超高、超长建筑结构设计若干关键技术(傅学怡)
以结构之美擎起建筑之美——记建筑结构设计大师傅学怡
体刚架结构杆件受弯为主的方法。 建成后的“水立 方” 参观者络绎不绝， 受到国内外同行的一致好 评。 获 2011 年国家科学技术进步一等奖、2010 年 国际桥梁与结构工程协会杰出结构 (下转第 6 页)
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协会工作
2013 年第 3 期 总第 193 期
中国勘察设计协会成立行业宣传指导委员会
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2013 年 第 3 期
隐患，还取得了良好的经济效益，大大提高了施工 效率。 这一世界现代建筑设计史罕例分析处理，获 法国标书设计结构工程师及英美专家认同和业主 赞赏，得到了业主、原设计师、审查单位、独立复合 第三方 ARUP 公司的一致认可， 为中国结构界赢 得了国际信誉。 鉴于结构标书设计上述重大失误， 卡塔尔业主已支付总承包中建总公司经济补偿 2 000 万美元，并取消工期延误赔偿金 1 000 万美元。 该项目获得了 2010 年国际混凝土协会特别贡献 奖，2009 年全国优秀结构设计一等奖。
几 乎 是 妇 孺 皆 知 的 “水 立 方 ” ( 国 家 游 泳 中 心— ——2008 北京奥运会场馆)，是傅学怡最难忘怀 的作品。 2003 年到 2005 年，他担任了中建国家游 泳中心设计联合体的设计总负责人， 主持水立方 从方案到施工图、 施工全过程指导的结构设计和 科研工作。 方形“水立方”的蓝色泡泡及复杂空间 结构体现出微观世界的宏观建构， 以宁静祥和的 方式隐喻着深邃的中国传统哲学，与“鸟巢”奥运 主赛场的圆形建筑相呼应，体现中国古代哲学“天
1 2013 年 第 3 期
事，英国注册结构工程师协会资深会员，英国注册 结构工程师协会中国分部主席， 中国工程建设标 准设计专家委员会委员， 中国钢结构协会专家委 员会委员等。 至今仍任深圳大学建筑与土木工程 学院研究员ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ博士生导师的傅学怡，兼任了浙江大 学、哈尔滨工业大学的博士生导师。
中钢国际广场结构设计_傅学怡
六边形外网筒结构横梁刚度弱化角部斜柱扶直强节点弱构件栓钉有效刚度briefofprojectsinosteeltianjininternationalplazaiocatedintianjinxiangluowanbusinessdistrictthisprojecthasoveralibuildingareaof395181m2itiscomprisedoftowertlandt2withathreestorypodiumandfourlevelsofextensivebasementstowert1hasaheightabovegroundleveiof1029meters24storiesandhas65180m2ofbuildingareatowert2hasaheightabovegroundievelof358meters83storiesandhas225370m2ofbuildingareawheretheplandimensionofthestandardfloorisabout53metersbv53metersandaheighttowidthratiois688thestructureoftowert2isansrccoreincorporatedwithanexteriorhexagonalgridtubethepodiumheightabovegroundlevelis16metersandhas11070m2ofbuildingareatheextensivebasementhas93611m2ofbuildingareathecolorrenderingandstructuralmodelofthisprojectareshowninfigure1andfigure2foundationdesignbasedonthesiteconditionsthisprojectfoundationadoptedthedrillpourpileswithpressurecementmortarthepilebearingcapacitiesweretestedbystaticvertical中钢天津国际广场位于天津市滨海新区响螺湾商务区滨河南路滨河西路坨场北道滨河路所围成的地块内占地26666m2总建筑面积395181m2由tlt2两座塔楼3层裙房及4层扩大地下室组成
