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重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈結構設計

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2009-12-22 20:26:15 [收藏]


      摘要:介紹了重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈帶加強層的鋼結構框架一核心筒結構體系風(fēng)荷載取值,結構布置、抗風(fēng)抗震計算分析,主要抗震措施、節點(diǎn)構造及結構概念設計,并對大廈的人體舒適度進(jìn)行了分析,以供同類(lèi)工程參考。

      關(guān)鍵詞:超限高層 框架一核心筒鋼結構設計 風(fēng)荷載 人體舒適度


      一、工程概況

      重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈地處重慶市鬧市區,大廈所處地勢北高南低,相差5m.大廈地上69 層(含GF 層),地下5 層,建筑高度303.3m,地下22m,裙房7 層。地下5 層為停車(chē)庫和設備用房以及商業(yè)用房,負2層與城市輕軌的出入口連為一體,地上7 層裙房為商業(yè)用房,第7 層采用空中通廊與現有萬(wàn)豪酒店相連,8 至68 層塔樓標準層平面為41×41m,8 至41層為公寓,42 至68 層為辦公樓,頂層設置直升機停機坪。在第7 層、第23 層、第41 層、第54 層、頂層設置避難層。地下室和裙房層高4.5m-5m,公寓層高3.7m,辦公樓層高3.9m.建筑用地面積9100 ?,總建筑面積182893 ?,其中地上建筑面積145348 ?,地下37545?.該大廈周?chē)?0余棟已建或規劃的高層或超高層建筑。

      二、 地基與基礎
      1.地質(zhì)情況該場(chǎng)地劃分為I 類(lèi)場(chǎng)地。大廈以巨厚層的中(微)風(fēng)化泥巖為持力層,根據地勘,泥巖的地基承載力特征值為4.0Mpa,天然抗壓強度標準值為12.4Mpa.后經(jīng)巖質(zhì)地基平板載荷試驗,極限荷載平均值為16.4Mpa,地基承載力特征值為5.2Mpa,該地基是修建高層建筑的理想場(chǎng)地。
      2.基坑及基礎設計本工程地下5 層,因地勢北高南低。相差5m,具備完全嵌固條件有4 層22m,大廈埋置深度為房屋高度的1/13.8,滿(mǎn)足抗傾覆能力。塔樓的柱基礎采用擴底樁(墩),塔樓內筒采用平板式筏形基礎。我們采用美國ANSYS 公司編制的ANSYS 1 Mechanical 有限元分析軟件的SOLID72 單元對塔樓擴底樁(墩)和塔樓筒體筏板及地基進(jìn)行了三維計算分析,塔樓擴底樁(墩)采用D=4m,擴底5.5m,筏板25.8×25.8×4.5m.為筏板基礎配筋提供可參考的數據。
      三、風(fēng)荷載

      高層超高層建筑中水平風(fēng)荷載計算是結構抗風(fēng)設計的關(guān)鍵因素,但對于較高的特別是不規則的超高層建筑,加之建筑物風(fēng)荷載受周?chē)鷩ㄖ绊戄^大,需對現行規范的風(fēng)荷載進(jìn)行核準,為此,該大廈進(jìn)行了模型風(fēng)洞測壓和氣彈試驗和三維數值風(fēng)洞模擬,并與規范取值對比,進(jìn)行合理的風(fēng)荷載設計。重慶市100 年一遇基本風(fēng)壓為0.45 kN/? 1.模型風(fēng)洞試驗本工程在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心進(jìn)行測壓風(fēng)洞試驗。采用1:250的有機玻璃模型,周?chē)?00m范圍內主要建筑物及環(huán)境采用泡沫塑料切成,模擬C類(lèi)地貌大氣邊界條件。
      以模型屋頂高度的氣流風(fēng)壓為參考風(fēng)壓,測壓試驗來(lái)流風(fēng)速7.5m/s.本試驗在主體結構各表面布置,沿高度布置在23 個(gè)截面,共457 個(gè)測壓點(diǎn),試驗模擬了0o到360o的風(fēng)向角,間隔22.5o,定義模型的正門(mén)法向方向為0o,轉盤(pán)逆時(shí)針為正。

