是公司内部大师的原创。今天我先介绍A塔,一个326m75层的全钢筋混凝土结构。

建筑1~3层为商业,4~9层停车场,10~53层丽兹卡尔顿公寓,54层以上丽兹卡尔顿酒店,地下3层,埋深10m。结构体系采用框架剪力墙结构,在3554层分别设一道环桁架,不设伸臂桁架,在拐角处由于机电原因采用砼墙与环桁架相连,形成闭环(见三维图)。10层以下采用无梁楼盖,10层以上采用梁板式楼盖。平面见下图。

图34~10层结构平面图

图4上部标准层结构平面图

图5结构模型图

图635层环桁架三维图

根据Etabs计算结果,第一周期9.9s,第二周期8.5s,第三周期4.8s,远大于国内同类项目的周期。按文献《高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究》的公式T1=5.36~7.15s。记得上海中心、平安大厦的周期8.5s左右。我在山东云南的2300m高的高层建筑周期被要求控制在6s以下。
项目离印度洋200m,抗风设计是超高层设计的重难点。查遍了欧标,令人非常惊讶:欧标对风载下的位移根本没作要求。本项目50年风下的层间位移角1/376,远大于国标1/500。安全起见,参照香港规范,我们对顶点位移按1/500控制。
按国标计算的结构顶点加速度顺风向达0.16m/s2,横风向更离谱,达到0.6m/s2,远超规范限值。按澳标计算,顺风向才达0.045m/s2,横风向0.126m/s2,满足国标也满足澳标。幸亏有风洞试验有对比,不然心里确实真没底。

图7层间位移角曲线图

图8顶点位移角曲线图

风洞试验的谢博士水平很高,有理论有实践。他采用科伦坡机场的测风仪风速,作了风气候研究,确定了基本风速。经风洞试验,下表为风洞的顶点加速度值。他非常有把握不需要另加阻尼器来抗风。所以提醒下甲方,在国内混凝土结构的不超200m的住宅需加阻尼器大概率都是忽悠。

地震作用按欧标BSEN8规范进行设计,从反应谱曲线图可以看出,其地震影响系数最大值相当于国内反应谱的7度中震,长周期段并未做拉平处理。长周期段的问题也是国内争论的焦点之一。经计算,地震作用下的层间位移角1/224,满足欧标1/200的要求。

图9 地震反应谱

整体稳定公式

欧标的整体稳定性公式是采用层间位移角敏感系数θ来表达,θ大于0.1时结构需要考虑二阶效应且θ不得超过0.3。式中PtotVtot分别为楼层处上部重力荷载和地震剪力,dr楼层相对位移,h为层高。国标抗震规范第3.6.3条似乎借鉴了该内容。国标高规第5.4.4条的公式简化过多,对于低烈度区的较柔结构目前似有争议。下图为位移角敏感系数图,从图中可以绝大部分楼层大于0.1,说明需考虑二阶效应,值得一说的是,如果不设2道环桁架,约有20层系数大于0.3,不满足规范要求。

图10 地震作用下的层间位移角

图11 位移角敏感系数

300m的建筑采用全钢筋混凝土结构的安全性与可靠性

图12施工完成时墙柱竖向位移图

图1350年后竖向位移图

图1450年后水平位移图

采用纯钢筋混凝土的超高层结构,应重视重力荷载下结构的变形。在重力荷载长期作用下,其变形分为弹性变形及混凝土的收缩徐变变形。图12为施工完成后墙及柱的竖向变形。在结构顶部为0,最大47mm。图1350年后的考虑收缩徐变后的变形图,变形最大在中上部约为150mm。由于质量与刚度不重合,50年后的水平变形达92mm(恒+0.7活工况),约为1/3500,见图14

构件设计均采用欧洲规范设计,自编计算表格计算,所以工作量比国内项目大得不止一倍,项目组的小伙伴凭着对结构的热爱,没日夜的加班,才得以完成。当地顾问公司很努力,不断学习,终于接受了我们的设计。

结论:

这栋即将封顶的斯里兰卡超高层建筑,以国内标准看刚度偏柔,若在国内估计很难建成。主要的差别在混凝土强度、位移角限值、周期控制、地震反应谱、整体稳定性等方面,不过这几年国内设计界在这几方面讨论很多,成果不少,相信用不了多久一定会达成共识。

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作者: ganggouren

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