高层建筑结构设计若干重要问题探讨 傅学怡
百家论坛 建筑结构.技术通讯 2007年5月高层建筑结构设计若干重要问题探讨傅学怡1，2吴 兵2(1 中建国际设计顾问有限公司 深圳 518033；2 深圳大学建筑设计研究院 518060)结合近年来国外震害调查和超限高层建筑结构工程应用研究，作者对我国现行高层建筑结构抗震设计规范、规程中的框架柱剪力调整、框架柱轴压比、框支框架倾覆弯矩、地基基础设计若干重要问题提出了探讨修改意见。
1 框架柱剪力调整1.1 受力需要：框剪结构在小震作用下，弹性计算变形协调所得的框架柱剪力较小；大震作用下，剪力墙、筒体及连梁出现裂缝后，刚度退化，框架柱剪力将大大增加。
1.2 抗震需要：提高结构二道防线的抗震能力。
1.3 现行规范剪力调整计算原则：框架柱层总剪力调整值：)5.1,2.0min(fmax 0V V V f ≥（1） 层i 框架柱剪力调整系数:i f i V V K f f /= （2） 式中，V 0为基底总剪力，V fmax 为框架柱楼层总剪力最大值，V f i 为层i 框架柱总剪力。
如图1所示，层i 框架柱j 的剪力、弯矩相应调整为:⎪⎩⎪⎨⎧==i ij ij iij ij K M K V V f f f f f f （3） 由节点力系平衡，再调整相连层框架梁的梁端剪力和弯矩。
1.4 问题：是否需满足节点力系平衡，即调整相连框架梁梁端剪力、弯矩？1.5 分析：1）框架柱偏压，轴压比控制，其配筋一般由抗震构造控制，柱剪力调整，柱的实际配筋一般未能得到调整增大，实际框架柱承载能力未能得到有效提高。
而框架梁纯弯，梁端弯矩调整，配筋成比例调整增大，实际框架梁承载能力得到明显提高。
2）计算分析表明[7]，构件的最不利受力状态随构件的不同和地震作用方向的不同而不同，仅对相互正交的两个主轴x , y 方向进行内力分析及强度设计，不能真实反映结构的空间强度。
一些算例表明，当地震作用方向与结构的主轴方向一致时，梁处于最不利受力状态，而当地震作用方向与结构主轴方向呈45°时，大多数柱处于最不利受力状态。
论高层建筑设计要素及结构体系
规划设计
论高层建筑设 计要素及结构体 系
韩 文 江
（ 黑 龙 江 ，哈 尔 滨 ，１ ５ ０ ０ ０ １ ）
【 摘 要 】高层建筑结构设计是针对 高 房屋 自重就是在不增加基础造价与处理措 施 承受全部的水平与竖向荷载 ，剪 力墙沿着横 层 建筑特性 的建筑结构设计 ，在 满足安全 、 的情况下可 以增加层数 ，在软弱土层的经济 向与纵 向正交布置或者沿多轴线斜交布置 ， 刚度大 ，整体性好 ，省料。在过 去的地震记 使 用、经济与可行性的要 求下，按照有 关规 效 益十 分 突 出 。 定 ，砷 建 筑 结 构进 行 总体 的布 置 ，技 术 经 济 １ ． ５ 不 能 忽 略轴 向变 形 录中，剪力墙体现 了良好的抗震性能 ，较少 的 前提 下 ，根 据 有 关 的设 计标 准 ， 实 现 建 筑 使用框架体系和框架—— 剪力墙体系 的 发生震害，而 且程度轻 ，住宅与宾馆客房运 结 构 的 优 化 目标 。 高 层 建 筑 中 ，框 架 中 柱 的 轴 压 应 力往 往 大 于 用这一结构体系可 以更好地适应墙体 多，房 【 关键词 】高层建筑 ；设计要 素 ；结构 边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变 形大于 间 面 积 不 大 的特 征 ，而 且 梁 柱 不 会 裸 露 ， 美 体 系 ：适 用范 围 边柱 的轴 向压缩变形 。党房屋过高时，轴 向 观 大 方 。 变形 的差异会达到较大数值 ，与连续梁中间 但是这一结构的墙体多，布置较大房间 前言 支座沉 陷后果相差无几 ，从而使连续梁中间 比较有难度 ，为 了满足一些大面积公用房的 随着城市化进程 的加快 ，全 国的高层建 支座 处的负弯矩值减 小，跨 中正弯矩值和端 需求 ， 以及 在 住 宅 楼 底 层 布 置 商 店 和 公 共 设 筑 迅速 增加，这 在一 定程度上增加 了设计 的 支座负弯矩值 增大。 ’ 施的要求 ，可 以将部分底层或部分层取消剪 难度，现代设计人员要充分认 识到高层建筑 １ ． ６概念设计与理论计算 两手抓 力墙代之以框架 ，形成框支剪力墙结构 。 框 的设计特 点及 结构体系，唯有 这样才 能实现 般我们可以将 抗震设计分 为计算设计 支剪力墙底层柱 的刚度小 ，上下 刚度突变严 设计的先进性，经济合理，安全使用，保证 与概念设计两部分 。设计计算一般都是在假 重 ，发生地震的话底层柱会产 生很大 内力及 质 量 的 原 则 。与 低 层 、 多 层 建 筑 相 比 ，结 构 想 的条件下进行的 ，尽管分析手段有限，但 塑 形 变 形 ，所 以 ，尽 量 不 要 在 地 震 区 采 用框 体 系 的 选 择 关 系 到 建 筑 平 面 的 布 置 、 里 面 体 是原则在不断地提高 ，但是受到地震复杂性 支 剪 力 墙 结 构 形 、楼高 、机 电管道设置及施工工期等等 。 与不确 定性 的影响 ，地基土影响的复杂性与 ３ ｌ ３框 架～剪力墙结构体系 的特 征及适 当前 国内建筑 的四大结构体系 ：框架结构 、 结构 体系 自身的复杂性 ，导致理论分析计算 用 范 围 剪 力墙结构 、 框架一剪力墙 结构和筒体结构 。 与实际状况存在一定差异 ，尤其 是结构进入 在框 架结构 中布置一 定数量 的剪力墙 ， １ 、高层建筑 的设计 要素组成 到弹塑性阶段后，会破坏局部构件 ，此时常 可以形成这一结构 ，这一 结构不仅有框架结 规计算方法 已经无法完成分析任 务。实践表 构的灵活特 点，而且使用 方便 ，同时有较大 １ ． １设计的主要素——水平 力 低层与多层的房屋结构中，以重力为代 明 ，在设计中把握好高层建筑的概念设计 也 的刚度 ，抗震效果好，所以多用于高建筑 的 表 的 竖 向荷 载 控 制 着 结 构 设 计 。 高 层 建筑 则 是 很 重 要 的 。 办公楼与宾馆。 不 然 ， 水 平 荷 载 起 决 定 性 作 用 。 由于 建筑 自 ２ 、离层建筑 的结构体 系分析 ３ ． ４ 简 体 结 构 体 系 重与楼面使用荷载在竖向构件中引起的轴力 ２ ． １高层建筑结构设计 的原则 近年来 ，建筑 的层数 、高度在不断地增 和弯矩的数值 ， 与建筑高度的一次方成正 比； 钢 筋 混凝 土高层 建筑 结 构设 计要 与建 加 ， 以平 面 工 作 状 态 的框 架 、剪 力 墙 组 成 的 但水平荷载对结构产生的倾覆力矩及 由此在 筑 、施工及设备紧密联系 ，达到安全性 、高 高层建筑 结构体 系，无法满足要求 。此时可 竖 向构件引起 的轴力是与建筑高度 的二次方 水平 、经济合理性 ，积极 的应用新技术 、新 以 由剪 力墙构成 空间薄壁简体 ，成 为竖 向悬 成正 比的。另外 ，对特定高度 的建筑来说 ， 工艺与新材料。结构设计 要重视 结构选 型与 臂箱形梁，加密柱子，以增 强梁的刚度，也 竖向荷 载一般 是定值 ，而作 为水平荷载 的风 构造，选择抗震及抗风 性能较好 而经 济合理 可 以形成空间整体受力的框筒，由一个或 多 荷载和 地震作 用，其数值 是随着 结构动力性 的结构体系与平、立面布置方 案，并注 意加 个简 体 为主抵 抗水平 力 的结构 称为 简体 结 的不同而有较大的变化。 强构造连接 。在设计抗震的情况下，要保证 构 。一般可 以将简体结构分为框架一筒体结 １ ． ２ 控 制 好 侧 移 结 构 整 体 的抗 震 性 能 ，使 其 具 备 足 够 的 承 载 构 、筒 中筒结构 、成束筒结构与 巨型结构体 结构侧移是高层建筑设计的关键要素 ， 力与延性和刚度 。 系 ，根据各 自的特征适用于不 同的建筑中 ， 随着高 度的增加 ，水平荷载下结构的侧 向变 ３、常 见 的 高 层 建 筑 结 构 体 系及 使 其 适 在 南 宁市 的地 王 大 厦 采 用 的 是 框 架 一 筒 体 结 形会迅速增加 ， 与建筑高度的 ４次方成正 比。 用 范 围 构；而 上海金茂 大厦则采用 的是具有 良好抗 另外，随着高层 建筑 高度 的增加 ，轻质 ３ ． １框 架结构体系的特 点及使用范 围 风 、 抗 震 性 能 的 筒 中 筒 结构 ； 平面 形 状较 为 材料 的使用，新的建筑形式 与结构 也随之 出 其是 由楼板 、梁、柱及基础 四种承重构 复杂的建筑多采 用的是成束筒 结构 ；而一些 现，侧向位 移增加，在设计中不仅要求结构 件组成 。