某国际会展大厦结构设计.doc

摘要介绍了重庆万豪国际会展大厦带加强层的钢结构框架一核心筒结构体系风荷载取值结构布置抗风抗震计算分析主要抗震措施节点构造及结构概念设计并对大厦的人体舒适度进行了分析以供同类工程参考关键词超限高层框架一核心筒钢结构设计风荷载人体舒适度一工程概况重庆万豪国际会展大厦地处重庆市闹市区大厦所处地势北高南低相差大厦地上层含层地下层建筑高度地下裙房层地下层为停车库和设备用房以及商业用房负层与城市轻轨的出入口连为一体地上层裙房为商业用房第层采用空中通廊与现有万豪酒店相连至层塔楼标准层平面为至层为公寓至层为办公楼顶层设置直升机停机坪在第层第层第层第层顶层设置避难层地下室和裙房层高公寓层高办公楼层高建筑用地面积总建筑面积其中地上建筑面积地下该大厦周围有余栋已建或规划的高层或超高层建筑二地基与基础地质情况该场地划分为类场地大厦以巨厚层的中微风化泥岩为持力层根据地勘泥岩的地基承载力特征值为天然抗压强度标准值为后经岩质地基平板载荷试验极限荷载平均值为地基承载力特征值为该地基是修建高层建筑的理想场地基坑及基础设计本工程地下层因地势北高南低相差具备完全嵌固条件有层大厦埋置深度为房屋高度的满足抗倾覆能力塔楼的柱基础采用扩底桩墩塔楼内筒采用平板式筏形基础我们采用美国公司编制的有限元分析软件的单元对塔楼扩底桩墩和塔楼筒体筏板及地基进行了三维计算分析塔楼扩底桩墩采用扩底筏板为筏板基础配筋提供可参考的数据三风荷载高层超高层建筑中水平风荷载计算是结构抗风设计的关键因素但对于较高的特别是不规则的超高层建筑加之建筑物风荷载受周围围建筑影响较大需对现行规范的风荷载进行核准为此该大厦进行了模型风洞测压和气弹试验和三维数值风洞模拟并与规范取值对比进行合理的风荷载设计重庆市年一遇基本风压为模型风洞试验本工程在西南交通大学风工程试验研究中心进行测压风洞试验采用的有机玻璃模型周围范围内主要建筑物及环境采用泡沫塑料切成模拟类地貌大气边界条件以模型屋顶高度的气流风压为参考风压测压试验来流风速本试验在主体结构各表面布置沿高度布置在个截面共个测压点试验模拟了到的风向角间隔定义模型的正门法向方向为转盘逆时针为正本风洞试验给出了个风向角下各面各测压孔的风压系数试验结果看出各面正迎风面的正压沿横向其边缘处的风压均小于中间处的风压沿高度方向平稳变化到高度处距顶部达到最大值上部沿高度逐渐减少背风面及两侧面负压较为均匀沿高度变化较小由于大厦周围高层建筑对气流的影响大厦各面会有局部高风压区现象出现尤其是周围高层建筑物高度以下区域有放大作用也有减少作用有时甚至会出现压力系数反号当风向角为和时向向基底总剪力达到最大值数值风洞模拟本工程委托同济大学航空航天与力学学院进行数值风洞模拟数值风洞模拟与一般实验室风洞类似需设置一个风洞风洞有入口出口地面壁面大厦和周围建筑物数值模型建立于风洞中数值模型按原型尺寸建模属刚性模型建模计算和后处理由国际上领先的计算流体动力学软件完成报告提供了个风向下的各层沿向的平均风合力及绕轴总合力矩结果表明向基底总剪力最大者为风向向基底总剪力最大者为绕轴总合力矩最大者为同时给出了各不同风向下大厦各表面最大风压等值线分布云图为玻璃幕墙设计提供了依据风压等高线图分布来看各面正迎风面中部绝大部分区域为正而由于分离流的原因在边