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巨型柱的挑战与应用

发布日期:2019-9-7 9:03:00

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。

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。
案例分析:天津高银117项目先容

先容:天津高银117大厦位于天津西青区高新技术产业园,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、超五星级豪华酒店、观景台、特色酒吧、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。抗震设防烈度为7.5度,是世界上抗震设防7.5度首个超过590m的建筑物,有多项技术难题属于国内首次遇到,甚至是世界上第一次遇到。天津高银117项目中的巨柱地上部分首层横截面积达到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,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。

先容两个人:
张义元,男,1981年生,高级工程师,国家一级注册结构工程师,硕士学历。长期从事房屋结构设计工作。

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)

巨柱
天津高银117采用了巨型支撑框架外筒+核心筒结构体系,外框结构所承受的侧向荷载极大,主要为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。巨柱布置在建筑的四角,决定整个大楼的安危,单柱截面积超过45平方米,是世界上首个超过30平方米的柱子,房屋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,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,该巨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,自从美国911事件以来,对主要结构构件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。在具有以上能力的同时,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。


 天津高银117de 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。

该类型巨柱也有其缺点。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?该钢骨巨柱的延性是否能够满足要求?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。经过多次构件校核计算,采用多边多腔柱截面形式后,巨柱的柱承载力、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。

 天津高银117de 思考
多边多腔钢筋混凝土柱是在以上类型的柱截面基础上发展而来,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,避免大体量的钢筋混凝土出现,多腔对混凝土形成复合周边约束,提高了对混凝土的周边约束力,也提高了巨柱整体的延性,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,进一步提高柱的延性,在外筒钢管壁局部屈服后,芯柱仍有很高的承载力。设置钢筋笼芯柱后,对施工工艺要求较高,需要组织精心施工。
 巨柱的展望
据统计,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、抗震的双重要求;另外,多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱的外轮廓不限于传统的圆形、矩形,更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。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、工程师面临的巨大挑战,同时也是更好机遇。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、异形建筑如雨后春笋般蜂拥而至。多边多腔钢管钢筋混凝土柱堪称工程界智慧的结晶,其以极高的承载力、抗震能力及较好的建筑贴合度,为超高层建筑的性能提高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。



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