梁、柱、基础构成平面框架，是主 对灵活性与平面空间要求较 高的建筑 则采用 具有足够的强度 ， 还要具备足够的抗推刚度， 要 的承重结构 ，连系梁将其联系到一起，形 的是 巨型结构体系。 使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规 成空 间结构体系 ，是高层建筑最为常见的结 ４ 、 结束 语 ： 定 限度 内，否则会导致 以下 问题的出现： 构类型之一 。与其他结构相 比，框架结构平 综 上 所 述 ， 以上 所 采 用 的结 构 体 系 是 当 首先 ，侧移会导致 附加 内力 的出现 ，尤 面布置 灵活，可 以获取 空间较大 ，里面处理 前应用较为普遍 的，除此之外 ，还有一些其 其 是竖向构件 ，如 果侧 向位移增加 ，偏心增 简单，结构 自重轻，计算 的理论相对成熟 ， 他的结构形 式，包括薄壳 、悬索 、膜结构 、 加 ，产生 的附加 内力值超过规定值 ，房屋侧 在一定范围内的造价低 。但其也存在不足 ， 网架等 ，不过 目前应用最广泛 的还是框架 、 塌 就 会 出现 。 框架 自身的柔 性大，抗侧力 能力差 ，风荷载 剪力墙、框 架一剪 力墙和简体 四种 结构 。 其 次 ， 增加 了 居住 者 的恐 慌 心 理 。 作用下会产生水平位 移，地震荷载作用下 ， 参考文献 ： 最后是 导致填 充墙或 者建筑装饰 开裂 ， 非结构构件破 坏严重。 ［ １ ］ 胡卫兵 ， 何健 高层 建筑 与高耸结构抗 损坏设备 的管道 ，严重 的情况 下可能导致 电 框架结构多适用 于 ６ 层到 １ ５ 层楼 高的建 风计算 及风振控￣ Ｉ Ｊ ［ Ｍ］ ： Ｉ Ｌ 京 ：中国建材 工业 梯轨道无法运转 ，主体 结构出现裂缝 ，甚至 筑 ，以 １ ０层为最佳 。由于框架结构可以提供 出版 社 ，２ ０ ０ ３ ． 损坏 。 较大空 间，平面布置灵活 ，适合多种工艺与 【 ［ ２ 】 李忠献， 高层建筑结构及其设计理论 １ ． ３ 对 抗 震设 计 要 求 提 高 使用要求 ，被广泛的应用在商店、医院、旅 【 Ｍ】 ． 北 京科 学 出版 社 ，２ ０ ０ ６ ． 有抗震预防设计的高层 建筑 结构，除了 馆 及 学 校 等 场 合 。 １ ［ ３ ］ 傅学怡、 吴兵， 高层建筑结构若干重要 要考虑到正常使用时的竖向荷载 、 风荷载外 ， ３ ． ２ 剪 力 墙 结 构 体 系 的特 点 及 适 用 范 围 ｌ问题探讨［ Ｊ １ ． 建筑机构． 技术通讯，２ ０ ０ ７ ，（ ５ ）． 不 能忽 略 结 构 的抗 震 性 ， 要达 到 小震 不 坏 ，
结构专业工程设计大师
结构专业工程设计大师名录目录结构专业 (1)工程设计大师名录 (1)孙芳垂（已仙逝） (3)容柏生 (4)黄耀莘（已仙逝） (5)吴学敏 (6)林桐（已仙逝） (7)金问鲁（已仙逝） (8)胡庆昌（已仙逝） (9)益德清 (10)黄存汉（已仙逝） (11)林立岩 (12)汪大绥 (13)陈宗弼 (14)程懋堃 (15)江欢成 (16)张维岳 (17)柯长华 (18)任庆英 (19)王亚勇 (20)郁银泉 (21)娄宇 (22)傅学怡 (23)孙芳垂（已仙逝）单位：广播电影电视部设计院毕业院校：南京中央大学（东南大学）孙芳垂，（1920-2011）国家设计大师，1920出生于安徽池州，原广播电影电视部设计院总工程师，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，建设部执业资格注册中心考试命题及评分专家组副组长，中英注册结构工程师资格互认补充考试中方考官。
1944年毕业于国立中央大学工学院土木工程系，1948年留学美国密歇根大学攻读研究生，1949年底回国参加社会主义建设。
1979年7月调到中央电视台筹建处工作。
历任北京市都市规划委员会工程师、北京工业建筑设计院主任工程师、山西运城地区设计室组长、中央彩电中心筹建处总工程师、广电部设计院总工程师。
现为广电设计院顾问、中国建筑学会、中国土木工程学会、北京土木建筑学会会员，中国建筑业联合会工程建设质量监督研究会顾问。
曾参与和主持设计了北京饭店西楼及宴会厅、首都剧场、辽宁电视发射塔、中央电视台彩电中心、中央电视发射塔等数十项重大工程。
1985年被评聘为正高职高级工程师。
1989年获中国工程设计大师称号。
1991年起享受政府特殊津贴待遇。
曾译著出版了《拱及悬吊结构的合理形式》、《扁平砖拱建筑》、《工种规划与设计中的概率概念》三部学术著作，还曾三次获得国家科技进步二等奖。
