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    超高層伸臂桁架的那些事兒

    時間:2020-05-13 來源:

    伸臂桁架的概念

    微信圖片_20200513171516.jpg

    伸臂的概念在除了建筑之外也早已有諸多應用,例如在過去包括現在的很多帆船中,都會采用支腿的形式來抵抗風力,使行駛更加平穩,而常見的重型汽車裝備中,也會使用伸臂來保證在進行作業時候的穩定性。

    常見應用

    對于超高層建筑而言,在抗側力的工況下,結構體系可簡化為一個懸臂桿件,在均布荷載下,其剛度和高度為四次方的關系,因此當結構高度達到一定程度時,常規的豎向構件,其抗側剛度已經不能滿足結構在水平力作用下控制變形的需要。因此,為了滿足建筑剛度的需要,通常需要設置加強層來提高結構的抗側剛度。在加強層的設置方法中,采用伸臂桁架+腰桁架組合是較為常見的一種形式。

    伸臂桁架的特點及適用范圍

    伸臂桁架在超高層建筑中的機理是在水平荷載的作用下,提高了外框部分的軸力,相應增加了框架承擔的傾覆彎矩,它對結構的反彎作用,可以有效增加結構的抗側剛度,改變水平剪力在框架與核心筒之間的分配比例。根據以上的作用機理以及設計實踐,可以發現伸臂桁架在框架核心筒結構體系的效率較筒中筒結構明顯很多。外框腰桁架通常會配合伸臂桁架一起使用,這是因為在水平作用力下,設置了伸臂桁架的加強層,其外框軸力會大大增加,通過設置腰桁架,可以減小框架核心筒結構的剪力滯后效應,對外框可以起到“褲腰帶”一樣的作用。

    伸臂桁架的位置敏感性

    伸臂桁架在立面的設置位置,一方面需要考慮對結構的效率的影響,另一方面要考慮建筑功能的要求,一般需要結合設備層來設置。

    華東院對伸臂桁架的研究認為,當設置n道伸臂桁架時,最優的位置為(1~n)/(n+1),并對相關項目的伸臂桁架設置的位置進行了總結。但是由于伸臂的效率受到結構的自身高度,結構高寬比,水平力作用下的變形形態,其余抗側力構件的剛度等一系列因素影響,很難定量去給出統一的標準。但通常地可以認為在結構2/3H處左右效率較高,在需要增加時,可在1/2H,1/3H等處布置。具體項目尚因做敏感性分析,結合建筑、結構的豎向變化和收分情況,合理選擇伸臂桁架的位置。

    華東建筑設計研究總院

    此外,根據研究表明,多道伸臂桁架減小側移的效果優于一道桁架,而伸臂桁架的數量與其效果并不成線性關系。上述總結中,也可看到除了上海中心外,其余超高層項目的伸臂設置數在2-3道居多。

    伸臂桁架的設計問題

    伸臂桁架自然離不開桁架的問題,桁架的形式多種多樣,但都以軸力為主,因此材料選擇也以鋼結構為主。但處于結構效率和成本的考慮,關于桁架的形式和材料也并非單一,以下就筆者在一些項目中的經驗做一些介紹。

    首先是關于結構效率的問題,桁架的形式的討論已經很多,借用豬小寶在知乎中的回答,對于如下的一個懸臂梁,在外荷載P的作用下,普通桁架,Pratt truss,Warren truss以及最后通過拓撲優化理論得到的Michell truss,結構效率依此遞增,反之可以理解為,在相同材料用量下,最后者所提供的剛度最大。

    最高的結構效率是結構工程師所追求的,但是在實際工程項目中,在建筑功能和結構效率之間需要達到一個平衡。

    伸臂桁架尺度大,跨越核心筒和外框柱,會產生大量的無效空間,無論從成本測算還是功能利用上,在建筑上都是難以承受的,因此伸臂桁架一般設置在相關的設備層處。

    此外,超高層的設備層除了是放置相關機電設備外,還需要設置避難區,而避難區的設置又需要與逃生通道相連,因此機電層內的空間也可謂寸土寸金。

    此外,為了控制成本與立面效果,避難層的層高也控制較嚴格,一般與機電設備要求相關聯,在4.5m~6m左右,而核心筒與外框的跨距一般在10m~13m左右,在這樣的跨高比下,尚需考慮桁架下的可利用空間,從而選擇合適的桁架結構體系。

    國貿三期A伸臂桁架 ARUP

    上海環球金融中心伸臂系統

    在某超高層項目中,方案設計單位SOM結合建筑上的轉換空中大堂,將層高提高到8.8m,結合空中大堂層下的6m層高的設備層,使伸臂桁架的總高度為14.8m,跨高比約0.7,這對于結構設計桁架來說是非常難得的有利條件。在原方案中,根據原先拓撲優化的結論設置了X型伸臂桁架。

    SOM

    同時,通過虛功原理和力學分析,可以得到在此項目的幾何條件下,K型桁架的效率更高。這也是可以通過拓撲模型,考慮巨柱及核心筒剛度下驗證的。通過多個專業的協作,建筑師的意圖得到了良好的實現,在不影響平面交通流線的情況下,效果上空中大堂顯得高大通透,伸臂桁架體現了建筑整體的骨架感和力量感,因此,這套伸臂桁架的設計較高程度地實現了建筑功能、效果以及結構效率之間的統一。

