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1、超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱 设计与建造技术 二0一六年十一月 目 录目 录 Click to add Title第二章：课题主要研究内容 Click to add Title第四章：实施效果及综合效益 Click to add Title第一章：课题简介 Click to add Title第三章：成果技术水平及主要创新点 第一章 课题简介第一章 课题简介 1.1课题研究背景1.1课题研究背景 （1）钢管混凝土柱结构的发展与应用（1）钢管混凝土柱结构的发展与应用 19世纪80年代 英国铁路桥 主要用于钢结构内 壁防锈 20世纪上半叶 桥墩、栈桥、输电 塔 主要增大钢管柱的 承载力 20
2、世纪下半叶至今 超高层建筑外框巨 柱 具有承载力高、抗 震性能好、提高结 构的抗侧移刚度等 特点 1.1课题研究背景1.1课题研究背景 （2）国内在建超高层结构体系及巨柱截面情况（2）国内在建超高层结构体系及巨柱截面情况 序 号 项目名 称 高度（层 数） 巨柱类 型 根数 （根） 最大截面 尺寸（m） 最大截面 积（） 支撑桁架设置 1 广州东 塔 530m （112层） 矩形钢 管柱 83.55.619.6 4道伸臂桁架+ 6道环带桁架 2 深圳平 安 648/540m （104层） 钢骨柱83.26.52520.88 4道伸臂桁架+ 7道环带桁架 3 上海中 心 632/580m （12
3、4层） 钢骨柱83.75.319.61 4道伸臂桁架+ 8道环带桁架 4 武汉绿 地 636/575m （125层） 钢骨柱123.34.615.18 4道伸臂桁架+ 10道环带桁架 5 天津 117 597m （130层） 六边形 钢管柱 4 2 2 822.3/11. 2335.233 序 号 项目名 称 高度（层 数） 巨柱类 型 根数 （根） 最大截面 尺寸（m） 最大截面 积（） 支撑桁架设置 1 广州东 塔 530m （112层） 矩形钢 管柱 83.55.619.6 4道伸臂桁架+ 6道环带桁架 2 深圳平 安 648/540m （104层） 钢骨柱83.26.52520.88
4、4道伸臂桁架+ 7道环带桁架 3 上海中 心 632/580m （124层） 钢骨柱83.75.319.61 4道伸臂桁架+ 8道环带桁架 4 武汉绿 地 636/575m （125层） 钢骨柱123.34.615.18 4道伸臂桁架+ 10道环带桁架 5 天津 117 597m （130层） 六边形 钢管柱 4 2 2 822.3/11. 2335.233 109（含 翼墙） 45（地上） 无伸臂桁架+ 109（含 翼墙） 45（地上） 无伸臂桁架+ 9道环带桁架9道环带桁架 在最近十年，随着超高层建筑不断涌现，钢管混凝土组合柱越来越多 应用于超高层建筑中。 1.1课题研究背景1.1课题研究
5、背景 （3）钢管混凝土柱优势（3）钢管混凝土柱优势 承载力高，延性 好，抗震性能优 越 有利于钢管的抗 火和防火（内部 混凝土可吸收大 量热量） 耐腐蚀性能优于 钢结构（内部浇 筑混凝土，减少 与外界空气接触） 施工方便，节省 工期（不需支、 拆模板） 1.2依托工程简介1.2依托工程简介 建筑面积：建筑面积：84.7万m84.7万m2 2 结构高度：结构高度：596.5m596.5m，建筑高度：，建筑高度：597m597m 由117办公楼及裙楼、总部办公楼、商 业廊及精品商业等组成，是集 由117办公楼及裙楼、总部办公楼、商 业廊及精品商业等组成，是集精品商 业、甲级写字楼、餐饮娱乐 精品商
