[PPT]某金融中心结构设计

1、某金融中心SHANGHAI WORLD FINANCIAL CENTER结构设计工程概况结构体系超限内容设计依据地震工程研究风工程研究结构计算结构构件及节点设计拟建中的某金融中心位于上海陆家嘴金融贸易区，坐落于陆家嘴绿地对面。此建筑为多功能的摩天大楼，主要用作办公室用途，但也有一些楼层用作包括办公室、宾馆、商贸、零售、展览及其它公共设施。大楼地上101层，地下3层，地面以上高度为492米。当该建筑建成时，有可能成为世界上最高的建筑物。主楼建筑面积为252,935 m2，裙房为33,370 m2，地下室为63,751 m2。工程概况地基基础地质概况 本场地位于长江支流黄埔江的一个河湾附近。本场地

2、土壤为全新世（近代的）、上更新世及中更新世冲积、三角洲沉积、海岸积土及浅海洋沉积土。花岗底岩位于本场地下大约275m深处。 深度土类土类描述粘土 粉土 砂 砾层序填土有机粉质粘土粉质粘土粉质细砂砂质粉土粉质细砂粉质粘土粉质细砂细至中粗砂粘质，砂质粉土粉质黏土核芯筒底部剪力墙基础： 本大楼的基础形式为桩筏基础。主楼范围的桩已于1997年10月到1998年7月期间施工完成，桩基采用直径为700mm的钢管桩，桩顶标高19.000，桩长4059m。主楼采用厚度约为4.5米的底板，支承于桩基之上，板顶标高14.500。本次设计采用了周边剪力墙、交叉剪力墙和翼墙组成的传力体系，将核心筒剪力墙承受的荷载传递

3、到主楼的四角。 裙房的桩基嵌固在二米厚的筏板之上，桩和筏板被设计来抵抗来自地下水的浮力。 周边地下连续墙及降水 本工程地下三层，地下室的永久周边墙采用厚度约为一米的地下连续墙。地下连续墙能承受施工及正常使用状态的荷载，也用于有效地减少流入场地的地下水。 地下水位于地面以下约500mm。在挖掘施工进行中会进行降水，但本工程项目不设永久的降水系统。因此，地下三层的底板将能承受地下水造成的静水压力。抗侧力体系： 为对抗来自风和地震的侧向荷载，大楼同时采用以下三个结构体系：由巨型柱（主要的结构柱），巨型斜撑（主要的斜撑）和带状桁架构成的巨型结构体系；钢筋混凝土核心筒与带混凝土端墙的钢支撑核心筒体系；构

4、成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂桁架体系。 以上三个体系共同承担了由风和地震引起的倾覆弯矩。前二个体系承担了由风和地震引起的剪力。主楼结构体系带状桁架巨型斜撑巨型柱混凝土周边墙巨型结构体系 上部核心筒中部核心筒下部核心筒周边剪力墙埋置型钢的混凝土端墙钢支撑核心筒核心筒体系 三层楼高的伸臂桁架核心筒巨型柱伸臂桁架体系 OUTRIGGER TRUSS 伸臂桁架 - 第19层 伸臂桁架 - 第67层 伸臂桁架 - 第91层显著减低建筑物整体变形中的弯曲部分减少由地震及风载所产生直接位于核心筒以下桩基的荷重减少由活荷载引起的核心筒和周边墙体之间楼板的倾斜度为抗侧力体系提供一个重要的附加余度伸臂桁

5、架体系的功能 减低核心筒承担的倾覆力矩 200年风荷载YXYX伸臂桁架体系的功能 核心筒巨型结构巨型结构核心筒巨型斜撑巨型柱 伸臂桁架带状桁架核心筒周边桁架共同作用 巨型斜撑巨型柱 伸臂桁架核心筒剪力墙带状桁架共同作用 楼层系统标准办公层及酒店层楼面采用普通混凝土与“Lysaght 3W”压型钢板组成的组合楼盖，全厚156mm。在54层以上的设备层及所有设备层相邻上一层，由于布置有带状桁架和伸臂桁架，所以采用总厚度为200mm。的组合楼板，以增强抗侧力体系。在54层以下的设备层，采用一种10mm厚平钢板上浇注190mm混凝土的楼板体系，以进一步加强楼板。楼层的主、次梁采用组合截面或热轧型钢，设