缘附近小部分区域为负压背风面一般为负压且大小比较均匀风荷载比较与取值我们将三种方法得出的正迎风面静风荷载和考虑动风荷载进行对照见图及图风洞试验表明在层以下受周边建筑的影响风洞试验风荷载值比规范值有放大作用而在层以上风洞试验风荷载值比规范值小按荷载规范计算的总风荷载比风洞试验试验的风荷载大约数值模拟与风洞试验结果基本一致风压沿高度最大值约在建筑物的高度处各层风荷载规范计算值最大数值模拟值其次风洞试验值最小规范计算的风压最大值在建筑物顶部规范计算的顶部风荷载偏大且不尽合理风压合力作用点较高总风荷载较数值模拟与风洞试验值大因而在整体计算时按规范计算偏于保守数值模拟与风洞试验结果揭示了风向角为和时向向基底总剪力最大这是现有高层计算软件不易实现的从风洞试验和数值模拟结果看大的负压出现在塔楼较低处或建筑物边缘处构的整体计算虽没有大的影响但对玻璃幕墙设计安全影响很大应引起重视在总体计算时分别对来风进行了计算风荷载取值按现行规范但建筑物顶部按照模型风洞试验结果取用并适当考虑了由数值模拟与风洞试验测出的扭矩四上部结构结构方案本工程上部结构共层其中裙房范围层塔楼总建筑高度目前是我国已建和在建钢结构高层中最高的高宽比为属超限高层大厦结构基本周期属少有的长周期高层建筑根据建筑功能建筑布置建筑高度的情况曾考虑过采用两类结构方案即全钢结构及钢混结构根据结构抗震性能施工速度结构自重以及造价综合比较本工程塔楼采用了全钢结构方案裙房和地下室在塔楼的范围外仍采用现浇钢筋混凝土结构塔楼采用了带加强层的钢框架核心筒结构体系外框架由钢柱梁组成核心筒由钢柱梁组成的钢框架和钢支撑组成利用建筑的设备避难层设置钢结构的外伸桁臂及腰桁架组成加强层道塔楼以下为裙房地下室共层采用钢骨混凝土柱这主要是为了解决钢结构塔楼与混凝土裙房能够连接协调利于节点构造处理同时充分利用高强度混凝土的抗压强度减小了钢骨的断面以下为钢骨柱钢筋混凝土截面尺寸为及钢骨为带翼缘的十字形断面以上为箱形钢柱柱断面尺寸为到钢柱板厚为到在内筒纵横各设置三道支撑采用中心支撑及八字形偏心支撑支撑采用钢断面为两种钢梁均为形钢梁以下外框梁高为以上外框为满足建筑净高的要求梁高为为保证结构整体侧向刚度内筒的框架梁高均为次梁与框架主梁采用铰接按组合梁计算为了使角部框架梁的受力均匀在角部增设次梁并且隔层调换方向楼板以压型钢板作施工模板采用现浇钢筋混凝土非组合楼板抗震及抗风设计设计要求依据文献本工程年超越概率所对应的基本烈度值分别为按重庆市地震局的批复按照年超越概率的设计地震动参数进行抗震设防由于现有计算程序无法输入度的地震动参数在抗震计算时取度的参数进行计算总体设计使用及建筑要求设置的条件塔楼部分平立面非常规则双向基本对称建筑与结构结合较好为结构抗震提供非常有利的条件全钢结构材质均匀延性较好能很好地满足抗震二道设防的要求侧力构件的设计内筒框架支撑结构在柱间均设置了钢支撑部分为偏心支撑有条件的框架柱间加设小柱以加强框架支撑的侧向刚度为提高内筒的框架支撑抗侧力体系的水平刚度加高框架的高度设计时权衡考虑梁承载力与增加水平刚度的要求设置道加强层在及顶层由外伸桁架及外框腰桁架组成加强层内筒的支撑均为中心支撑设计中比较了不同层设置加强层对水平刚度的效用程度目前所设置的层数为最佳裙房以下采用钢骨混凝土柱钢梁考虑