卡塔尔某超高层建筑结构设计研究综述

卡塔尔某超高层建筑结构设计研究综述

张明龙

身份证号码:4404021988XXXX9099

摘要：在卡塔尔多哈一座超高层写字楼中，使用的是一种新型的带钢框架的新型建筑，其结构设计与施工中遇到了许多新问题。从结构的设计思想，混凝土的徐变效应，荷载的作用；构造模拟和自复位产生的全过程，环形梁局部预应力，交叉柱破坏，防止了连续坍塌；对交叉柱的节点承载力、温度收缩效应、交叉斜柱以及整个建筑的失稳稳定性进行了全面的调查和分析，最终确定了法国工程师对本工程的招标方案中，由于交叉柱的节点承载力不足，混凝土斜柱的徐变变形不一致，造成了主体建筑的倾斜，因此，对其进行了几项重要的技术改造，如：下部北部柱横截面为中空，交叉柱节点内加钢板凳，将环梁的超预应力换成了局部预应力，从而获得了显著的技术效果和经济效果，保证了工程的安全，使其得以继续进行正常的建设。

关键词：超高层建筑结构设计;外网筒结构;交叉柱节点

引言：临近卡塔尔的一栋超高层大楼，坐落在卡塔尔多哈，紧邻多哈湾，是一栋4层、44层、4层、44层的主楼；屋顶为一半径33米的钢制圆顶，上方有27米高的井架，高度为231米，占地面积10万平方米；它是由全球知名的法国建筑师 John Novel进行独创性的设计，它的整个建筑形式简单、朴素，充满了阿拉伯民族的特点。天花板的宽度在33米左右，每一层的面积都在逐渐变小。每个斜柱体都以一个直径逐渐变小的螺旋形向上弯曲成一条直线。斜柱横断面直径从底部1.7米增加到顶部0.9米。横向斜支柱每4个楼层交叉一次，柱中心线的交叉处在楼层平面上，角度大约为48度，环梁，楼板，每一楼层均与斜支柱相连。北侧1-28楼的入口处没有楼层，是一个游览升降机的天井，南侧的一半是一个有130毫米混凝土面板的工字钢-梁式复合地板；东西向均为300毫米厚度的现浇板。地板的中心从外部的网筒的中心向南移动1.25 m，在南部的地板上有3.5-5 m的悬挂，在北部的地板上没有悬挂。

一、超高层建筑结构设计要点

（一）重力荷载增大

与普通结构相比，其自重荷载将大大增加。因此，在工程实践中，如何有效地控制结构自身的横向变形，就成了工程实践中的一个关键问题。与一般的建筑物相比，超高层建筑物具有独特的特征，因此，在进行建筑物的构造设计时，也要突出其特征。因为建筑物的高度比较高，因此，随著楼层的增加，其自重常呈线性增加的倾向，其所受的力也随之增加；同时，建筑物的高度也增加了风力的大小，从而影响了建筑物的性能。随着超高建筑高度的增加，其中心位置也会被提高，因此，建筑结构的自重也会相应增加，会因外部压力而造成薄弱部位的损伤。

（二）缩短变形差增大

在建造的时候，变形是一个非常关键的问题。应力作用下的变形一般是在一秒钟内就可以实现的，而干燥收缩却要花更多的时间。通过与有关资料的比较可知，通常，干缩变形约占总压缩的30%。这就会造成在结构设计的时候，因为超高建筑自身的特性，造成了压缩变形差，从而对建筑结构本身造成了一定的影响，而且是逐步增大的。要在接下来的建筑设计工作中，有效的考虑并解决这一问题，以达到更好的施工效果。

（三）覆盖力矩增大

随着工程建设的进行，受荷载作用的影响越来越大，对工程建设的安全与稳定提出了更高的要求。由于超高层结构本身的特殊性，使得其施工时一般都是越建越高，其所受的荷载越大。这就要求在建筑设计过程中，要考虑到与其有关的受力性能工作，并尽可能地运用各种技术方法，使建筑物自身的稳定性得到最大程度的保证，达到稳定要求；增强了大楼的安全性和稳定性。

（四）风振加速度增大

一般来说，随着海拔的上升，风的活动倾向于增强。对于超高层结构，其风效应尤其显著，不仅会对人们的舒适性产生不利的影响，而且还会对人们的正常工作和生活造成不利的影响。因此，在设计工作中，应当很好地协调和均衡速度与风速对舒适性的影响，才能顺利地进行设计工作。例如，要严格控制顶部的加速度，使其符合相关的标准，并对其加固；展开控制设计工作，使结构设计的优点充分发挥出来，使建筑的施工效果达到预期。

二、标书设计潜在隐患

(1)投标文件中没有考虑到在建筑荷载作用下的建筑仿真。因为该项目的重量超过了整个建筑物重量的70%，并且在结构重量的作用下，南北两个倾斜柱轴力相差很大，所以，该项目的重量是一次性的，而不是一次性的。使上层楼板在自重的情况下，增大了圈板的拉力，使上层楼板产生了拉现象，使上层楼板产生了变形。