6、 业、甲级写字楼、餐饮娱乐和和六星级 酒店 六星级 酒店于一体的综合性特大型超高层建 筑群。 117办公楼地下3层(局 部4层)，地上共 于一体的综合性特大型超高层建 筑群。 117办公楼地下3层(局 部4层)，地上共117层117层(含设 备层共 (含设 备层共130个结构层130个结构层) ，塔 楼首层建筑平面尺寸约 65m65m，4200，以 0.88渐变至顶层时平面尺 寸约45m45m，2100 。 ) ，塔 楼首层建筑平面尺寸约 65m65m，4200，以 0.88渐变至顶层时平面尺 寸约45m45m，2100 。 1.3课题的提出及研究重难点1.3课题的提出及研究重难点 （1）课题
7、的提出（1）课题的提出 超高层建筑外框柱的结构形式以钢管混凝土柱和劲性混凝土柱居 多，钢管混凝土柱因受力性能好、经济、施工方便而被广泛使用。钢 管混凝土柱截面一般有圆形、矩形两类，截面面积一般在10以内。 天津117大厦建筑方案设计之初， 超高层建筑外框柱的结构形式以钢管混凝土柱和劲性混凝土柱居 多，钢管混凝土柱因受力性能好、经济、施工方便而被广泛使用。钢 管混凝土柱截面一般有圆形、矩形两类，截面面积一般在10以内。 天津117大厦建筑方案设计之初，建设单位对建筑外立面提出了 开阔视野、简洁明朗的要求，在满足建筑外立面效果的前提下，外框 必须采用少柱，框柱数量减少势必会增大钢管柱截面， 建设单
8、位对建筑外立面提出了 开阔视野、简洁明朗的要求，在满足建筑外立面效果的前提下，外框 必须采用少柱，框柱数量减少势必会增大钢管柱截面，而600米超高 层建筑，结构自重巨大，且风荷载、地震荷载作用下，钢管柱截面将 发生巨大变化，巨型钢管柱在设计、施工都缺乏相关经验的积累和借 鉴，而其受力的安全性、施工质量对工程建设至关重要。 针对巨型钢管混凝土柱设计与施工的复杂性及应用现状，同时确 保天津117大厦巨型钢管混凝土柱的成功实施，特成立超高层结构 复杂截面钢管混凝土巨型柱设计与建造技术课题研究小组。 而600米超高 层建筑，结构自重巨大，且风荷载、地震荷载作用下，钢管柱截面将 发生巨大变化，巨型钢管柱
9、在设计、施工都缺乏相关经验的积累和借 鉴，而其受力的安全性、施工质量对工程建设至关重要。 针对巨型钢管混凝土柱设计与施工的复杂性及应用现状，同时确 保天津117大厦巨型钢管混凝土柱的成功实施，特成立超高层结构 复杂截面钢管混凝土巨型柱设计与建造技术课题研究小组。 1.3课题的提出及研究重难点1.3课题的提出及研究重难点 （2）研究重难点（2）研究重难点 1、巨型截面是否适用尚不清楚，且相关规范中巨型截面钢管混凝土柱承载力计 算 1、巨型截面是否适用尚不清楚，且相关规范中巨型截面钢管混凝土柱承载力计 算没有现成的公式可以借鉴。没有现成的公式可以借鉴。 2、天津117大厦巨型柱内混凝土强度达到C7
10、0，最高泵送高度达到583.660m，要 求混凝土必须具备自密实、低收缩、低水化热等综合指标。为确保现场施工质量， 必须 2、天津117大厦巨型柱内混凝土强度达到C70，最高泵送高度达到583.660m，要 求混凝土必须具备自密实、低收缩、低水化热等综合指标。为确保现场施工质量， 必须解决混凝土高强与低水化热、低收缩之间的矛盾，低水化热、低收缩与自密实 性能之间的矛盾，自密实性能与低粘度之间的矛盾，低粘度与高强之间的矛盾。 解决混凝土高强与低水化热、低收缩之间的矛盾，低水化热、低收缩与自密实 性能之间的矛盾，自密实性能与低粘度之间的矛盾，低粘度与高强之间的矛盾。 3、本工程巨型钢管混凝土柱截面
11、为六边形，非圆钢管，混凝土初凝前对管壁侧 压力影响大，易造成局部变形。巨型柱混凝土施工期经历冬季与夏季，施工环境差 异大，且泵送压力达到15MPa以上， 3、本工程巨型钢管混凝土柱截面为六边形，非圆钢管，混凝土初凝前对管壁侧 压力影响大，易造成局部变形。巨型柱混凝土施工期经历冬季与夏季，施工环境差 异大，且泵送压力达到15MPa以上，在复杂气象条件及高压作用下混凝土工作性能 易造成不利影响。 在复杂气象条件及高压作用下混凝土工作性能 易造成不利影响。 4、巨型组合截面柱组拼单元多，大部分单元都存在三个方向的拼接焊缝，部分 核心单元同时存在上、下、四周六个方向的焊缝。焊缝纵横交错，焊接填充量巨大