加强整体刚度及与裙房钢筋混凝土框架结构的连接对提高结构整体的水平刚度起一定作用按照建筑抗震设计规范条框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数达到不小于结构底部总地震剪力的的要求在本工程设计中考虑到这项要求并满足了规定的要求地上层以上地震效应比较大的层采用约束屈曲耗能支撑可在罕遇地震作用下起到减震作用薄弱部分的加强底层可能产生的薄弱部位采用钢骨混凝土是对结构抗罕遇地震时地震作用的加强采用钢梁及钢支撑也可使塑性铰首先发生于支撑或梁而不是柱以保证结构不致造成倒塌加强层上下相邻的框架柱由于坚强层的设置刚度有很大的突变相连接的框架柱受力比较复杂很可能成为薄弱部位根据弹性计算的内力结果对截面要适当加强留有相当储备量再经弹塑性时程分析进行验算校核其受力与变形性能予以加强通过弹塑性时程分析检验上部结构首先产生塑性铰的层及构件调整构件截面采用约束屈曲耗能支撑使塑性铰发生移转到较次要构件确保结构满足大震不倒的目标本工程进行了超限高层抗震专项审查专家提出该建筑物高柔要解决好舒适度问题气弹模型风洞试验结果由于重庆万豪国际会展大厦高而柔又地处高层建筑密集的重庆市城区其周边建筑物和地形对风场影响显著因而其在强风作用下的风效应十分复杂在强风作用下的动力效应不容忽视为此进行了气动弹性模型风洞试验通过对重庆万豪国际会展大厦模型的气弹模型试验取得了个风向角情况下大厦的的风致振动响应经对试验结果分析获得如下结论在各风向角下在设计风速范围内万豪国际会展大厦均未发现涡激共振发生也未发生振动发散的驰振现象结构屋顶处最大横风向振动位移单边振幅为时且为最大顺风向振动位移单边振幅为时且为在各风向角下年重现期风压时大厦顶部最大振动加速度小于扭转振动角速度小于满足舒适度要求当来流风向正对结构物某一面作用时其横风向位移加速度振动响应大于顺风向位移加速度振动响应因而对于该类高层建筑结构其横风向荷载效应是不容忽略的由于周边建筑物对气流的影响大厦各面会有局部高风压现象的出现因而在进行幕墙设计时对这一问题应引起重视另外周边建筑结构对大厦风压的影响在其自身高度范围内较为显著而对大厦顶部区域影响较小大厦各侧面的最大负压大于最大正压结构分析根据结构的特殊性结构设计采用了三种软件分析计算中国建研院编及中国同济大学编美国公司主要计算结果相近计算模型按框架支撑空间模型地震力按两个方向风荷载还考虑度方向计算并考虑藕联共取个振型的结果和三条地震波时程分析所用地震加速度时时程曲线的最大值为我国在计算建筑物加速度响应特别是在横向风方面研究较少在制定规程时参考了国外标准结合我国实际情况进行了调整为此笔者用中国规程和加拿大规范分别进行了加速度计算五结束语通过对重庆万豪国际会展大厦动力特性分析可知结构基本周期属于高柔结构在结构分析时需考虑效应结构布置基本对称对结构抗震有利由风荷载控制设计采用外伸桁架及外框腰桁架是控制结构层间位移的有效方法通过多次试算可以找到较为理想的外伸桁架位置和道次并非设置的越多越好超高层钢结构底部数层采用钢骨混凝土柱既可节省钢材又可适当增加结构抗侧刚度同时可很好解决与裙房钢筋混凝土梁之间的连接问题超高层建筑的舒适度问题是设计人员考虑的重要因素宜采用多种途径验算分析采用气弹模型试验更为可靠