广州西塔结构设计方小丹

IntroductionofGuangzhouWestTowerStructureDesign广州州珠珠江江新新城城西西塔塔结构构设设计计简简介介方小小丹丹工程程概概况况广州州珠珠江江新新城城西西塔塔项项目目位位于于珠珠江江新新城城，，在在广广州州新新城城市市中中轴轴线线西西侧侧，，与与广广州州新新电电塔塔隔隔江江相相望望。。项项目目占占地地31,085m2，总总建建筑筑面面积积约约为为448,736m2。其其中中，，地地下下室室4层，，为为商商场场，，停停车车场场，，机机电电设设备备间间，，地地下下4层板板面面标标高高－－19.1米；；主主塔塔楼楼地地面面以以上上103层，，高高432米，，73层以以下下为为写写字字楼楼及及酒酒店店服服务务楼楼层层，，层层高高4.5米，，以以上上为为高高级级酒酒店店客客房房，，层层高高3.375米;主塔塔楼楼建建筑筑面面积积约约250000m2。工程程于于2005年12月26日动动工工，，先先进进行行基基坑坑支支护护及及土土石石方方工工程程；；2006年9月完完成成施施工工图图设设计计，，2008年底底主主体体结结构构封封顶顶，，2010年底底竣竣工工交交付付使使用用。。工程程概概况况工程程概概况况图3办公公标标准准层层平平面面（（23层））办公公标标准准层层平平面面（（23层））工程程概概况况图3办公公标标准准层层平平面面（（23层））酒店店客客房房标标准准层层平平面面（（78层））工程程概概况况项目目发发展展商商：：广广州州越越秀秀城城建建国国际际金金融融中中心心有有限限公公司司设计计团团队队:WEA-ARUP华南南理理工工大大学学建建筑筑设设计计研研究究院院联联合合体体施工工图图审审查查及及顾顾问问总总承承包包：：广广州州市市设设计计院院结构构专专业业顾顾问问：：广广州州容容柏柏生生建建筑筑工工程程设设计计事事务务所所施工工总总承承包包：：中中国国建建筑筑总总公公司司－－广广州州建建筑筑集集团团联联合合体体钢结结构构制制作作：：沪沪宁宁钢钢机机、、精精工工钢钢构构风洞洞试试验验单单位位：：汕汕头头大大学学风风洞洞试试验验室室，，美美国国cpp风洞洞试试验验室室节点点试试验验单单位位：：华华南南理理工工大大学学土土木木工工程程系系振动动台台试试验验单单位位：：中中国国建建筑筑科科学学研研究究院院，，同同济济大大学学风环环境境评评估估单单位位:广东东省省气气象象局局。。结构构体体系系结构构分分析析12振动动台台试试验验3设计计难难点点及及解解决决方方案案41、结结构构体体系系/抗侧侧力力结结构构体体系系1.1、抗抗侧侧力力结结构构体体系系采用用巨型型钢钢管管混混凝凝土土柱柱斜斜交交网网格格外外筒筒+钢筋筋混混凝凝土土内内筒筒的的筒筒中中筒筒体体系系。69层以以上上，，由由于于建建筑筑使使用用功功能能的的需需要要，，取取消消了了核核心心筒筒的的内内墙墙，，仅仅保保留留部部分分核核心心筒筒外外墙墙并并向向内内倾倾斜斜，，电电梯梯井井道道移移至至核核心心筒筒外外，，形形成成巨巨型型钢钢管管混混凝凝土土柱柱斜斜交交网网格格外外筒筒+剪力力墙墙结结构构体体系系。。水水平平荷荷载载（（包包括括风风荷荷载载和和地地震震作作用用））产产生生的的倾倾覆覆力力矩矩大大部部份份由由斜斜交交网网格格柱柱外外筒筒斜斜柱柱的的轴轴力力承承担担，，基基底底剪剪力力大大部部份份由由钢钢筋筋混混凝凝土土内内筒筒承承担担。。1、结结构构体体系系/抗侧侧力力结结构构体体系系广州州西西塔塔修修长长挺挺拔拔，，高高宽宽比比达达6.5，平平面面为为类类三三角角形形，，外外周周边边由由六六段段曲曲率率不不同同的的圆圆弧弧构构成成；；立立面面由由首首层层至至31层外外凸凸，，31层至103层内收，，剖面外外轮廓也也呈弧线线。