12、， 若焊缝顺序不当， 4、巨型组合截面柱组拼单元多，大部分单元都存在三个方向的拼接焊缝，部分 核心单元同时存在上、下、四周六个方向的焊缝。焊缝纵横交错，焊接填充量巨大， 若焊缝顺序不当，焊接过程中的焊接收缩势必会带来较大的焊接残余应力，对工程 的质量造成影响。 焊接过程中的焊接收缩势必会带来较大的焊接残余应力，对工程 的质量造成影响。 5、巨型柱采用了超大截面多腔体钢管混凝土柱，节点处柱内设置了密集的水平 横隔板和纵向加劲肋，混凝土浇筑的密实度、钢管壁与混凝土之间的粘结性能受到 不利影响，钢管混凝土柱截面大幅增大对混凝土检测带来难题， 5、巨型柱采用了超大截面多腔体钢管混凝土柱，节点处柱内设置
13、了密集的水平 横隔板和纵向加劲肋，混凝土浇筑的密实度、钢管壁与混凝土之间的粘结性能受到 不利影响，钢管混凝土柱截面大幅增大对混凝土检测带来难题，必须采取新手段对 钢管柱中混凝土的浇筑质量以及钢管与混凝土的粘结性能进行必要的检测与评估。 必须采取新手段对 钢管柱中混凝土的浇筑质量以及钢管与混凝土的粘结性能进行必要的检测与评估。 第二章 课题主要研究内容第二章 课题主要研究内容 2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究 （1）研究背景（1）研究背景 特点:结构中大量使用特点:结构中大量使用钢-混凝土组合构件钢-混凝土组合构件，结构体系也以钢-
14、混凝土混 合结构体系为主。 ，结构体系也以钢-混凝土混 合结构体系为主。 底部轴力巨大、柱截面形式越来越复杂。底部轴力巨大、柱截面形式越来越复杂。 理论研究还不完善，设计方法也不够成熟。理论研究还不完善，设计方法也不够成熟。 上海中心上海中心 深圳平安深圳平安广州东塔广州东塔天津天津117 2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究 （2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究 1）结构竖向构件的平面布置位置 结构竖向构件的平面布置位置是影响超高层建筑抗侧效率重要因素之 一，相同平面形状、不同立柱布置对截
15、面抗弯刚度的影响。采用正方形平 面，在保证立柱总面积相等的情况下，根据立柱布置的不同，分A、B、C 、D四个模型进行计算，其平面布置图如下图所示。 假定模型A的平面沿X轴与Y轴的抗弯刚度均为EI，通过计算可得其余 模型的截面抗弯刚度及相对刚度。 模型A模型B模型C模型D 4个角柱4个角柱+4个中柱4个角柱+12个中柱4个中柱 2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究 （2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究（2）超高层建筑巨型框架结构体系选型研究 1 0.74 0.69 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 4个角柱4个角柱+4
16、个中柱4个角柱+12个中柱4个中柱 抗弯刚度相对值 立柱平面布置 抗弯刚度相对值 立柱平面布置 当平面形状与立柱的截面面积保持不变的情况下，截面的抗弯刚度随着柱子 面积与中和轴的距离的平方成正比， 当平面形状与立柱的截面面积保持不变的情况下，截面的抗弯刚度随着柱子 面积与中和轴的距离的平方成正比，即柱子布置在正方形的四个角上，截面的抗弯 刚最大；反之，柱子均布置在两条中和轴，截面的抗弯刚度最小，为前者的50%。 即柱子布置在正方形的四个角上，截面的抗弯 刚最大；反之，柱子均布置在两条中和轴，截面的抗弯刚度最小，为前者的50%。 天津117大厦（四根巨柱布置在塔楼角部）能够较完美满足结构平面抗弯刚度 最大化的需求。 天津117大厦（四根巨柱布置在塔楼角部）能够较完美满足结构平面抗弯刚度 最大化的需求。 2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究2.1超高层结构复杂截面钢管混凝土巨型柱设计研究 （2）超高层建筑巨型框架结构体系选型
