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上海钢结构平台带你看超高层伸臂桁架的那些事儿

时间:2020-05-20 来源:上海钢结构平台

伸臂的概念在除了建筑之外也早已有诸多应用,例如在过去包括现在的很多帆船中,都会采用支腿的形式来抵抗风力,使行驶更加平稳,而常见的重型汽车装备中,也会使用伸臂来保证在进行作业时候的稳定性。


常见应用

对于超高层建筑而言,在抗侧力的工况下,结构体系可简化为一个悬臂杆件,在均布荷载下,其刚度和高度为四次方的关系,因此当结构高度达到一定程度时,常规的竖向构件,其抗侧刚度已经不能满足结构在水平力作用下控制变形的需要。因此,为了满足建筑刚度的需要,通常需要设置加强层来提高结构的抗侧刚度。在加强层的设置方法中,采用伸臂桁架+腰桁架组合是较为常见的一种形式。


伸臂桁架的特点及适用范围

伸臂桁架在超高层建筑中的机理是在水平荷载的作用下,提高了外框部分的轴力,相应增加了框架承担的倾覆弯矩,它对结构的反弯作用,可以有效增加结构的抗侧刚度,改变水平剪力在框架与核心筒之间的分配比例。根据以上的作用机理以及设计实践,可以发现伸臂桁架在框架核心筒结构体系的效率较筒中筒结构明显很多。外框腰桁架通常会配合伸臂桁架一起使用,这是因为在水平作用力下,设置了伸臂桁架的加强层,其外框轴力会大大增加,通过设置腰桁架,可以减小框架核心筒结构的剪力滞后效应,对外框可以起到“裤腰带”一样的作用。


伸臂桁架的位置敏感性

伸臂桁架在立面的设置位置,一方面需要考虑对结构的效率的影响,另一方面要考虑建筑功能的要求,一般需要结合设备层来设置。

华东院对伸臂桁架的研究认为,当设置n道伸臂桁架时,最优的位置为(1~n)/(n+1),并对相关项目的伸臂桁架设置的位置进行了总结。但是由于伸臂的效率受到结构的自身高度,结构高宽比,水平力作用下的变形形态,其余抗侧力构件的刚度等一系列因素影响,很难定量去给出统一的标准。但通常地可以认为在结构2/3H处左右效率较高,在需要增加时,可在1/2H,1/3H等处布置。具体项目尚因做敏感性分析,结合建筑、结构的竖向变化和收分情况,合理选择伸臂桁架的位置。


华东建筑设计研究总院

此外,根据研究表明,多道伸臂桁架减小侧移的效果优于一道桁架,而伸臂桁架的数量与其效果并不成线性关系。上述总结中,也可看到除了上海中心外,其余超高层项目的伸臂设置数在2-3道居多。


伸臂桁架的设计问题

伸臂桁架自然离不开桁架的问题,桁架的形式多种多样,但都以轴力为主,因此材料选择也以钢结构为主。但处于结构效率和成本的考虑,关于桁架的形式和材料也并非单一,以下就笔者在一些项目中的经验做一些介绍。

首先是关于结构效率的问题,桁架的形式的讨论已经很多,借用猪小宝在知乎中的回答,对于如下的一个悬臂梁,在外荷载P的作用下,普通桁架,Pratt truss,Warren truss以及最后通过拓扑优化理论得到的Michell truss,结构效率依此递增,反之可以理解为,在相同材料用量下,最后者所提供的刚度最大。


最高的结构效率是结构工程师所追求的,但是在实际工程项目中,在建筑功能和结构效率之间需要达到一个平衡。

伸臂桁架尺度大,跨越核心筒和外框柱,会产生大量的无效空间,无论从成本测算还是功能利用上,在建筑上都是难以承受的,因此伸臂桁架一般设置在相关的设备层处。

此外,超高层的设备层除了是放置相关机电设备外,还需要设置避难区,而避难区的设置又需要与逃生通道相连,因此机电层内的空间也可谓寸土寸金。

此外,为了控制成本与立面效果,避难层的层高也控制较严格,一般与机电设备要求相关联,在4.5m~6m左右,而核心筒与外框的跨距一般在10m~13m左右,在这样的跨高比下,尚需考虑桁架下的可利用空间,从而选择合适的桁架结构体系。


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