设计模式在项目中的应用案例_预应力结构在超高层项目中应用

一、前言

预应力结构在国内高层结构中应用相对较少，主要还是局限在楼板体系中有部分应用。本文结合奥雅纳部分高层结构在竖向构件、水平转换构件采用预应力结构的案例，谈谈预应力在高层结构应用拓展。主要内容节选自奥雅纳总工朱立刚在第一届全国预应力技术交流大会的发言。 二、预应力结构的优势 1、预应力结构主要优势体现如下：

• Minimum floor thickness—minimum storey heights 最小楼板厚度 最小层高

• Long spans—minimum number of columns 大跨 最少的柱

• Flexibility of layout 布置灵活性

• Flat soffit—service benefit 平底 机电空间灵活

• Enhance the stiffness 提高构件刚度

• Minimum use of materials—sustainability 最少材料 可持续环保

• Rapid speed of construction 快速施工  

• Cost effective 造价优势

2、上面主要罗列了预应力结构的一些优势，通常我们在楼面体系中采用预应力是为了用最小的结构高度实现更大跨度。

在不影响建筑总高度前提下，一般使用预应力混凝土每10层就可以增加一层。

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三、在楼面体系中应用

由于上述原因，国外住宅、办公等建筑也较多采用平板预应力结构，如我们设计的美国高烈度区旧金山无限双塔，42层，高140m。

@Arup

英国曼彻斯特Beetham Tower，住宅/酒店，高度171m。

@Arup

最具挑战的项目是韩国Songdo Block D24，高度160m，50层，抗侧力体系采用 核心筒单重抗侧力体系，水平承重体系采用预应力“错列”式悬挑墙+后张预应力楼板。这个项目最大创新应该是采用带预应力的“错列”式悬挑墙支撑悬挑 14m的楼板结构。隔墙通常是用砌体建造的，本项目利用这些隔墙采用钢筋混凝土建造，他们作为全高楼层的悬臂梁，将楼板的重量转移回核心筒。 “错列”悬臂墙连接上下楼板作为工型截面，以最大限度地提高悬臂梁的抗弯效率。楼板作为悬臂梁的翼缘，通过楼板抗弯作用，解决了悬臂墙的弯曲效应，这些楼板本质上提供了悬臂梁的后跨，把它们联系在一起，平衡每层楼5个悬臂墙之间的荷载。

@Arup

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采用预应力后的楼板应力分析

@Arup

四、预应力结构在竖向抗侧力体系中应用

由于大城市用地紧张，出现了越来越多的高密度城市社区，造成超高层建筑一个特点/难点就是高宽比较大。

1、香港K11 简介

高度：260m、8层裙房+58层酒店和住宅，高宽比达到1：12

@Arup

1)结构抗侧力体系研究

@Arup

最终方案采用框架+核心筒+1道伸臂+2道腰桁架

伸臂设置在低区，减少核心筒倾覆弯矩。采用额外两道腰桁架分别设置在25/F~27/F以及46/F~47/F，结构顶点位移1/408，满足1/400，顶点加速度为13.6mill-g,满足20mill-g最小舒适度要求。

@Arup

2)剪力墙与巨柱拉应力

剪力墙与巨柱中拉力会造成混凝土开裂，降低了混凝土刚度。

通常会采取如下措施：

•采取开裂截面分析并确定有效刚度

•增加钢骨，减少混凝土拉应力，从而减少裂缝宽度

•采取预压力减少各种工况下拉力作用

@Arup

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@Arup

@Arup

除了K11外，我们在香港的243m的The HarbourSide 也 采用预应力混凝土剪力墙体系。

The HarbourSide 

现场施工@Arup

五、偏心筒采用预应力相关研究

传统高层建筑经常采用框架+核心筒，但是偏心筒建筑方案目前获得越来越多的建筑师青睐。偏心筒可以把交通核及机电房布置在景观不好的一侧，建筑可以最大获得景观有利的使用面积。但是偏心筒也给结构带来诸多的不利因素，包括结构扭转不利、竖向载荷的不均衡可能带来的侧向变形、偏心筒净拉力等问题。

1、改善重力荷载下侧向变形

国内某200m偏心筒案例研究，主要概况如下：200m/45层，核心筒高宽比：10(长边)/23(窄边)

在通过在外墙施加部分预应力，我们可以看到可以能明显减少偏心荷载下产生的水平位移，最大水平位移由88mm减小至53mm，减少40%。 此外偏心筒由于筒体偏置，通常也会造成竖向荷载载荷差别，引起不同竖向构件间的较大位移差，会在水平构件间产生较大的附加内力。通过增加预应力后，能明显减少框架柱与核心筒之间位移差， 楼层越高，减小的比例越大。

2、改善竖向构件净拉力问题

由于偏心和缺少竖向静载，核心筒墙的外侧将处于恒拉力状态。在风/小震下很容易超过ftk,同时中震下2ftk要求也很难满足，受拉剪力墙抗剪承载力目前计算研究还不充分，通常结构设计会采用增设钢骨，但是较高的配钢率即增加结构造价，施工也较麻烦。我们通过在外墙设置一定预应力钢筋，增加后张预应力来抵消拉力，减少或取消钢骨的含量，即确保偏心筒受力安全，经济上又具有一定优势。

• 型钢配钢率， 预应力钢筋配筋率均为计算值；

• 钢材及预应力钢筋质量按单片墙肢，底部9层(25m)统计；

• 钢材综合单价按10000元/t考虑；

• 预应力钢绞线单价按15000元/t考虑。

六、总结

通过上面的部分案例，我们可以看出预应力这项传统技术在高层/超高层应用依然前景广阔，不仅仅在楼板体系具有比一般混凝土的优势外，在抗侧力体系经过合理设计。充分发挥预应力混凝土先天优势，提高混凝土抗侧力构件刚度，尤其可以给“纤细”结构带来更大经济作用。若对这方面应用感兴趣的业主、建筑师，请联系如下微信号。

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参考资料

1、The concrete centre

2、Arup Paper and Jurnal

3、第一届全国预应力技术交流大会P《预应力结构在超高层项目中应用》

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