      本風(fēng)洞試驗給出了16個(gè)風(fēng)向角下各面各測壓孔的風(fēng)壓系數。試驗結果看出:各面正迎風(fēng)面的正壓沿橫向其邊緣處的風(fēng)壓均小于中間處的風(fēng)壓,沿高度方向平穩變化,到4/5 高度處(距頂部15-30m)達到最大值,上部沿高度逐漸減少;背風(fēng)面及兩側面負壓較為均勻,沿高度變化較小。由于大廈周?chē)邔咏ㄖ饬鞯挠绊?,大廈各面會(huì )有局部高風(fēng)壓區現象出現,尤其是周?chē)邔咏ㄖ锔叨纫韵聟^域,有放大作用也有減少作用,有時(shí)甚至會(huì )出現壓力系數反號。當風(fēng)向角為1350和900時(shí)X向、Y向基底總剪力達到最大值。


      數值風(fēng)洞模擬本工程委托同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院進(jìn)行數值風(fēng)洞模擬。數值風(fēng)洞模擬與一般實(shí)驗室風(fēng)洞類(lèi)似,需設置一個(gè)風(fēng)洞,風(fēng)洞有入口、出口、地面、壁面,大廈和周?chē)ㄖ飻抵的P徒⒂陲L(fēng)洞中,數值模型按原型尺寸(1:1)建模,屬剛性模型。建模、計算和后處理由國際上領(lǐng)先的計算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX5.5完成。


      報告提供了16 個(gè)風(fēng)向下的各層沿X、Y 向的平均風(fēng)合力及繞Z軸總合力矩,結果表明X 向基底總剪力最大者為135o風(fēng)向;Y 向基底總剪力最大者為90o;繞Z軸總合力矩最大者為0o.同時(shí)給出了各不同風(fēng)向下大廈各表面最大風(fēng)壓等值線(xiàn)分布云圖,為玻璃幕墻設計提供了依據。風(fēng)壓等高線(xiàn)圖分布來(lái)看,各面正迎風(fēng)面中部絕大部分區域為正,而由于分離流的原因在邊緣附近小部分區域為負壓,背風(fēng)面一般為負壓且大小比較均勻。


      風(fēng)荷載比較與取值我們將三種方法得出的正迎風(fēng)面靜風(fēng)荷載和考慮動(dòng)風(fēng)荷載進(jìn)行對照,見(jiàn)圖3 及圖4.風(fēng)洞試驗表明,在37層以下受周邊建筑的影響,風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規范值有放大作用,而在37層以上風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規范值小。按荷載規范計算的總風(fēng)荷載比風(fēng)洞試驗試驗的風(fēng)荷載大約9%。


      數值模擬與風(fēng)洞試驗結果基本一致,風(fēng)壓沿高度最大值約在建筑物的4/5 高度處;各層風(fēng)荷載規范計算值最大,數值模擬值其次,風(fēng)洞試驗值最小。規范計算的風(fēng)壓最大值在建筑物頂部,規范計算的頂部風(fēng)荷載偏大且不盡合理,風(fēng)壓合力作用點(diǎn)較高,總風(fēng)荷載較數值模擬與風(fēng)洞試驗值大, 因而在整體計算時(shí),按規范計算偏于保守。數值模擬與風(fēng)洞試驗結果揭示了風(fēng)向角為135o和90o時(shí)X 向、Y 向基底總剪力最大,這是現有高層計算軟件不易實(shí)現的。從風(fēng)洞試驗和數值模擬結果看,大的負壓出現在塔樓較低處或建筑物邊緣處,構的整體計算雖沒(méi)有大的影響,但對玻璃幕墻設計安全影響很大,應引起重視。

      在總體計算時(shí),分別對0o、90o、135o來(lái)風(fēng)進(jìn)行了計算。風(fēng)荷載取值按現行規范,但建筑物頂部按照模型風(fēng)洞試驗結果取用,并適當考慮了由數值模擬與風(fēng)洞試驗測出的扭矩。
      四、上部結構
      1. 結構方案本工程上部結構共69 層,其中裙房范圍7 層,塔樓總建筑高度303.3m,目前是我國已建和在建鋼結構高層中最高的。高寬比為7.34,屬超限高層。大廈結構基本周期8s,屬少有的長(cháng)周期高層建筑。

      根據建筑功能、建筑布置、建筑高度的情況,曾考慮過(guò)采用兩類(lèi)結構方案,即全鋼結構及鋼-混結構。根據結構抗震性能、施工速度、結構自重以及造價(jià)綜合比較,本工程塔樓采用了全鋼結構方案,裙房和地下室在塔樓的范圍外,仍采用現澆鋼筋混凝土結構。bdV中國建筑