1982年退休。
注：原广播电影电视部设计院总工程师、国家设计大师、享受政府特殊津贴的知名专家、教授级高级工程师，中国共产党党员，副局级退休干部孙芳垂同志，因病医治无效，于2011年3月4日20时0分，在北京世纪坛医院不幸逝世，享年91岁。
大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容-长沙理工大学
大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容项目名称：大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用；主要完成人：李秋胜，傅学怡，陈伏彬，李宏伟，黄生洪，何运成，卢春玲，闫渤文，阳洋，张明亮，胡尚瑜，义君，舒臻孺，杨鸥；主要完成单位：香港城市大学，湖南大学，宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司，中国科学技术大学，长沙理工大学；申报奖种：科学技术进步奖。
项目简介：结合现场实测、风洞试验、数值计算和理论分析方法，深入系统地研究了大型公共建筑的风效应及相关问题,发展了大跨结构抗风设计的关健技术,研发了多种结构健康监测新设备及新技术,创立了几种大跨建筑结构新体系, 成果已广泛应用于实际工程,产生了重大的经济效益和社会效益。
主要创新1.采用多种监测手段，在东南沿海地区对边界层风场进行了长期的实测，得到了具有重要科学与工程意义的研究结果,建立了多种地貌类别的强/台风边界层风场模型，为结构抗风设计提供了科学依据,填补了国内外空白,已应用于多座大跨度场馆的抗台风设计。
提出了近地风速修正的标准化方法，提高了气象预报及风速统计的准确性。
2.通过多座大跨建筑结构强/台风效应的实测研究，揭示了大跨结构风荷载及风振响应特征，提出了大跨结构抗风设计的阻尼比取值范围，应用于多个实际工程。
3.研发了拥有 14 项专利的结构健康监测新设备及新技术，其性能指标达到了国际先进水平，己国产化生产及广泛应用。
4.在比前人更大的湍流尺度条件下，研究了湍流绕钝体的分离、附着、涡列发生的机理，揭示了钝体表面极值负压产生的机理以及湍流对钝体表面风压的影响,提出的风压概率模型能更准确预测峰值风压，已应用于大跨结构设计。
5.通过大量风洞实验，对大跨结构风致破坏进行了深入研究，揭示了风致内压变化规律及其引起大跨覆盖层破坏的机理,为大跨结构的抗风安全设计提供了科学依据。
提出了大跨结构高精度空间风荷载和风致响应计算及优化设计方法。
成果应用于多项实际工程,取得了重大的经济效益。
大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容-长沙理工大学
大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用项目公示内容项目名称：大型公共建筑抗风关键技术研究与工程应用；主要完成人：李秋胜，傅学怡，陈伏彬，李宏伟，黄生洪，何运成，卢春玲，闫渤文，阳洋，张明亮，胡尚瑜，义君，舒臻孺，杨鸥；主要完成单位：香港城市大学，湖南大学，宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司，中国科学技术大学，长沙理工大学；申报奖种：科学技术进步奖。
项目简介：结合现场实测、风洞试验、数值计算和理论分析方法，深入系统地研究了大型公共建筑的风效应及相关问题,发展了大跨结构抗风设计的关健技术,研发了多种结构健康监测新设备及新技术,创立了几种大跨建筑结构新体系, 成果已广泛应用于实际工程,产生了重大的经济效益和社会效益。
主要创新1.采用多种监测手段，在东南沿海地区对边界层风场进行了长期的实测，得到了具有重要科学与工程意义的研究结果,建立了多种地貌类别的强/台风边界层风场模型，为结构抗风设计提供了科学依据,填补了国内外空白,已应用于多座大跨度场馆的抗台风设计。
提出了近地风速修正的标准化方法，提高了气象预报及风速统计的准确性。
2.通过多座大跨建筑结构强/台风效应的实测研究，揭示了大跨结构风荷载及风振响应特征，提出了大跨结构抗风设计的阻尼比取值范围，应用于多个实际工程。
3.研发了拥有 14 项专利的结构健康监测新设备及新技术，其性能指标达到了国际先进水平，己国产化生产及广泛应用。