西塔塔外周边边共30根钢管混混凝土斜斜柱于空空间相贯贯，节点点层间距距离27m；73层以下每每节点层层间分6层，层高高4.5m；其余分分8层，层高高3.375m。1、结构体体系/抗侧力结结构体系系广州西塔塔斜交网网格外筒筒的组成成包括：：①、竖竖向构件件——以一定角角度相交交的斜柱柱；②、、水平构构件——沿外周边边布置、、连接网网格节点点的环梁梁及沿外外周边布布置、支支承于斜斜柱的楼楼面梁。。斜交网网格筒体体的几何何构成决决定了它它抵抗水水平力的的独特优优点，侧侧向刚度度和扭转转刚度也也远优于于框筒，，但竖向向刚度比比框筒稍稍差。水水平力由由斜柱的的轴向力力平衡，，倾覆力力矩引起起的竖向向力也由由交于节节点的斜斜柱的轴轴力平衡衡。1、结构体体系/抗侧力结结构体系系斜柱中弯弯矩产生生的原因因：一是是节间的的竖向荷荷载，并并与斜柱柱的交角角和层高高相关；；二是网网格节点点的水平平位移，，相邻层层间节点点水平位位移差越越大，斜斜柱的柱柱端弯矩矩越大。。网格节节点水平平位移的的大小除除取决于于斜柱轴轴力、平平面内的的交角和和平面外外的折角角外，还还取决于于网格筒筒环梁、、内外筒筒间的拉拉梁和楼楼板的轴轴向刚度度。节点点的水平平约束越越强，斜斜柱截面面的剪力力和弯矩矩越小，，同时，，结构的的竖向刚刚度越大大。1、结构体体系/抗侧力结结构体系系计算分析析表明，，西塔的的层高不不大，斜斜柱的交交角也不不大，由由13.63゜～34.09゜，自重重引起的的弯矩也也不大；；对各节节点层施施加了体体外预应应力，阻阻止了竖竖向荷载载作用下下网格节节点的向向外水平平位移，，大大减减少了斜斜柱的柱柱端弯矩矩和剪力力，提高高了结构构的竖向向刚度。。不论是是竖向还还是水平平荷载，，斜柱的的主要内内力是轴轴力，剪剪力和弯弯矩均很很小。1、结构体体系/抗侧力结结构体系系钢管混凝凝土柱轴轴向刚度度大，承承载力高高，延性性好，以以轴力的的形式来来抵抗风风荷载和和地震作作用产生生的水平平力和倾倾覆力矩矩，正好好发挥了了钢管混混凝土结结构的优优势，十十分高效效。此外外，由于于斜柱底底端弯矩矩、扭矩矩很小，，即使释释放支座座处X、Y、Z三个方向向的转角角约束，，结构自自振频率率的变化化甚微，，即斜柱柱支座刚刚接或铰铰接对结结构的侧侧向刚度度和构件件内力的的影响很很小，这这就可以以简化支支座的设设计和构构造。1、结构体体系/抗侧力结结构体系系钢管混凝凝土外筒筒斜柱断断面尺寸寸：从基底开开始，钢钢管直径径1800mm，壁厚35mm，每一个个节点层层直径缩缩小50mm或100mm，至顶层层钢管直直径700mm，壁厚20mm。核心筒外外墙厚：：地下室1100mm，出地面面1000mm，沿高度度方向逐逐渐减薄薄至酒店店层下层层500mm；酒店层层以上4层350mm，其余300mm；核心筒内内墙厚：：500mm。1、结构体体系/楼盖结构构体系1.2、楼盖结结构体系系首层以下下及核心心筒内采采用钢筋筋混凝土土梁板，，板厚130～200mm。内外筒筒之间采采用钢－－混凝土土组合楼楼盖，梁梁跨度约约8～15m，工字钢钢梁高一一般为450mm，跨度较较大处加加高至600mm；办公楼楼层板厚厚一般为为110mm，酒店楼楼层板厚厚一般为为130mm，板跨度度较大处处局部加加厚。1、结构体体系/基础1.3、基础主塔楼位位置基础础底板已已到达中中微风化化泥质粉粉砂岩层层。考虑虑到部分分柱位下下岩石裂裂隙较发发育，采采用人工工挖孔桩桩（墩））基础，，持力层层均为微微风化粉粉砂岩或或砾岩，，设计要要求岩样样天然湿湿度单轴轴抗压强强度不小小于13MPa。桩径3200~4800mm，桩长约约6~13m。单桩竖竖向承载载力特征征值为110000kN~247000kN。