(2)投标文件的构思是以加强环形梁为目标，按照BS8110CLASS1的规范，在环形梁上施加2倍于环形梁的轴向张力的超级预应力；这就造成了在环形梁外环上设置了大量的预应力钢筋，使得环形梁外环上的吊板层厚度增加到400 mm，从而增加了南部斜支柱的轴向压力。

(3)为了防止穿孔工字钢梁压弯，过度的预应力会造成环形梁在较长时间的压力下承受较大的压力，同时由于混凝土的徐变和收缩，环形梁和连接的网格管会继续往里压缩；在投标中，将复合楼盖与外围的环梁、内筒分离，设置可滑移支撑，降低了整体承载能力，降低了复合楼盖的整体承载能力。

(4)根据投标文件的规定，因自重与网眼中心不一致，在自重加载时，南、北两个斜支柱的轴向压力有很大差别，南、北两个斜支柱的轴向压力大约是北、南两个斜支柱的2倍左右。在这种荷载作用下，由于立柱的轴向应力存在着很大的差别，从而造成了南向和南向的倾斜，因此，投标人没有充分考虑到立柱在这种荷载作用下，立柱的轴向应力存在着很大的差别，从而造成了南向倾斜。南、北两个方向的柱子在相同断面大小、相同配筋率的情况下，仅仅进行了单纯的加固。在对施工模拟进行补充的基础上，针对标书设计原结构进一步的徐变效应进行了计算分析，结果显示，在重力载荷作用下20年后，该结构顶层的最大水平位移值 A将可能达到282 mm，而南北侧斜柱顶点垂直位移差 A将达到114 mm。整体构造将显著地朝南方倾斜。这种倾斜是随着基本不变的长期重力荷载和混凝土徐变而逐步发展而来的，它是不能被复原的，与几率很小的飓风、地震动态荷载作用所导致的瞬间可回复的弹性变形完全不一样，它比电梯运行最大缝隙要大150 mm，会对建筑物的正常使用产生很大的危害，还会给建筑带来很多的安全隐患。

三、调整设计改进建议

(1)在无荷载情况下，对土体进行整体的整体施工仿真，并对土体进行分层平整、分层校正。研究发现，当采用全自重标准载荷时，环形梁受力最大可从7500 kN降低至5000 kN。

(2)为了使楼面与网筒和内筒保持良好的连接，使网筒和内筒相互配合，使网筒和内筒的最大张力降低20%。

(3)据此，在环梁的结构中，引入局部预应力的“中度增强”概念，使其具有适当的张紧力，使其在工作时不产生裂纹；将裂纹宽度控制在0.1 mm以下，也就是BS8110CLASS3的标准，这样就可以将预应力钢筋的数目大大降低9%，可以将预应力钢筋仅设置在一个环梁断面中，并在悬臂处使用梁板结构，将板厚调节到130 mm；吊杆体系的重量大幅度降低，光是这一点，整个建筑的重量就降低了7000吨，这对降低南北两个方向上的角柱轴力以及角柱轴力的差别是很有帮助的。

(4)将1-28楼北边一至28楼的实体圆断面，改为中空圆环断面，以减少南北斜柱在自重下受压时的压力值差别，同时保持同一楼斜柱的横截面积不变，并采用清水混凝土。在保证承重能力的条件下，将斜柱的配筋比例统一调整到2.7%，同时将北部28楼及更高楼层的斜柱的配筋比例适当降低到2%。通过对不同荷载作用下的蠕变影响进行了数值模拟，得出了20年后上部荷载作用下的最大水平位移量。可以下降到145毫米。南北两个斜柱的顶点垂直位移差 A可以降低到64 mm，从而避免了因过度南倾而造成的严重危险。

结论：卡塔尔某高层建筑采用的现浇混凝土斜柱交叉构成的外网筒结构是一种新颖的超高层结构，这种结构的设计相当复杂，通过本工程的设计研究，可以得到以下的结论：

(1)外网筒提供了主要的抗侧力刚度，抗震、抗风性能优异；

(2)斜柱交叉节点交界面受力面积大幅减小，交界面处存在明显应力集中现象，交叉节点是网筒结构设计的关键所在。节点内设钢板凳是一种比较有效的加强措施；

(3)施工模拟计算十分重要，它不局限于结构自重，预应力、温度作用等均应进行施工全过程的模拟计算；

(4)长期重力荷载作用下，混凝土的徐变效应，将使竖向构件压应力水平不均衡的高层及超高层建筑结构出现较大的水平位移，影响使用，造成安全隐患，应予以重视解决；

(5)通过整体结构屈曲分析，可得到网筒结构中交叉柱合理的计算长度；

(6)本工程研究提出的保留初始态、确定倒塌荷载和采用屈服承载力的结构抗连续倒塌设计概念和方法，可供参考。

参考文献：

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