高層金融建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)論文
一、高層金融建筑。
隨著現(xiàn)代金融業(yè)的高速發(fā)展，普通的金融類辦公樓已經(jīng)很難滿足日益增長的需求。伴隨著金融業(yè)發(fā)展的正是現(xiàn)代高層金融建筑的飛速發(fā)展，那么比之于傳統(tǒng)的金融建筑，高層金融建筑有什么突破呢？ 現(xiàn)代高層金融建筑大都位于都是繁華地，是金融的集中體現(xiàn)，有時甚至是地區(qū)的標(biāo)志性建筑。建筑整體趨于體量高大、功能設(shè)計(jì)多樣化、結(jié)構(gòu)全能化、技術(shù)更加創(chuàng)新。由于層數(shù)更多，在建筑設(shè)計(jì)上要面臨諸多問題，例如，建筑的沉降、消防安全、抗震以及風(fēng)荷載等等。高層金融建筑在設(shè)計(jì)之初，就要考慮所有可能出現(xiàn)的問題。本文將以上海環(huán)球金融中心大廈為例，針對高層金融建筑的問題進(jìn)行探討和分析。
該建筑位于上海浦東新區(qū)陸家嘴核心地段，總建筑面積達(dá) 38.16 萬平方米，樓高 492 米。共 101 層，地下 3 層~地下 1 層約有 1100 個停車位，地下 2 層~地下 3層為商業(yè)設(shè)備，3 層~5 層為會議室，7 層~77 層為金融商業(yè)寫字樓，在 79 層~93層是超五星級的賓館，94 層~101 層設(shè)計(jì)為旅游觀光層，在 472 米高的是世界最高觀光廳--觀光天閣。與在建的上海中心大廈和金茂大廈形成“三組鼎立”的局面。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)（SRC 結(jié)構(gòu)）以及剛結(jié)構(gòu)（S 結(jié)構(gòu)），巨型柱、巨型斜撐和周邊帶狀桁架所構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu)體系支撐著之歌巨型大廈。
二、高層金融建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1、基本設(shè)計(jì)參數(shù)。
根據(jù)對巖土的勘察報(bào)告中指出，該地區(qū)的土質(zhì)分析，土質(zhì)中含有大量粘土，形成于淺海相堿性水介質(zhì)環(huán)境，PH=8 左右。所含礦物質(zhì)化學(xué)成份的硅鋁率K=6.0524. 對該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為 50 年，要求一級的安全等級，設(shè)置 7度的抗震設(shè)防烈度，規(guī)定周期為 0.9s 的場地特征，建筑場地的類別要求至Ⅳ類，對基本地震加速度設(shè)為 0.1g,達(dá)到了類別為乙類的抗震設(shè)防類別，設(shè)計(jì)地震分組的第一組。
2、結(jié)構(gòu)體系。
（1）上部結(jié)構(gòu)之巨型支架。
該建筑在建筑工程的上部結(jié)構(gòu)采用三重抗測力的結(jié)構(gòu)體系，巨型支架、核心筒以及外伸臂的結(jié)構(gòu)，是絕大多數(shù)高層建筑都采用的結(jié)構(gòu)體系。其中材料測試采用穩(wěn)固性更強(qiáng)的混合結(jié)構(gòu)--鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土。巨型支架的主要框架是由巨型柱為主要結(jié)構(gòu)柱，巨型柱是鋼骨混泥土的組合結(jié)構(gòu)，鋼骨的截面是用熱軋性鋼或是焊接形成的，位于整棟建筑法的主要外部角落，可以極大地抵抗來自地區(qū)風(fēng)和地震的荷載。輔以巨型斜撐為主要斜撐，這里的巨型斜撐是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其截面是由而兩塊的大型豎向翼緣板和兩塊水平放置的連接腹板共同組成。
（2）上部結(jié)構(gòu)之核心筒。
該建筑中特殊的周邊帶狀桁架，從大樓的底部向上延伸，高度有一層樓高，是由焊接箱截面和熱軋寬翼緣型的鋼架組成。這些帶狀桁架從側(cè)面減少了高層相鄰兩柱之間的垂直位移，同時也為結(jié)構(gòu)整體消化了內(nèi)部的多重重力擠壓。采用鋼筋混凝土的核心筒是大樓的核心支撐，79 層以上海采用了帶混凝土的端墻設(shè)計(jì)的鋼支撐核心筒。這主要是由于建筑在平面上的限制，所以在內(nèi)部核心筒的 57~61層到 79 層進(jìn)行了更換，采用倒插三層的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了防止出現(xiàn)錯位，還在搭接的所有樓層部位加強(qiáng)了樓板厚度，也有利于荷載在各部位之間的有效傳遞。
（3）上部結(jié)構(gòu)之外伸臂。