部分桩桩有抗拔拔要求，，单桩抗抗拔承载载力特征征值为5000kN~15000kN。主塔楼位位置基础础底板厚厚2.5m。1、结构体体系/基础1、结构体体系/主要结构构用料1.4、主要结结构用料料钢材：Q345B－除节点点外的外外筒钢管管混凝土土斜柱，，楼盖钢钢梁及其其他钢结结构构件件Q345GJC－节点部部分的钢钢管、椭椭圆拉板板及加强强环板1860级高强低低松弛钢钢绞线－－节点层层体外预预应力索索1、结构体体系/主要结构构用料1.4、主要结结构用料料混凝土：：C50－桩及基基础底板板C80~C50－核心筒筒及剪力力墙C70~C60－外筒钢钢管混凝凝土斜柱柱C90~C60－外筒钢钢管混凝凝土斜柱柱节点C40~C35－楼板结构体系系结构分析析21振动台试试验3设计难点点及解决决方案42、结构分分析/分析模型型2.1、分析软软件ETABSANSYSSAP20002.2、分析模模型钢管混凝凝土斜交交网格外外筒－空空间杆单单元由于实际际节点尺尺寸较大大，一般般节点高高度有8～15m高，而在在结构整整体计算算中，节节点一般般也简化化为杆件件的连接接点，故故在结构构整体计计算中如如何模拟拟节点是是非常重重要的。。本节对对节点分分别采用用实体单单元（图图1）和杆单单元（图图2）进行模模拟，在在相同的的力和位位移边界界条件下下通过比比较位移移可以判判明结构构整体计计算的模模型能否否模拟实实际节点点的刚度度。2、结构分分析/分析模型型2、结构分分析/分析模型型实体模型型和杆件件模型计计算位移移比较竖向位移移径径向向位移环环向位位移实体模型型0.5081.7731.029杆件模型型0.542.0661.443两者比值值1.061.171.40可以看出出，实际际节点模模型的竖竖向和径径向位移移相比杆杆件模型型的位移移略小，，节点刚刚度略大大。2、结构分分析/分析模型型在节点处处虽然两两根钢管管柱相贯贯，总截截面面积积减少，，但由于于节点区区壁厚增增加且增增加了椭椭圆拉板板，节点点实际刚刚度比两两根钢管管柱刚度度之和还还略大。。而对于于环向位位移,两者差异异较大，，但考虑虑到实际际杆件相相交处近近乎圆形形，基本本轴对称称，环向向位移较较小，对对结构整整体内力力的影响响非常小小，故斜斜交网格格外筒按按杆系进进行结构构整体分分析的结结果是可可以接受受的。2、结构分分析/分析模型型外框钢管管柱中混混凝土的的轴向刚刚度除了以上上的节点点刚度分分析之外外，必须须保证钢钢管柱中中混凝土土没有承承受拉力力，或在在拉力下下不发生生开裂，，这样才才可以合合理地假假定外筒筒柱可采采用其弹弹性刚度度。在竖向荷荷载、风风荷载和和地震作作用的标标准组合合下，90层以下钢钢管混凝凝土柱没没有出现现拉力；；90层以上上，外外框柱柱虽然然出现现拉力力，但但拉应应变小小于混混凝土土的轴轴心抗抗拉强强度标标准值值下的的拉应应变，，能确确保不不引起起混凝凝土的的开裂裂。2、结构构分析析/分析模模型钢筋混混凝土土楼板板－壳壳单元元核心筒筒中的的楼板板为刚刚性板板。核心筒筒外的的楼板板为弹弹性板板－刚刚度折折减（（0,0.25,0.5)钢筋混混凝土土内筒筒－壳壳单元元楼盖钢钢梁－－梁单单元连梁刚刚度折折减系系数为为0.8计算嵌嵌固部部位－－地下下4层（底底板顶顶面））2、结构构分析析/分析模模型结构分分析主主要输输入参参数楼层层层数：：108层（包包括地地下室室）风荷载载：100年重现现期基基本风风压0.6kPa地震作作用：：单向向/偶然偏偏心(±5%)/双向地震作作用计计算：：振型型分解解反应应谱法法/弹性时时程分分析/动力弹弹塑性性分析析地震作作用方方向：：结构构平动动基本本周期期方向向及平平行/垂直于于三角角形各各边地震作作用振振型组组合数数：30地震效效应计计算方方法：：考虑虑