4.在比前人更大的湍流尺度条件下，研究了湍流绕钝体的分离、附着、涡列发生的机理，揭示了钝体表面极值负压产生的机理以及湍流对钝体表面风压的影响,提出的风压概率模型能更准确预测峰值风压，已应用于大跨结构设计。
5.通过大量风洞实验，对大跨结构风致破坏进行了深入研究，揭示了风致内压变化规律及其引起大跨覆盖层破坏的机理,为大跨结构的抗风安全设计提供了科学依据。
提出了大跨结构高精度空间风荷载和风致响应计算及优化设计方法。
成果应用于多项实际工程,取得了重大的经济效益。
傅学怡教授-空间结构理念在高层中的应用和发展论文 [兼容模式]
![傅学怡教授-空间结构理念在高层中的应用和发展论文 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/f1de8789ec3a87c24028c4e5.png)
中震基本弹性 大震少量墙肢屈服的性能水准 中震基本弹性、大震少量墙肢屈服的性能水准 得良好的综合技术经济效果 主体结构施工顺利
天津市抗震超限审查一次顺利通过
空间结构理念在高层建筑中的应用与发展
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三 深圳福建兴业银行大厦
3.1工程概况 3.1 工程概况
地处深圳市福田CBD 地处深圳市福田 CBD中心区 中心区 总建筑面积约5 总建筑面积约 5万m2 塔楼主体结构高99.8m 塔楼主体结构高 99.8m 塔楼立面分3 塔楼立面分 3级外凸收进 总高度 总高度121.2m 121.2m 最大收进、外凸达3.85m 最大收进、外凸达 3.85m
又进一步将各层钢梁连接螺栓 又进 步将各层钢梁连接螺栓
空间结构理念在高层建筑中的应用与发展
32
板厚130 板厚 130 设缝断开
板厚400 板厚 400
设超大预应力
原标书设计结构平面 空间结构理念在高层建筑中的应用与发展 33
4.3设计优化与深化 4.3 设计优化与深化
4 3 1 精细化结构自重施工模拟 4.3.1 本工程结构自重占总重70% 本工程结构自重占总重 70%以上 以上 用52 52个计算模型精细化逐层 个计算模型精细化逐层 生成结构 逐层找平找正 发现仅下部环梁受较大拉力 约为标 书设计拉力的2/3 书设计拉力的 2/3 / 静、活载作用下 中上部环梁拉力很小 中 部环梁拉力很小 同时发现在后期附加
空间结构理念在高层建筑中的应用与发展
傅学怡 教授 中建国际设计顾问有限公司
空间结构理念在高层建筑中的应用与发展
1
一 二 三 四 五
前言 天津卫津南路超高层住宅 深圳福建兴业银行大厦 多哈外交部大楼 展望
空间结构理念在高层建筑中的应用与发展
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超高、超长建筑结构设计若干关键技术（傅学怡）中建国际设计顾问有限公司总工程师傅学怡我给大家介绍一下最近我们做的项目中我觉得一些比较关键的技术，主要讲三个内容：一是新高规即将颁布了，其中有一条，在做动力弹塑性分析前，必须要做施工全过程模拟，带着这样一个比较符合实际的重力荷载的工况和状态，进入弹塑性分析。
我在这里讲一下施工全过程模拟与施工控制，以中钢国际广场为例。
二是重力荷载下长期变形以及长期变形的控制，以平安国际金融中心为例。
三是超长结构的温度收缩效应分析与控制，以已竣工的深圳北站为例。
案例：中钢国际广场中钢国际广场将近40万平米，主楼84层，358米，主要特点是在下部1/2高度以下采用六边形编制的窗洞构成外网筒结构，建筑师不允许里面再加柱子，针对六边形外网筒结构我们做了一些工作，下面我把结构构成的情况跟大家说一下。
我们有内筒，底下的厚度是1.15米，到了上面变成500，现在做住宅，只要有楼梯、有电梯都是混凝土墙去封，但是超高层这么去封是不合理的，因为自重就很大了，所以我们把墙相对的集中、对称，同时受力、延性、承载力等方面都会有所改善。
内筒的构成跟国贸三期一样，采用内层钢板，但内层钢板在设计上已经有预留在钢板两翼的混凝土连接的预留孔，预留孔里要放构造、穿芯钢筋，同时钢板上要布置栓钉，栓钉按照钢板剪力墙的主应力，在主应力方向多配，应力小的部位少配。
整个结构的构成，上部是矩形钢管的菱形网格，中部是一个过渡，下部是六边形，上部菱形是酒店，每个房间的窗户正好在中间，窗户上没有构件，下部是六边形网格。
楼面环梁有两种类型，主要是根据建筑的需要，类型1要往里退，玻璃窗才能装。
