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重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　　摘要：介紹了重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈帶加強(qiáng)層的鋼結(jié)構(gòu)框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系風(fēng)荷載取值，結(jié)構(gòu)布置、抗風(fēng)抗震計(jì)算分析，主要抗震措施、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，并對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 風(fēng)荷載 人體舒適度


    　　一、工程概況

    　　重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈地處重慶市鬧市區(qū)，大廈所處地勢(shì)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(kù)和設(shè)備用房以及商業(yè)用房，負(fù)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(xiàn)有萬(wàn)豪酒店相連，8 至68 層塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面為41×41m，8 至41層為公寓，42 至68 層為辦公樓，頂層設(shè)置直升機(jī)停機(jī)坪。在第7 層、第23 層、第41 層、第54 層、頂層設(shè)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(guī)劃的高層或超高層建筑。

    　　二、 地基與基礎(chǔ)
    　　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(jù)地勘，泥巖的地基承載力特征值為4.0Mpa，天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為12.4Mpa.后經(jīng)巖質(zhì)地基平板載荷試驗(yàn)，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(chǔ)設(shè)計(jì)本工程地下5 層，因地勢(shì)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，滿足抗傾覆能力。塔樓的柱基礎(chǔ)采用擴(kuò)底樁（墩），塔樓內(nèi)筒采用平板式筏形基礎(chǔ)。我們采用美國(guó)ANSYS 公司編制的ANSYS 1 Mechanical 有限元分析軟件的SOLID72 單元對(duì)塔樓擴(kuò)底樁（墩）和塔樓筒體筏板及地基進(jìn)行了三維計(jì)算分析，塔樓擴(kuò)底樁（墩）采用D=4m，擴(kuò)底5.5m，筏板25.8×25.8×4.5m.為筏板基礎(chǔ)配筋提供可參考的數(shù)據(jù)。
    　　三、風(fēng)荷載

    　　高層超高層建筑中水平風(fēng)荷載計(jì)算是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，但對(duì)于較高的特別是不規(guī)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(duì)現(xiàn)行規(guī)范的風(fēng)荷載進(jìn)行核準(zhǔn)，為此，該大廈進(jìn)行了模型風(fēng)洞測(cè)壓和氣彈試驗(yàn)和三維數(shù)值風(fēng)洞模擬，并與規(guī)范取值對(duì)比，進(jìn)行合理的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)。重慶市100 年一遇基本風(fēng)壓為0.45 kN/? 1.模型風(fēng)洞試驗(yàn)本工程在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心進(jìn)行測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)。采用1：250的有機(jī)玻璃模型，周?chē)?00m范圍內(nèi)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(cè)壓試驗(yàn)來(lái)流風(fēng)速7.5m/s.本試驗(yàn)在主體結(jié)構(gòu)各表面布置，沿高度布置在23 個(gè)截面，共457 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)M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?yàn)?o，轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針為正。

    　　本風(fēng)洞試驗(yàn)給出了16個(gè)風(fēng)向角下各面各測(cè)壓孔的風(fēng)壓系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)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(wěn)變化，到4/5 高度處（距頂部15-30m）達(dá)到最大值，上部沿高度逐漸減少；背風(fēng)面及兩側(cè)面負(fù)壓較為均勻，沿高度變化較小。由于大廈周?chē)邔咏ㄖ?duì)氣流的影響，大廈各面會(huì)有局部高風(fēng)壓區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是周?chē)邔咏ㄖ锔叨纫韵聟^(qū)域，有放大作用也有減少作用，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)壓力系數(shù)反號(hào)。當(dāng)風(fēng)向角為1350和900時(shí)X向、Y向基底總剪力達(dá)到最大值。


    　　數(shù)值風(fēng)洞模擬本工程委托同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬。數(shù)值風(fēng)洞模擬與一般實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞類(lèi)似，需設(shè)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?shù)值模型建立于風(fēng)洞中，數(shù)值模型按原型尺寸（1：1）建模，屬剛性模型。建模、計(jì)算和后處理由國(guó)際上領(lǐng)先的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX5.5完成。


    　　報(bào)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(jié)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)壓等值線分布云圖，為玻璃幕墻設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。風(fēng)壓等高線圖分布來(lái)看，各面正迎風(fēng)面中部絕大部分區(qū)域?yàn)檎捎诜蛛x流的原因在邊緣附近小部分區(qū)域?yàn)樨?fù)壓，背風(fēng)面一般為負(fù)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(duì)照，見(jiàn)圖3 及圖4.風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在37層以下受周邊建筑的影響，風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載值比規(guī)范值有放大作用，而在37層以上風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載值比規(guī)范值小。按荷載規(guī)范計(jì)算的總風(fēng)荷載比風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)的風(fēng)荷載大約9％。