      塔樓采用了帶加強層的鋼框架-核心筒結構體系。外框架由鋼柱、梁組成;核心筒由鋼柱、梁組成的鋼框架和鋼支撐組成。利用建筑的設備-避難層設置鋼結構的外伸桁臂及腰桁架,組成加強層(4 道)。

      塔樓7F 以下為裙房、地下室共13 層,采用鋼骨混凝土柱,這主要是為了解決鋼結構塔樓與混凝土裙房能夠連接協(xié)調,利于節點(diǎn)構造處理,同時(shí)充分利用高強度混凝土的抗壓強度,減小了鋼骨的斷面.

      7F 以下為鋼骨柱,鋼筋混凝土截面尺寸為1400x1400 及1500x1500,鋼骨為帶翼緣的十字形斷面;8F 以上為箱形鋼柱,柱斷面尺寸為1200x1200mm 到600x600mm,鋼柱板厚為80mm 到20mm.在內筒縱、橫各設置三道支撐,采用中心支撐及八字形偏心支撐。支撐采用H 鋼,斷面為H400x400x25x30、H400x400x25x40 兩種。

      鋼梁均為H 形鋼梁。8F 以下外框梁高為700mm,8F 以上外框為滿(mǎn)足建筑凈高的要求,梁高為650mm;為保證結構整體側向剛度,內筒的框架梁高均為900mm.次梁與框架主梁采用鉸接,按組合梁計算。為了使角部框架梁的受力均勻,在角部增設次梁,并且隔層調換方向。

      樓板以壓型鋼板作施工模板,采用現澆鋼筋混凝土非組合樓板。
      抗震及抗風(fēng)設計
     ?。?) 設計要求依據文獻[3],本工程50 年超越概率63%、10%、5%、3%、2%所對應的基本烈度值分別為5.2、6.1、6.3、6.4、6.6,按重慶市地震局的批復,按照50年超越概率3%的設計地震動(dòng)參數進(jìn)行抗震設防。由于現有計算程序無(wú)法輸入6.4度的地震動(dòng)參數,在抗震計算時(shí),取7 度的參數進(jìn)行計算。
     ?。?) 總體設計
      1)使用及建筑要求設置的條件:
      a. 塔樓部分平、立面非常規則,雙向基本對稱(chēng),建筑與結構結合較好,為結構抗震提供非常有利的條件。
      b. 全鋼結構,材質(zhì)均勻,延性較好,能很好地滿(mǎn)足抗震二道設防的要求。
      2) 側力構件的設計:

      a. 內筒框架?支撐結構:在柱間均設置了鋼支撐,部分為偏心支撐,有條件的框架柱間加設小柱,以加強框架支撐的側向剛度。

      b. 為提高內筒的框架支撐抗側力體系的水平剛度,加高框架的高度,設計時(shí)權衡考慮梁承載力與增加水平剛度的要求。
      c. 設置4 道加強層,在23、41、54及頂層由外伸桁架及外框腰桁架組成,加強層內筒的支撐均為中心支撐,設計中,比較了不同層設置加強層對水平剛度的效用程度,目前所設置的層數為最佳。

      d. 裙房以下,采用鋼骨混凝土柱、鋼梁:考慮加強整體剛度及與裙房(鋼筋混凝土框架結構)的連接,對提高結構整體的水平剛度起一定作用。

      2) 按照《建筑抗震設計規范》8.2.3條“框架部分按計算得到的地震剪力應乘以調整系數,達到不小于結構底部總地震剪力的25%的要求,在本工程設計中考慮到這項要求并滿(mǎn)足了規定的要求。
      3)地上7 層以上地震效應比較大的層采用約束屈曲耗能支撐,可在罕遇地震作用下起到減震作用。
      4) 薄弱部分的加強:
      a.底層可能產(chǎn)生的薄弱部位:采用鋼骨混凝土,是對結構抗罕遇地震時(shí)地震作用的加強,采用鋼梁及鋼支撐也可使塑性鉸首先發(fā)生于支撐或梁而不是柱,以保證結構不致造成倒塌。
      b. 加強層上下相鄰的框架柱:由于堅強層的設置剛度有很大的突變,相連接的框架柱受力比較復雜,很可能成為薄弱部位。根據彈性計算的內力結果對截面要適當加強,留有相當儲備量,再經(jīng)彈塑性時(shí)程分析進(jìn)行驗算校核其受力與變形性能予以加強。
      c. 通過(guò)彈塑性時(shí)程分析、檢驗上部結構首先產(chǎn)生塑性鉸的層及構件,調整構件截面采用約束屈曲耗能支撐,使塑性鉸發(fā)生移轉到較次要構件,確保結構滿(mǎn)足大震不倒的目標。