我们在六边形网筒上做了两件事情，第一件事情是角部斜柱，正六边形应该都是120度，这里把它放大到130多度，它跟直线的夹角改为18度，可以节省钢材，改善受力，这些都经过详细论证。
第二件事是把非楼面横梁做了刚度的优化，国外没有已建工程，但有这方面的方案，六边形是六条边相等的，我们做的是不等的，这里包括两个不等，一是夹角到角部扶正，二是在六边形横梁上刚度适当弱化，六边形横梁相当于剪力墙的连梁，主要是传递水平力，不传递竖向力，因此给它适当地弱化，有利于提高整体结构的延性，同时不改变结构的受力性能。
钢梁是内外筒铰接，外筒和内筒承担的水平力和重力基本上五五开，钢梁铰接，楼板通过栓钉连接，这是模态计算的结果，周期大概是5.9秒，我们算下来过了6秒，在天津地区位移限制就有一点困难，早晨魏总讲到位移和周期的关系，是有一定关系的，我们做了其他的工程，也是注意这个问题。
这是主要振型，可以看到结构的扭转非常好，因为外筒的刚度大。
我想讲一下在中钢这个项目中，我们觉得比较重要，而且技术效果、经济效果比较好的创新点，对于这样一个六边形的网筒，大家都知道，在水平荷载倾覆弯矩的作用下，主要的倾覆弯矩产生的轴力都要跑到角部，因此角部的斜面刚度截面承载力要比中部增大，在这种情况下，由于六边形横梁的跨度非常小，大概是2米多。
六边形结构一个基本点就是必须钢结构，就像早上讲的水立方，在这样的结构上也必须刚接，不刚接，这个结构下沉变形非常大，竖向刚度很弱。
一刚接，带来的问题就是重力荷载的传力不直接，就是由于六边形角部斜柱的截面刚度大于中部，使得中部的重力荷载往角部转移，当我们把角部斜柱的截面加大，转移的就更多，这就是死循环，很难进行设计。
在这种情况下我们就想到了一个措施，能否采取施工措施，把50%以上的结构自重产生的应力不让它转移，来改善六边形网筒结构关键部位构件的承载性能，因为它这部分受的力小了，应力降低了，就为这部分斜柱抵抗中震、大震、风荷载时承受倾覆弯矩留了余地。
我们采取两条措施：第一条措施是跟角部斜柱相连的最后一道楼面水平梁，我们把它两端后接，切断重力荷载传递到角部区的途径；第二条措施是因为上部如果不用措施，上部交叉网筒，因为一部分截面大于另一部分，刚度也是一大一小，力还是要角部转移，我们在过渡区顶部的8根柱子采用后接，把交叉网筒上部40层的重力荷载变到中部去，这两条施工措施有点类似伸臂覆杆后桩措施一样。
对应这个施工措施，我们必须要进行非常慎重的计算分析，第一个分析就是分析它的变形，第二个分析是施工措施对应的施工阶段的结构稳定性和承载力。
我们分析它的变形，可以看到随着下面往上走，竖向位移在增大，最大可达6公分左右，因为你切断了，角部斜柱受的力很小，中部就要往下沉，我们指的位移差是指角部斜柱和中部斜柱后装两点之间的位移差。
根据这个位移差，根据它的竖向位移和水平位移，我们要设计特殊的连接节点，这个钢梁我们是切断，所谓切断并不是施工阶段不装，还是装的，只是我们留出间隙螺栓和间隙，通过间隙螺栓和间隙适应变形，然后等到主体结构封顶再进行连接。
这是我们进行的变形分析以后的节点的变形分析，算出间隙螺栓的孔的直径，算出连接板和钢梁之间的间隙，保证变形可以相融。
其中大家可以看到，我们不是把钢板直接跟柱子接，而是在施工时伸出一个悬臂端，我们称之为“零应力段”，因为一个结构已经生成了，在主结构上动会影响结构的安全，同时也会造成结构的内伤，我们都是采用“零应力段”，大家将来在做工程时这一点要特别当心，我们做大跨度结构，后做的东西必须要有“零应力段”来做后接措施。
主体结构完了以后，这个地方采取贴板连接构成，来承受后期的荷载。
由于中部的斜柱要有下沉，等到施工完了以后，楼面就不平了，这是影响使用的，因此我们就提出了进一步的控制技术，即中部结构在施工时给它一个预留高度和中部斜柱的预留构件长度，在施工图时就把这个说清楚，等到以后上部结构上去，标高预留后，正好两端平了，否则中间就塌下去了6公分，这边角部斜柱不下去，楼板是不好接的。
这样做完以后，整个结构就满足了使用要求，同时我们结合楼面的后浇带，在断的后接的钢梁两边设了楼板的后浇带，让它变形相融，所以整体结构的变形与相融包括了楼板的相融、构件的相融。
第二个施工措施是把上部开掉后装，后装这部分的变形差异主要来自于下部，包括刚才算的上部的荷载，两点之间有竖向位移差，根据竖向位移差，根据转角变形的影响，我们进行拼接段的缝的设计和以后再连接的措施，这个地方拿掉的斜柱并不是施工的时候没有，施工照样装上了。