扭转转耦连连CQC法周期折折减系系数：：0.852、结构构分析析/分析模模型活荷载载折减减：按按规范范折减减自重调调整系系数：：1.0楼板假假定：：核核心筒筒内板板为刚刚性板板，筒筒外楼楼板为为弹性性楼板板小震和和中震震结构构阻尼尼比：：0.04大震结结构阻阻尼比比：0.05重力二二阶效效应(P-Δ效应)：考虑虑楼层水水平地地震剪剪力调调整：：考考虑虑楼层框框架总总剪力力调整整：考考虑2、结构构分析析/分析模模型结构设设计预预期目目标结构耐耐久性性：设设计使使用年年限100年。正常使使用状状态结构、、构件件有必必要的的刚度度；室内混混凝土土构件件的裂裂缝宽宽度≤≤0.3mm；重现期期10年的风风荷载载作用用下，，建筑筑物顶顶点加加速度度≤0.2m/s2。承载力力及位位移极极限状状态重现期期100年风荷荷载、、小震震作用用下，，结构构弹性性；中震作作用下下，结结构基基本弹弹性；；大震作作用下下，结结构不不倒塌塌，可可修复复。2、结构构分析析/分析结结果2.3、分析析结果果周期及及质量量参与与系数数92.0091.3490.920.550.690.290.43031591.4590.6590.642.110.230.170.54271489.3490.4290.460.350.781.010.55401388.9989.6489.450.011.190.950.57091288.9888.4588.500.072.031.500.71901188.9186.4287.000.011.341.970.73811088.9085.0885.034.560.040.000.7665984.3385.0385.030.185.002.601.1553884.1680.0482.420.062.635.031.1773784.0977.4177.3910.410.140.001.2132673.6877.2777.390.0110.567.542.1682573.6666.7169.850.017.5910.482.1973473.6559.1259.3773.590.010.002.762630.0559.1159.370.001.8057.507.509120.0557.311.870.0057.311.877.57201SumRZ(%)SumUY(%)SumUX(%)RZ(%)UY(%)UX(%)Period(s)Mode2、结构构分析析/分析结结果层间位位移角角2、结构构分析析/分析结结果水平位位移2、结构构分析析/分析结结果基底反反力3828718.55G(KN)总重量1.861.861.86Q0/G(%)711887118871188基底剪力Q0(KN)19.419.419.4基底弯矩M0(GN-m)风荷载作用WYR100CWYR100BWYR100A项目3828718.55G(KN)总重量1.471.48Q0/G(%)5646456525基底剪力Q0(KN)12.612.5基底弯矩M0(GN-m)地震作用SPECYSPECX项目混凝土土内筒筒承担担的竖竖向荷荷载约约占总总重的的57％；钢钢管混混凝土土斜交交网格格外筒筒承担担的竖竖向荷荷载约约占总总重的的43％。内内筒承承担的的基底底剪力力约占占总剪剪力的的61%，而外外筒承承担约约39%；内筒筒承担担的倾倾覆力力矩约约占总总倾覆覆力矩矩的39%，外筒筒约占占61%。2、结构构分析析/分析结结果竖向荷荷载作作用下下核心心筒弹弹性变变形图图2、结构构分析析/分析结结果竖向荷荷载作作用下下外筒筒弹性性变形形图2、结构构分析析/分析结结果风荷载载作用用下侧侧向变变形图图2、结构构分析析/分析结结果风荷载载作用用下外外筒斜斜交网网格柱柱轴力力分布布图2、结构构分析析/分析结结果结构前前三阶阶振型型图2、结构构分析析/分析结结果温度效效应分分析结构合合拢温温度范范围约约为10-35℃。