      本工程進(jìn)行了超限高層抗震專(zhuān)項審查,專(zhuān)家提出該建筑物高柔,要解決好舒適度問(wèn)題。

      氣彈模型風(fēng)洞試驗結果由于重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈高而柔,又地處高層建筑密集的重慶市城區,其周邊建筑物和地形對風(fēng)場(chǎng)影響顯著(zhù),因而其在強風(fēng)作用下的風(fēng)效應十分復雜,在強風(fēng)作用下的動(dòng)力效應不容忽視,為此進(jìn)行了氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗。通過(guò)對重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈1:250模型的氣彈模型試驗,取得了16 個(gè)風(fēng)向角情況下大廈的的風(fēng)致振動(dòng)響應。經(jīng)對試驗結果分析,獲得如下結論:
      1)、在各風(fēng)向角下,在設計風(fēng)速范圍內,萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈均未發(fā)現渦激共振發(fā)生。

      也未發(fā)生振動(dòng)發(fā)散的馳振現象。結構屋頂處最大橫風(fēng)向振動(dòng)位移(單邊振幅)為b=0o 時(shí),且為0.297m,最大順風(fēng)向振動(dòng)位移(單邊振幅)為b=270o 時(shí),且為0.133m

      2)、在各風(fēng)向角下,10 年重現期風(fēng)壓時(shí),大廈頂部最大振動(dòng)加速度小于0.2m/s2,扭轉振動(dòng)角速度小于0.001rad/s,滿(mǎn)足舒適度要求。
      3)、當來(lái)流風(fēng)向正對結構物某一面作用時(shí),其橫風(fēng)向位移、加速度振動(dòng)響應大于順風(fēng)向位移、加速度振動(dòng)響應,因而對于該類(lèi)高層建筑結構,其橫風(fēng)向荷載效應是不容忽略的。
      4)、由于周邊建筑物對氣流的影響,大廈各面會(huì )有局部高風(fēng)壓現象的出現,因而在進(jìn)行幕墻設計時(shí)對這一問(wèn)題應引起重視。另外,周邊建筑結構對大廈風(fēng)壓的影響,在其自身高度范圍內較為顯著(zhù),而對大廈頂部區域影響較小。

      5)、大廈各側面的最大負壓大于最大正壓。
      5) 結構分析
      1) 根據結構的特殊性,結構設計采用了三種軟件分析計算,SATWE(中國建研院編)及MTS(中國同濟大學(xué)編),ETABS(美國CSI 公司)主要計算結果相近。
      2) 計算模型:按框架-支撐空間模型,地震力按X、Y兩個(gè)方向風(fēng)荷載還考慮135 度方向計算,并考慮藕聯(lián),共取45個(gè)振型的結果。

      和CUZI-1 三條地震波,時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)時(shí)程曲線(xiàn)的最大值為35cm/s2。
      我國在計算建筑物加速度響應,特別是在橫向風(fēng)方面研究較少,在制定規程時(shí)參考了國外標準,結合我國實(shí)際情況進(jìn)行了調整,為此,筆者用中國規程和加拿大規范分別進(jìn)行了加速度計算。

      五、結束語(yǔ)

      1.通過(guò)對重慶萬(wàn)豪國際會(huì )展大廈動(dòng)力特性分析可知,結構基本周期8s,屬于高柔結構,在結構分析時(shí)需考慮P-Δ效應,結構布置基本對稱(chēng),對結構抗震有利,由風(fēng)荷載控制設計。
      2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制結構層間位移的有效方法。通過(guò)多次試算可以找到較為理想的外伸桁架位置和道次,并非設置的越多越好。
      3.超高層鋼結構底部數層采用鋼骨混凝土柱,既可節省鋼材又可適當增加結構抗側剛度,同時(shí),可很好解決與裙房鋼筋混凝土梁之間的連接問(wèn)題。

      4.超高層建筑的舒適度問(wèn)題是設計人員考慮的重要因素,宜采用多種途徑驗算分析,采用氣彈模型試驗更為可靠。


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