6、计考虑了钢梁与混凝土楼板的组合作用。 高度超限：现设计塔楼地面以上高度为492m。根据高层建筑混凝土结构技术规程，抗震设防烈度为七度，钢框架混凝土核心筒结构的最大高度限制为160m，劲性混凝土框架混凝土核心筒的最大高度限制为190m。本建筑的高度明显地超过了现有规范的限值。高宽比超限：根据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002），抗震设防烈度为七度的建筑高宽比（H/B）的限值为7。现设计塔楼底部的尺寸为57.95m，塔楼的高宽比（H/B）为8.5，超过了规范规定的限值。 超限内容HB三层楼高的伸臂桁架核心筒 巨型柱混凝土周边墙超限内容加强层和转换层：本建筑存在一些加强层和转换层，这意

7、味着本建筑可归类为竖向不规则结构。但这些特殊的楼层在整个塔楼高度上的竖向分布有相当程度的规则性，且融合在整个结构体系中。规则分布的加强层和转换层每十二层一个的带状桁架和核心筒转换桁架三个三层楼高的伸臂桁架基本设计参数 设计使用年限：主楼为100年，裙房为50年 安全等级结构设计依据结构类型 乙类建筑（重要建筑）抗震等级基本地震参数基本地震烈度7度抗震构造措施采用的设防烈度8度场地类型 = 第IV类场地特征周期 多遇地震: 0.9s罕遇地震: 1.1s水平地震影响系数最大值:多遇地震: max= 0.08 罕遇地震: max= 0.45阻尼比, = 0.04位移限值地震工程研究计算机分析动态反应

8、谱分析弹性时程分析静力推覆（Pushover）分析试验地震振动台试验动力反应谱分析动力反应谱分析包括了足够的振型，使建筑物质量的参与度超过百分之九十。每一振型的峰值反应均采用CQC方法组合。分析考虑了双向的水平地震作用效应和扭转的影响。单向反应谱分析考虑了0度、45度、90度和135度四个方向。双向反应谱分析下表列出的四个工况。设计用动力反应谱（常遇地震） 分析中选用的地震波记录时程分析地震波: SHW 2地震波: SHW 3地震波: DWN地震波: PMN地震波: SHW3N地震波: SHW4N中国抗震设计的基本原则:“中震可修，大震不倒”时程分析时程分析 地震类别 峰值加速度 常遇地震0.

9、035g常遇地震（长周期振型反应）0.055g设防烈度地震0.10g罕遇地震0.22g时程分析中的楼层剪力时程分析中的层间位移采用的地震记录反应谱的比较 静力推覆分析结果由反应谱反应至实际反应的转换:结构在罕遇地震作用下的反应(最大层间位移规范限值 = 1/100)推覆分析的荷载分布 按质量比例 按第一振型比例 均布荷载推覆分析在不同荷载分布下的楼层剪力 按质量比例 按第一振型比例 均布荷载X向荷载作用下静力推覆曲线0.E+001.E+052.E+053.E+054.E+055.E+056.E+057.E+058.E+059.E+05012345678位移 (m)底部剪力(kN)核心筒底部弯曲

10、塑性铰核心筒剪切塑性铰(8层)核心筒剪切塑性铰(9-16层,20-24层,55层)核心筒剪切塑性铰(FL32)巨型斜撑塑性铰(54层)核心筒极限抗剪承载力(12层)核心筒极限抗剪承载力(8层,16层)核心筒剪切塑性铰(7层)巨型柱塑性铰(30层南和东立面)巨型斜撑塑性铰 (42层, 18层) 巨型斜撑塑性铰(30层) 巨型斜撑塑性铰(66层)巨型柱塑性铰(54层南和东立面) 1.82罕遇地震YX( I ) = 2.8 m( I I) = 3.9 m( III) =5.7 m( IV ) = 7.0 m东立面-X方向FL88FL78FL66FL54FL42FL30FL18Y向荷载作用下静力推覆曲