看一看采取措施以后杆件的应力对比，不采取措施和采取措施，重力荷载项、角部倾柱的轴力自重，产生的轴力弯矩可以有40%左右的下降，这个40%左右的下降是指结构自重之下的，正因为它的下降，从而为结构的抗震、抗风提供了可能，为结构的良性设计提供可能。
角部下降了，中部会有所增加，增加了好不好呢？好，结构受力更加均匀。
施工阶段的稳定，按照这样的施工过程，我们做了全过程结构的稳定性分析和承载力验算，同时我们考虑了10年一遇的风荷载，来进行施工阶段结构的验算，我讲这些东西的含义不能都交给施工单位，施工单位一个模型算完了，死循环，搞不定，交给施工单位是不对的。
第二，重力荷载下长期变形分析控制。
以平安国际金融中心为例，平安国际金融中心的高度调整了，他们想做中国第一高楼，刚才我在下面听他们讲的时候没吱声，现在塔楼的屋面高度是597米，天津117大厦是596米，但业主有这样的要求，塔端高度调到660米，原来是648米。
主体结构的体系基本上是杂交的结构体系，矩形框架加斜撑、核心筒、伸臂，带状桁架九道+带状桁架之间的斜撑，这是矩形框架的基本构成。
第二个构成是斜撑在施工阶段要释放，否则斜撑就会吸收比较多的重力，因为这个点和这个点竖向在重力荷载下有变形的差异，虽然一部分着力会从柱子走，但也有一部分着力会走到斜撑里，我们希望斜撑的工作状态是重力下应力为零，水平递增，风底下受力，就像连梁一样，这样的结构是比较合理的，传力也比较清晰，结构是往好的方向走的。
伸臂一共做了四道，等会儿我要讲到长期变形对伸臂的内力是有影响的，由于长期变形的发展，核心筒和矩柱的着力是在发生改变的，设计时要考虑到安全度。
这是核心筒内部的布置，和中钢一样。
这是核心筒和周边结构的关系，粉红色的是比较新的，也是KPF建筑师提出的，做了一个空间的V形撑，来解决角部重力的局部转移，同时实现一定的解决水平荷载下从覆板往地缘转移的过渡工作，它起到两个作用。
下面讲一下竖向变形长期分析：施工模拟还有重要的两点，我把它简称逐层找平和逐层找正，没有逐层找平、找正，谈不上后面的标高预留和构件长度预留。
找平和找正是任何施工单位都必须做的，在施工过程中，结构在压缩，必须要找平和找正。
同时考虑混凝土的收缩徐变，从刚开始施工开始，一个一个时间节点往下走，算到50年。
这50年是这样的，施工进度是6天一层，即6天一个时间节点，设备及避难层是10天一层，即10天一个时间节点，然后还要考虑到巨柱滞后、楼板同步与滞后、结构安装，这张表就是我们计算整个结构长期变形的时间节点图。
混凝土收缩徐变，我们用欧洲规范，中国规范目前在这方面不是很成熟，我们查了桥梁，它们计算也是用欧洲规范。
同时考虑含钢率，含钢率在里面大概有20%~30%左右的影响。
因为结构基本对称，重力荷载下对称性还可以，我们就考察核心筒的角点和矩柱，竖向累积变形50年以后最大的变形大概是20公分，其中各个楼层的竖向变形是不同的，底部楼层等于零，顶部由于我们逐层找平、逐层找正，施工阶段变形很小。
中部很大，但是随着时间的推移，混凝土的徐变和收缩不断地进展，后期上部的变形会下来。
这是我们截出来的主要变形图，从该图可以看到几条：一、使用1年基本上和使用20年、30年差别很小，基本上是80%以上，因此我们后面提到的层高预留和构件长度预留都是以一年为准，我们反算过这个方法，一年以后就是达到原设计标高。
可以看到在前期、后期，徐变收缩和弹性变形所占的比例，核心筒的徐变收缩所占的比例会大，因为矩柱的含钢率是从6开始，到4，核心筒的含钢率大概是在2左右。
它们的应力水平，我们控制基本是接近的，但因为含钢率的不同带来不同。
正因为这样，矩柱的核心筒竖向是有变形差的，这个变形差各层、各年都不一样，部位也不一样，我们捕捉了最大的变形，发现对伸臂结构产生的附加应力最大可达14%。
与此同时，底部矩柱的着力，由于它的含钢率高，会随着时间的推移有所增加，核心筒会有所减小，所以矩柱的设计要留有余地。
在矩柱里面的型钢和混凝土，考虑了徐变收缩以后，型钢应力要增加，混凝土应力会退化，这些都需要复核。
楼层标高施工预调：我们已经让施工逐层按设计标高走，但是整个结构在继续下沉，特别是在后期徐变收缩下，结构要继续下伸变形，我们根据刚才前面分析的内容，提出了“层高施工预调”的理念，现在图纸就按照这个出，每层给出一个层高预调量，同时伴随着层高预调，构件的长度要预留，否则层高预调调不出来，根据前面计算的结果，构件长度预留有一系列方法，层高不是均匀的，层高高的地方是6毫米，层高在4.5米左右的，大概是2~3毫米。