    　　數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)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(guī)范計(jì)算值最大，數(shù)值模擬值其次，風(fēng)洞試驗(yàn)值最小。規(guī)范計(jì)算的風(fēng)壓最大值在建筑物頂部，規(guī)范計(jì)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(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)值大， 因而在整體計(jì)算時(shí)，按規(guī)范計(jì)算偏于保守。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)有高層計(jì)算軟件不易實(shí)現(xiàn)的。從風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果看，大的負(fù)壓出現(xiàn)在塔樓較低處或建筑物邊緣處，構(gòu)的整體計(jì)算雖沒(méi)有大的影響，但對(duì)玻璃幕墻設(shè)計(jì)安全影響很大，應(yīng)引起重視。

    　　在總體計(jì)算時(shí)，分別對(duì)0o、90o、135o來(lái)風(fēng)進(jìn)行了計(jì)算。風(fēng)荷載取值按現(xiàn)行規(guī)范，但建筑物頂部按照模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果取用，并適當(dāng)考慮了由數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)出的扭矩。
    　　四、上部結(jié)構(gòu)
    　　1. 結(jié)構(gòu)方案本工程上部結(jié)構(gòu)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(guó)已建和在建鋼結(jié)構(gòu)高層中最高的。高寬比為7.34，屬超限高層。大廈結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬少有的長(zhǎng)周期高層建筑。

    　　根據(jù)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(jié)構(gòu)方案，即全鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能、施工速度、結(jié)構(gòu)自重以及造價(jià)綜合比較，本工程塔樓采用了全鋼結(jié)構(gòu)方案，裙房和地下室在塔樓的范圍外，仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。bdV中國(guó)建筑

    　　塔樓采用了帶加強(qiáng)層的鋼框架－核心筒結(jié)構(gòu)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(shè)備－避難層設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的外伸桁臂及腰桁架，組成加強(qiáng)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(jié)構(gòu)塔樓與混凝土裙房能夠連接協(xié)調(diào)，利于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理，同時(shí)充分利用高強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)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(nèi)筒縱、橫各設(shè)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?yàn)闈M足建筑凈高的要求，梁高為650mm；為保證結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度，內(nèi)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(jì)算。為了使角部框架梁的受力均勻，在角部增設(shè)次梁，并且隔層調(diào)換方向。

    　　樓板以壓型鋼板作施工模板，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土非組合樓板。
    　　抗震及抗風(fēng)設(shè)計(jì)
    　　（1） 設(shè)計(jì)要求依據(jù)文獻(xiàn)[3]，本工程50 年超越概率63％、10％、5％、3％、2％所對(duì)應(yīng)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(fù)，按照50年超越概率3%的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。由于現(xiàn)有計(jì)算程序無(wú)法輸入6.4度的地震動(dòng)參數(shù)，在抗震計(jì)算時(shí)，取7 度的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
    　?。?） 總體設(shè)計(jì)
    　　1）使用及建筑要求設(shè)置的條件：
    　　a. 塔樓部分平、立面非常規(guī)則，雙向基本對(duì)稱(chēng)，建筑與結(jié)構(gòu)結(jié)合較好，為結(jié)構(gòu)抗震提供非常有利的條件。
    　　b. 全鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均勻，延性較好，能很好地滿足抗震二道設(shè)防的要求。
    　　2） 側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)：

    　　a. 內(nèi)筒框架?支撐結(jié)構(gòu)：在柱間均設(shè)置了鋼支撐，部分為偏心支撐，有條件的框架柱間加設(shè)小柱，以加強(qiáng)框架支撐的側(cè)向剛度。

    　　b. 為提高內(nèi)筒的框架支撐抗側(cè)力體系的水平剛度，加高框架的高度，設(shè)計(jì)時(shí)權(quán)衡考慮梁承載力與增加水平剛度的要求。
    　　c. 設(shè)置4 道加強(qiáng)層，在23、41、54及頂層由外伸桁架及外框腰桁架組成，加強(qiáng)層內(nèi)筒的支撐均為中心支撐，設(shè)計(jì)中，比較了不同層設(shè)置加強(qiáng)層對(duì)水平剛度的效用程度，目前所設(shè)置的層數(shù)為最佳。