11、线0.E+001.E+052.E+053.E+054.E+055.E+056.E+057.E+058.E+059.E+05012345678位移 (m)底部剪力(kN)核心筒底部弯曲塑性铰核心筒弯曲塑性铰(8层)核心筒剪切塑性铰(89层-91层)巨型斜撑塑性铰(18层,54层) 核心筒剪切塑性铰(55层)巨型斜撑塑性铰(30层)巨型斜撑塑性铰(42层)巨型斜撑塑性铰(66层) 2.03罕遇地震YX( I ) = 3.3m( I I) = 3.8m( III) =5.2m( IV ) =5.7m东立面-Y方向FL88FL78FL66FL54FL42FL30FL18X向荷载作用下静力推覆曲线0.E

12、+001.E+052.E+053.E+054.E+055.E+056.E+057.E+058.E+059.E+05012345678位移 (m)底部剪力(kN)核心筒底部弯曲塑性铰核心筒剪切塑性铰(8-11层)巨型斜撑塑性铰(18层,66层) 核心筒剪切塑性铰(32-34层, 53-55层)巨型斜撑塑性铰(54层,78层,88层) 核心筒剪切塑性铰(12层,13层,20-24层,40层)巨型斜撑塑性铰(30层,42层) 1.97罕遇地震YX( I ) = 2.3 m( I I) = 3.2 m( III) =3.8 m( IV ) = 5.0 mFL88FL78FL66FL54FL42FL30

13、FL18东立面-X方向地震振动台试验 本工程由同济大学土木工程防灾国家重点实验室、土木工程学院结构工程与防灾研究所进行模拟地震振动台试验研究。主要内容如下：测定结构模型的动力特性：自振频率、振型和阻尼比，研究它们在不同水准地震作用下的变化；测定模型结构在分别遭受设防多遇、基本、罕遇不同水准地震作用下的反应，检验结构是否满足三水准的抗震设防要求；观测、分析整体结构薄弱环节；研究分析结构在地震作用下的破坏部位以及破坏模式、破坏机理。只包括地面以上的塔楼部分钢：由铅板/铜板来模拟钢筋混凝土:由细石混凝土和钢丝来模拟设置50到60个加速度传感器考虑扭转效应1:50比例的模型添加质量块模型制作1模型制作

14、2施加在最关键的角度监察扭转振动七度设防烈度下多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震激振薄弱部位的发现根据模拟地震振动台试验结果，在特大地震作用时（8度罕遇），原型结构设计方案中存在的薄弱部位如下：从15层的周边剪力墙向巨型柱转换的6层处，巨型柱出现明显的破坏；薄弱部位的发现7层楼面多根钢柱出现较大变形、甚至屈服破坏。对结构设计的建议 根据模拟地震振动台试验结果，结构设计中应注意适当增加以下部位构件的刚度、强度和延性，以改善结构的抗震性能。具体如下：建议采取适当措施适当提高第5层和第6层巨型柱的强度和延性；在伸臂桥架、带状桥架与巨型斜撑的交汇处，加强节点的连接；适当加强6层7层楼面钢柱的刚度。风工程

15、研究由设计单位和西安大略大学的边界层风洞试验室完成全面的研究计划包括:上海的风气候研究测力天平试验压力试验环境测试气弹试验台风与非台风设计风荷载结构强度设计- 200年一遇 - UWO风速为46.3m/s - 阻尼比为2.5 - 1.1的反应增大系数2. 正常使用状态设计(位移)- 100年一遇- UWO风速为43.7m/s- 阻尼比为2风速之比较 UWO混合风气候 中国规范强度设计服务状态设计 重现期 (年)十分钟持续平均风速 (m/s)结构分析全面的整体分析包括:静力分析 (短期重力和风载)动力反应谱分析弹性时程分析非线性静力推覆(Pushover)分析考虑长期荷载与材料长期性能的静力分析