為了連接核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱，在外圍構(gòu)架了桁架結(jié)構(gòu)，是該建筑的外伸臂，有巨型柱和混凝土核心筒相連腳部之間的三層樓高的連接桁架構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)主要是解決建筑布局中無法達(dá)成外伸桁架直接通過核心筒的問題，所以，在設(shè)計(jì)時，在墻中埋置一道環(huán)裝的圈桁架，滿足外伸桁架所需要的后座跨力。
1、樓面體系的構(gòu)建。
考慮到標(biāo)準(zhǔn)承租層的各種樓面體系，該建筑采用了兩種類型的鋼承板組合式的樓面，由較薄一面 2W 和較厚一面 3W 樓面體系組合而成。在設(shè)備層以及相鄰上面一層的對外承租層使用的是較厚的鋼承板樓面，厚度為 200mm,是為了改善這一塊承租設(shè)備層的隔音效果。在樓體 79 層~93 層的賓館層則是采用 200mm 厚的另一種混凝土的樓面。
2、主樓頂部。
樓梯的幾何設(shè)計(jì)延伸到樓頂，完美呈現(xiàn)刀鋒式的構(gòu)架。該建筑在設(shè)計(jì)之初，就考慮到主樓頂部的最大特色的圓形缺口要安裝觀光軌道車系統(tǒng)。主樓的頂部空間承載著軌道系統(tǒng)，是該軌道系統(tǒng)的支撐框架。支撐框架的材料大部分采用管狀截面的桿件，節(jié)省了軌道車系統(tǒng)在空間上的占有率，同時還能使其安全的裝在鋼管構(gòu)成的框架上。
3、設(shè)計(jì)中特殊問題的解決。
在設(shè)計(jì)分析整體結(jié)構(gòu)的彈塑性時程時采用了兩種新的非線性的宏觀單元，一種是傳統(tǒng)的梁柱單元，另一種則是墻單元。兩種不同的宏觀單元同時通過相同編制高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性時程的分析程序來對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步彈塑性的動力時程分析，將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。另一方面，對結(jié)構(gòu)型進(jìn)行靜力的'彈塑性分析整體鋼結(jié)構(gòu)、混凝土梁柱以及斜撐，將建筑的核心筒假設(shè)為殼單元，利用程序 SATWE 等進(jìn)一步分析扭轉(zhuǎn)、風(fēng)荷和地震對其作用。
三、新技術(shù)分析探討。
1、振動臺設(shè)計(jì)。
考慮到該建筑所處的位置以及地下土層，以及結(jié)構(gòu)體系建筑的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了模型化的建筑整體結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)，提出了簡化的模型方法。選取縮小尺寸的模型進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，利用系統(tǒng)程序 ANSYS 對簡化的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，得出結(jié)果并測量抗震性，驗(yàn)證建筑整體的可行性。在模型的測量中，利用相似關(guān)系設(shè)置震動參數(shù)，確定相似比，利用建造的相同材料和對照同樣的施工條件，在類比相似的條件下對建筑的模型進(jìn)行 1:1 的測量，最后收集所有數(shù)據(jù)，整合到系統(tǒng)程序中得出結(jié)果。
2、風(fēng)荷載研究。
該建筑處于風(fēng)力季節(jié)性的地區(qū)，為了得出其風(fēng)力對建筑的影響，對建筑表面常態(tài)和動態(tài)進(jìn)行了壓力試驗(yàn)，以及風(fēng)環(huán)境的進(jìn)一步測試分析。設(shè)定了風(fēng)荷載即風(fēng)速達(dá) 43.7m/s,阻尼比為 2%,還考慮到周邊環(huán)境的未來設(shè)定，進(jìn)一步的風(fēng)荷載即風(fēng)速達(dá) 46.3m/s,阻尼比為 2.5%的設(shè)定，對建筑的將來承受進(jìn)行測定。
四、總結(jié)。
目前越來越多的高層金融建筑涌現(xiàn)，上海環(huán)球中心的建造于設(shè)計(jì)令人嘆為觀止。關(guān)于高層金融建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新，不斷地刷新、打破前面的歷史記錄，對于新技術(shù)，人們一直在進(jìn)一步的探索，同時在大量的數(shù)據(jù)測定之后應(yīng)用到高層建筑中，構(gòu)成今天我們所看到的一棟又一棟摩天大樓。
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