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

    　　2） 按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.3條“框架部分按計(jì)算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%的要求，在本工程設(shè)計(jì)中考慮到這項(xiàng)要求并滿足了規(guī)定的要求。
    　　3）地上7 層以上地震效應(yīng)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(qiáng)：
    　　a.底層可能產(chǎn)生的薄弱部位：采用鋼骨混凝土，是對(duì)結(jié)構(gòu)抗罕遇地震時(shí)地震作用的加強(qiáng)，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(jié)構(gòu)不致造成倒塌。
    　　b. 加強(qiáng)層上下相鄰的框架柱：由于堅(jiān)強(qiáng)層的設(shè)置剛度有很大的突變，相連接的框架柱受力比較復(fù)雜，很可能成為薄弱部位。根據(jù)彈性計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果對(duì)截面要適當(dāng)加強(qiáng)，留有相當(dāng)儲(chǔ)備量，再經(jīng)彈塑性時(shí)程分析進(jìn)行驗(yàn)算校核其受力與變形性能予以加強(qiáng)。
    　　c. 通過(guò)彈塑性時(shí)程分析、檢驗(yàn)上部結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生塑性鉸的層及構(gòu)件，調(diào)整構(gòu)件截面采用約束屈曲耗能支撐，使塑性鉸發(fā)生移轉(zhuǎn)到較次要構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的目標(biāo)。

    　　本工程進(jìn)行了超限高層抗震專(zhuān)項(xiàng)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(yàn)結(jié)果由于重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈高而柔，又地處高層建筑密集的重慶市城區(qū)，其周邊建筑物和地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響顯著，因而其在強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，在強(qiáng)風(fēng)作用下的動(dòng)力效應(yīng)不容忽視，為此進(jìn)行了氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈1：250模型的氣彈模型試驗(yàn)，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(yīng)。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論：
    　　1）、在各風(fēng)向角下，在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)，萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈均未發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生。

    　　也未發(fā)生振動(dòng)發(fā)散的馳振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhuǎn)振動(dòng)角速度小于0.001rad/s，滿足舒適度要求。
    　　3）、當(dāng)來(lái)流風(fēng)向正對(duì)結(jié)構(gòu)物某一面作用時(shí)，其橫風(fēng)向位移、加速度振動(dòng)響應(yīng)大于順風(fēng)向位移、加速度振動(dòng)響應(yīng)，因而對(duì)于該類(lèi)高層建筑結(jié)構(gòu)，其橫風(fēng)向荷載效應(yīng)是不容忽略的。
    　　4）、由于周邊建筑物對(duì)氣流的影響，大廈各面會(huì)有局部高風(fēng)壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，因而在進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這一問(wèn)題應(yīng)引起重視。另外，周邊建筑結(jié)構(gòu)對(duì)大廈風(fēng)壓的影響，在其自身高度范圍內(nèi)較為顯著，而對(duì)大廈頂部區(qū)域影響較小。

    　　5）、大廈各側(cè)面的最大負(fù)壓大于最大正壓。
    　　5） 結(jié)構(gòu)分析
    　　1） 根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了三種軟件分析計(jì)算，SATWE（中國(guó)建研院編）及MTS（中國(guó)同濟(jì)大學(xué)編），ETABS（美國(guó)CSI 公司）主要計(jì)算結(jié)果相近。
    　　2） 計(jì)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(jì)算，并考慮藕聯(lián)，共取45個(gè)振型的結(jié)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)程曲線的最大值為35cm/s2。
    　　我國(guó)在計(jì)算建筑物加速度響應(yīng)，特別是在橫向風(fēng)方面研究較少，在制定規(guī)程時(shí)參考了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)整，為此，筆者用中國(guó)規(guī)程和加拿大規(guī)范分別進(jìn)行了加速度計(jì)算。

    　　五、結(jié)束語(yǔ)

    　　1.通過(guò)對(duì)重慶萬(wàn)豪國(guó)際會(huì)展大廈動(dòng)力特性分析可知，結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬于高柔結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)需考慮P-Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)布置基本對(duì)稱(chēng)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利，由風(fēng)荷載控制設(shè)計(jì)。
    　　2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制結(jié)構(gòu)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(shè)置的越多越好。
    　　3.超高層鋼結(jié)構(gòu)底部數(shù)層采用鋼骨混凝土柱，既可節(jié)省鋼材又可適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)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(shè)計(jì)人員考慮的重要因素，宜采用多種途徑驗(yàn)算分析，采用氣彈模型試驗(yàn)更為可靠。


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