由于于使用用期间间西塔塔的结结构构构件都都处于于室内内环境境，有有空调调控制制温度度，一一般在在20℃℃-28℃℃左右，，因此此，所所有内内部构构件只只需考考虑±10℃的温度度变化化。把把温度度荷载载施加加于ETABS三维模模型上上进行行分析析，可可得构构件轴轴力最最大内内力设设计值值增加加的百百分比比分别别为：：外框框柱约约1.1％、楼楼面环环梁约约2.2％、楼楼面拉拉梁约约3.8％，都都可忽忽略不不计。。2、结构构分析析/分析结结果徐变分分析图9内筒的的竖向向压缩缩量(一年后后)2、结构构分析析/分析结结果徐变分分析图9内筒的的竖向向压缩缩量(一年后后)结构体体系结构分分析32振动台台试验验1设计难难点及及解决决方案案43、振动动台试试验2007年2月14日在中中国建建筑科科学研研究院院振动动台实实验室室进行行了西西塔结结构模模拟地地震振振动台台试验验.模型几几何比比尺1/50,满足动动力和和重力力相似似关系系.试验表表明,结构模模型在在7度罕遇遇地震震作用用后仍仍可保保持弹弹性.3、振动动台试试验在振动动台试试验过过程中中，结结构在在各工工况地地震作作用下下，振振动形形态基基本为为平动动，结结构整整体基基本无无扭转转效应应。模型在在经历历了7度小震震、7度中震震、7度罕遇遇地震震作用用后，，自振振特性性有微微小变变化，，结构构基本本处于于弹性性状态态。模型在在经历历了8度罕遇遇地震震作用用后,自振特特性又又有微微小变变化，，核心心筒剪剪力墙墙未见见明显显裂缝缝，外外围铜铜管混混凝土土构件件未见见明显显屈服服，说说明模模型结结构稍稍有损损伤，，模型型最大大层间间位移移角为为1/133。试验说说明，，原型型结构构设计计在8度罕遇遇地震震作用用下满满足规规范要要求。。结构体体系结构分分析42振动台试验验3设计难点及及解决方案案14、设计难点点及解决方方案4.1、楼层平面内内拉力问题题西塔建筑造造型独特，，由钢管混混凝土柱组组成的斜交交网络外框框筒分为16个节，每个个节27M，钢管混凝凝土柱在每每个节间为为直线段，，相邻节段段的柱于节节点层形成成一个折点点，并于节节点层平面面内产生向向外的推力力，如下图图所示,从而在楼层层梁板中产产生了拉力力。抵抗该该拉力是本本工程设计计中的技术术难点之一一。4、设计难点点及解决方方案通过分析可可知，由外外筒斜柱竖竖向力传递递转折而产产生的向外外的推力可可由钢管混混凝土柱本本身的剪力力、外环梁梁的拉力、、连接柱与与核心筒的的拉梁及楼楼板的拉力力来平衡。。一般说来，，钢管混凝凝土柱的优优势在于承承受轴向力力，过大的的剪力和弯弯矩会降低低钢管混凝凝土柱的承承载能力；；而钢筋混混凝土楼板板则有裂缝缝宽度的限限制。因此此，本工程程采取了外外框筒环梁梁+拉梁+核心筒内闭闭合环梁构构成的独立立的平面内内抗拉体系系，如下图图所示。4、设计难点点及解决方方案4、设计难点点及解决方方案4.2、外框筒斜柱柱相贯节点点问题本工程的第第二个主要要技术难点点是组成斜斜交网格外外框筒的钢钢管混凝土土柱“X”形相贯节点点。建筑师师要求两根根钢管混凝凝土柱空间间相贯。在在柱轴线交交点处截面面面积最小小，所受轴轴力最大。。因此,必须设计一一个特殊节节点以满足足既不加大大节点的截截面尺寸，，又能满足足承受更大大内力的要要求。4、设计难点点及解决方方案我们研究设设计了一个个新型节点点，利用竖竖向放置的的椭圆形拉拉板连接四四根相贯的的钢管，节节点区内钢钢管壁适当当加厚，细细腰处设置置水平加强强环。(如图所示)。该节点形形式简洁，，受力明确确，方便管管内混凝土土的浇灌。。目前已完完成两个阶阶段的试验验，试验证证明该节点点承载力及及刚度均能能满足要求求。