    伸臂桁架設計的其他探討

    伸臂桁架一般會大大提高該層的剛度,進而控制塔樓的整體剛度,這種設置對于抗風是比較有效的,對于抗震設計而言,由于會產生剛度及承載力突變,因此在設計過程中,應注意控制這種不利,具體表現在剛度控制與強度設計的統一上。

    因此對伸臂形式的選擇需注意,例如混凝土實腹梁伸臂,一般會將梁設置成整層層高,會造成局部的剛度突變,而且由于混凝土受拉性能較差,在水平作用的往復作用下,會產生較為嚴重的破壞,因此并不適用于高烈度區的抗震設計。

    混凝土實腹梁伸臂

    Arup在重慶來福士廣場項目的設計中,南塔樓建筑高度約250m,6度區,鋼筋混凝土結構,該項目該項目高寬比約10,核心筒高寬比約23,通高斜柱,由于剛重比不能滿足要求,設置了三道伸臂桁架。

    ARUP

    在進行伸臂桁架的設計時,討論了很多種結構形式和材料形式,其中還包括伸臂采用SRC的形式的可能性,但是會存在一些問題,例如在往復作用下,混凝土開裂后剛度退化是否存在問題;上下弦桿可考慮借用樓板剛度,但腹桿則不會,在剛度發生退化后,伸臂的內力也會重分配進而影響構件的設計。此外,在伸臂桁架與剪力墻連接的地方,尤其是高區墻體較薄處,節點復雜,此處如果還需要綁扎鋼筋并且澆筑混凝土,這些都是非常困難的。

    ARUP

    在另外兩棟350m的塔樓伸臂桁架設計上,創新性地設計了組合伸臂系統,這套系統包括了位于外框柱上的軟鋼剪切耗能件,從核心筒角部延伸出的混凝土伸臂墻的鋼支撐,以及圍繞核心筒一周的鋼筋混凝土環梁。這套系統的優勢在于,通過系統地設定屈服機制,使得剪切耗能構件在大震下可以起到保險絲的作用,在其屈服后可通過變形耗能保護伸臂及核心筒,而巨大的混凝土實腹墻,提高了結構的整體剛度,保證了結構穩定性及風荷載下的結構剛度。

    重慶來福士廣場350m高塔樓的伸臂系統較常規的伸臂系統,成本上有一定優勢,且相較于使用VFD系統的伸臂,則減少了維護的困難,對于交付后,大廈的管理方是僅需進行簡單的培訓即可,而如若需要對損耗構件進行替換,相較于制成品的VFD,軟鋼更容易采購且加工,為后期維護提供了便利。

    伸臂桁架在施工階段的影響

    由于伸臂桁架跨越核心筒和外框架,因此在施工階段,伸臂的合攏時間會在重力作用下,間接影響到外框、伸臂桁架和核心筒之間的內力分布。在某250m超高層項目的施工模擬分析中,分析了伸臂桁架在不同的時間段合攏對各構件的內力分布影響。這里共考慮了四個工況:

    一次性加載,

    伸臂隨樓層施工,不進行后合攏;

    伸臂在主體施工至下一個加強層時合攏本層伸臂;

    伸臂在塔樓結構封頂時合攏??梢员容^明顯地看出,伸臂桁架合攏之間越靠后,其腹桿內軸力越小,而弦桿的彎矩越大,這是由于伸臂合攏較早的話,其會承擔較多的核心筒與外框之間變形差導致的內力,導致軸力增加,反之,合攏越晚,弦桿會承擔更多的附加彎矩。此外,如果合攏時間過晚,會影響在施工階段塔樓行程整體剛度,因此需要合理地考慮伸臂的合攏時間,一般會滯后15層左右。

    伸臂的節點設計

    伸臂桁架節點復雜,在設計時應當盡量簡化,清晰傳力,在伸臂與核心筒的節點,由于還要連接墻體內的型鋼構件,此處非常復雜,因此常會考慮采用鑄鋼節點。當高區墻體較薄時,需要在方案設計階段即與建筑師做好溝通,避免在局部增加墻厚導致影響建筑功能。

    伸臂桁架的鋼板可穿過核心筒,形成整體桁架,也可不穿越。無論怎樣,伸臂的安裝都存在大量型鋼鋼板構件,在高空分段、分節吊裝焊接,鋼結構工程與混凝土工程大量交叉作業,與核心筒操作平臺發生沖突,影響工期等一系列的施工難題,因此盡量簡化桁架的設計,充分與施工單位的協同配合是非常有必要的。

    小結

    伸臂桁架作為桁架結構體系在超高層中的一種應用,體現了桁架體系本身的高效,同時也隨著設計方法、理論,施工工藝、工法的日臻完善,在結構設計中體現著更大的作用。中國第一個200m以上的摩天樓京廣中心度過自己的而立之年,金茂大廈在去年8月也在上海慶祝了自己20歲的生日,也希望在伸臂桁架這套系統中,今后可以看到更多的創新,以及更廣泛的應用。

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