16、施工过程分析计算程序ETABS (版本8,具有非线性分析功能)国际认可SATWE在中国被广泛地运用并且被认可SAP2000国际认可MIDAS/GENMori公司用以进行独立分析 模型假定模拟抗侧力体系和主重力体系次重力体系被省略 核心筒外楼板的平面刚度被 模拟6.52 秒 6.34 秒2.55 秒振型 1振型 2振型 3位移 100年一遇风荷载X向 ETABS SAP2000 SATWEYX ETABS SAP2000 SATWEY向YX位移 常遇地震 ETABS SAP2000 SATWEX向YX ETABS SAP2000 SATWEY向YX层间位移 100年一遇风荷载h/500 限值 E

17、TABS SAP2000 SATWEX向YXh/500 限值 ETABS SAP2000 SATWEY向YXh/500 限值 ETABS SAP2000 SATWE层间位移 常遇地震Y向h/500 限值 ETABS SAP2000 SATWEX向YXYX结构构件及节点设计核心筒剪力墙巨型柱巨型斜撑核心筒内转换体系周边剪力墙上部核心筒中部核心筒下部核心筒筒体剪力墙设计通过加强楼板和巨型结构联系在一起钢支撑框架在效应上如同在建筑物曲面上的支撑 使垂直面的支撑框架得以连成整体 对建筑外貌的影响最小钢支撑上部核心筒体系没有展示其上的支撑及其它结构加强的楼板巨型斜撑没有展示其下的支撑及其它结构巨型柱钢支

18、撑核心筒加强的楼板埋置型钢的混凝土端墙钢支撑核心筒上部核心筒与中部核心筒的转换中部核心筒与下部核心筒的转换加强楼板上部核心筒与中部核心筒的转换剪力传递 - 500mm厚加强楼板 (由混凝土楼板和平钢板组成)垂直荷载传递 - 预埋钢柱及边缘构件 (延伸至中部核心筒12层以上)- 与中部核心筒连续的混凝土端墙及埋置的钢桁架上部核心筒与中部核心筒的转换 79层加强楼板上部核心筒钢框架下弦加强钢板500mm厚混凝土楼板中部核心筒埋置型钢的混凝土端墙钢框架横跨下部核心筒端墙角部埋置型钢延伸至66层加强楼板和中部核心筒连续的混凝土端墙中部核心筒与上部核心筒的转换核心筒墙体的竖向应力(常遇地震) F22(k

19、N/m)VERTICAL STRESSkN / m3,800-4,6003,100-3,8000-800800-1,5001,500-2,3002,300-3,1004,600-5,4005,400-6,2006,200-6,9006,900-7,7007,700-8,5008,500-9,2009,200-10,000竖向应力墙内应力(kN/m)6,9005,0005,0001,5004,500上部核心筒内力分解图(常遇地震)4,500中部核心筒与下部核心筒的转换剪力传递 - 4层加强楼板 (由混凝土楼板和平钢板组成)垂直荷载传递 - 中部核心筒大部份与下部核心筒连续 - 预埋钢柱及边缘构件

20、 (延伸至下部核心筒12层以上)- 3层搭接中部核心筒与下部核心筒的转换中部核心筒与下部核心筒的转换 加强楼板用于传递剪力中部和下部核心筒的竖向荷载传递(倾覆弯矩下)H2H1 = H2V1V1H1V1H1H2V1H4V1V2H1 = H2H3V1H2 + H3 0H3 = H4H2V2H1V2V1H1H2H3V2H4V1H4V1V2H1 V1V2V2V1V2V1H1H4H4H6H4V1V2H1 V1V2V3V3H5H4 + H5 0H6H6 = H5V2V1V3V1V2V3H5H1H6V1V2H1 V1V2V3V3H6V2V1V3V1V2V3H6H1H6V1V2H1 V1V2V4V4H6 +