4、设计难点点及解决方方案节点模型4、设计难点点及解决方方案节点局部4、设计难点点及解决方方案弹性阶段钢管环向应应力钢钢管竖竖向应力4、设计难点点及解决方方案弹性阶段椭圆拉板横横向应力椭椭圆拉拉板竖向应应力4、设计难点点及解决方方案弹塑性阶段段钢管环向应应力钢钢管管竖向应力力4、设计难点点及解决方方案弹塑性阶段段椭圆拉板横横向应力椭椭圆拉拉板竖向应应力4、设计难点点及解决方方案弹塑性阶段段外加强钢环环板环向应应力外外加强强钢环板环环向应力4、设计难点点及解决方方案B1试件（20度）承载力力－位移曲曲线4、设计难点点及解决方方案B3试件（35度）承载力力－位移曲曲线4、设计难点点及解决方方案节点试验4、设计难点点及解决方方案节点试验4、设计难点点及解决方方案节点试验4、设计难点点及解决方方案节点试验4、设计难点点及解决方方案节点试验4、设计难点点及解决方方案节点试验结结论从试验现象象来看，角角节点的最最终破坏现现象主要表表现为节点点区钢管鼓鼓起，没有有达到“强节点”设计原则，，边节点的的最终破坏坏现象主要要表现为非非节点区钢钢管鼓起，，实现了“强节点”设计原则。。但试件的的非节点区区杆件长度度较短，尤尤其是角节节点，考虑虑实际结构构杆件有较较大长细比比以及受弯弯矩作用，，实际结构构的角节点点和边节点点均可以实实现“强节点”设计原则。。4、设计难点点及解决方方案4.3、设计风荷载载问题广州西塔建建筑造型修修长挺拔，，高宽比超超过6.5，风荷载为为结构设计计中的控制制荷载。毗毗邻拟建东东塔的干扰扰，使西塔塔的风反应应更为复杂杂。本工程程通过风气气象分析确确定了本区区域的风况况及设计风风参数，并并通过大气气边界层风风洞刚性模模型同步测测压试验确确定大楼的的等效风荷荷载。4、设计难点点及解决方方案风洞试验及及结构的风风致响应分分析结果表表明：结构构的动力性性能包括阻阻尼比、自自振频率等等对结构风风反应影响响很大；结结构横风向向风荷载效效应远大于于顺风向风风荷载效应应。对于此此类截面接接近圆形的的超高层建建筑，易引引起跨临界界强风共振振。周边环环境特别是是拟建的东东塔对西塔塔的风反应应也有一定定影响。4、设计难点点及解决方方案以下为西塔塔385米高度处的的气动力功功率谱，气气动力Fx,Fy为根据该楼楼层风压时时程积分的的结果，相相应坐标系系见右图。。4、设计难点点及解决方方案0度风向角FxFy4、设计难点点及解决方方案120度风向角FxFy4、设计难点点及解决方方案240度风向角FxFy4、设计难点点及解决方方案0度为典型的的风荷载谱谱，体现在在Fx和Fy有非常不同同的特征：：Fx为顺风向湍湍流作用的的结果，在在其谱中没没有明显的的峰值，脉脉动力各个个频率分量量的分布和和脉动风谱谱类似，而而横风向Fy的谱则有非非常明显的的峰值，这这个峰值所所对应的频频率值即为为漩涡脱落落频率，图图中的3条红线分别别对应于结结构的前3阶固有频率率，由图中中可见，结结构的前两两阶固有频频率基本和和漩涡脱落落频率一致致，这意味味着会有潜潜在的涡激激共振问题题。4、设计难点点及解决方方案西塔的风振振基本是横横风向控制制的，且在在横风向响响应和荷载载中，平均均量一般都都很小，而而共振分量量又远远超超过背景部部分占有相相当大的成成分，因此此，最终结结构的峰值值响应或等等效静风荷荷载还要很很大程度地地取决于峰峰值因子和和结构阻尼尼比的选取取。4、设计难点点及解决方方案峰值因子和和结构阻尼尼比对等效效风荷载的的影响：4、设计难点点及解决方方案结构顶部加加速度随阻阻尼比的减减少而增加加：4、设计难点点及解决方方案设计时风荷荷载参数的的取值为：：①考虑到到西塔的设设计荷载是是根据100年基本风压压进行计算算而得到的的，这种