21、H7 0H7H8 = H7V3H8V3V2V1V1V2V3V3V4V4H6H1H7H8V1V2H1 V1V2V4V4V3H8V3V2V1V1V2V3V3V4V4H1H8H8V1V2H1 V1V2V5V4H8 + H9 0H9H10 = H9V3H10V3V4V5V2V1V1V2V3V3V4V4V5V5H1H8H9H10V1V2H1 V1V2V5V4V3H10V3V4V5V2V1V1V2V3V3V4V4V5V5H1H10H10V1V2H1 V1V2V6V4H10 + H11 0H11H12 = H11V3H12V3V4V6V5V5V2V1V1V2V3V3V4V4V5V5V6V6H1H10H11H

22、12V1V2H1 V1V2V6V4V3H12V3V4V6V5V5V1V2V3V4V5V5V6V6V2V1V3V4H1H12H12V1V2H1 V1V2V7V4H12 + H13 0H13H14 = H13V3H14V3V4V7V5V5V6V6V1V2V3V4V5V5V6V6V2V1V3V4V7V7H1H12H13H14V1V2H1 V1V2V7V4V3H14V3V4V7V5V5V6V6V1V2V3V4V5V5V6V6V2V1V3V4V7V7H1H14 埋置的钢柱边缘构件埋置型钢柱约束边缘构件门洞增加核心筒的延性轴压比被控制在0.5以下布置对称和规则的洞口在连梁中采用斜向配筋混合巨型柱设计(类形

23、 A)埋置型钢 = 混凝土面积的3%至4% 混合巨型柱(类形 B)埋置型钢 = 混凝土面积的3%至4% 地震力组合作用下的巨型柱轴压比- 全部保持在0.65以下- 在伸臂桁架层及其上、下相邻一层，巨型柱轴压比在0.6以下巨型柱轴压比巨型柱(类型B)的应力比FL67巨型柱应力比值00.250.50.751.00.460.480.380.34常遇地震 (0.035g)长周期振型反应 (0.055g)中度地震 (0.1g)罕遇地震 (0.22g)FL6700.250.50.751.00.460.480.380.34重力荷载常遇地震 (0.035g)长周期振型反应 (0.055g)中度地震 (0.1g

24、)罕遇地震 (0.22g)巨型柱(类型B)的应力比巨型柱应力比值FL6700.250.50.751.00.460.480.380.34地震荷载系数x材料安全系数 = 1.3 x1.4常遇地震 (0.035g)长周期振型反应 (0.055g)中度地震 (0.1g)罕遇地震 (0.22g)巨型柱(类型B)的应力比巨型柱应力比值M2 (KN-m)P (KN)-1.E+06-8.E+05-6.E+05-4.E+05-2.E+050.E+002.E+054.E+056.E+050.E+002.E+054.E+056.E+058.E+051.E+06承载能力(P,M2)的关系曲线巨型柱类型B巨型柱类型B的

25、承载力200年风荷载组合重力荷载组合P (KN)-1.E+06-8.E+05-6.E+05-4.E+05-2.E+050.E+002.E+054.E+056.E+050.E+002.E+054.E+056.E+058.E+051.E+06M3 (KN-m)承载能力(P,M3)的关系曲线巨型柱类型B巨型柱类型B的承载力200年风荷载组合重力荷载组合斜撑维持低水平的应力比常遇地震下，应力比低于0.55 罕遇地震下，应力比低于1.0地震荷载组合中采用1.3内力增大系数灌注于巨型斜撑中的混凝土更进一步增加其预留受压强度内灌的混凝土也增加了结构的阻尼巨型斜撑的设计混凝土抗剪栓钉 腹板翼缘板巨型斜撑的应力比常遇地震 (0.035g)长周期振型反应 (0.055g)中度地震 (0.1g)罕遇地震 (0.22g)FL6700.250.50.720.590.530.440.751.0巨型斜撑应力比值FL6700.250.50.720.590.530.44内力放大系数 = 1.30.751.0巨型斜撑的应力比常遇地震 (0.035g)长周期振型反应 (0.055g)中度地震 (0.1g)罕遇地震 (0.22g)巨型斜撑应力比值FL6700.250.50.720.590.5