广州珠江新城西塔结构设计简介

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层以下下为写写字楼楼及酒酒店服服务楼楼层，，层高高4.5米，以以上为为高级级酒店店客房房，层层高3.375米;主塔楼楼建筑筑面积积约250000m2。工程于于2005年12月26日动工工，先先进行行基坑坑支护护及土土石方方工程程；2006年9月完成成施工工图设设计，，2008年底主主体结结构封封顶，，2010年底竣竣工交交付使使用。。工程概概况工程概概况图3办公标标准层层平面面（23层）办公标标准层层平面面（23层）工程概概况图3办公标标准层层平面面（23层）酒店客客房标标准层层平面面（78层）工程概概况项目发发展商商：广广州越越秀城城建国国际金金融中中心有有限公公司设计团团队:WEA-ARUP华南理理工大大学建建筑设设计研研究院院联联合体体施工图图审查查及顾顾问总总承包包：广广州市市设计计院结构专专业顾顾问：：广州州容柏柏生建建筑工工程设设计事事务所所施工总总承包包：中中国建建筑总总公司司－广广州建建筑集集团联联合体体钢结构构制作作：沪沪宁钢钢机、、精工工钢构构风洞试试验单单位：：汕头头大学学风洞洞试验验室，，美国国cpp风洞洞试试验室室节点试试验单单位：：华南南理工工大学学土木木工程程系振动台台试验验单位位：中中国建建筑科科学研研究院院，同同济大大学风环境境评估估单位位:广东省省气象象局。。结构体体系结构分分析12振动台台试验验3设计难难点及及解决决方案案41、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系1.1、抗侧侧力结结构体体系采用巨型钢钢管混混凝土土柱斜斜交网网格外外筒+钢筋混混凝土土内筒筒的筒筒中筒筒体系系。69层以上上，由由于建建筑使使用功功能的的需要要，取取消了了核心心筒的的内墙墙，仅仅保留留部分分核心心筒外外墙并并向内内倾斜斜，电电梯井井道移移至核核心筒筒外，，形成成巨型型钢管管混凝凝土柱柱斜交交网格格外筒筒+剪力墙墙结构构体系系。水水平荷荷载（（包括括风荷荷载和和地震震作用用）产产生的的倾覆覆力矩矩大部部份由由斜交交网格格柱外外筒斜斜柱的的轴力力承担担，基基底剪剪力大大部份份由钢钢筋混混凝土土内筒筒承担担。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系广州西西塔修修长挺挺拔，，高宽宽比达达6.5，平面面为类类三角角形，，外周周边由由六段段曲率率不同同的圆圆弧构构成；；立面面由首首层至至31层外凸凸，31层至103层内收收，剖剖面外外轮廓廓也呈呈弧线线。西西塔外外周边边共30根钢管管混凝凝土斜斜柱于于空间间相贯贯，节节点层层间距距离27m；73层以下下每节节点层层间分分6层，层层高4.5m；其余余分8层，层层高3.375m。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系广州西西塔斜斜交网网格外外筒的的组成成包括括：①①、竖竖向构构件——以一定定角度度相交交的斜斜柱；；②、、水平平构件件——沿外周周边布布置、、连接接网格格节点点的环环梁及及沿外外周边边布置置、支支承于于斜柱柱的楼楼面梁梁。斜斜交网网格筒筒体的的几何何构成成决定定了它它抵抗抗水平平力的的独特特优点点，侧侧向刚刚度和和扭转转刚度度也远远优于于框筒筒，但但竖向向刚度度比框框筒稍稍差。。水平平力由由斜柱柱的轴轴向力力平衡衡，倾倾覆力力矩引引起的的竖向向力也也由交交于节节点的的斜柱柱的轴轴力平平衡。。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系斜柱中中弯矩矩产生生的原原因：：一是是节间间的竖竖向荷荷载，，并与与斜柱柱的交交角和和层高高相关关；二二是网网格节节点的的水平平位移移，相相邻层层间节节点水水平位位移差差越大大，斜斜柱的的柱端端弯矩矩越大大。网网格节节点水水平位位移的的大小小除取取决于于斜柱柱轴力力、平平面内内的交交角和和平面面外的的折角角外，，还取取决于于网格格筒环环梁、、内外外筒间间的拉拉梁和和楼板板的轴轴向刚刚度。。节点点的水水平约约束越越强，，斜柱柱截面面的剪剪力和和弯矩矩越小小，同同时，，结构构的竖竖向刚刚度越越大。。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系计算分分析表表明，，西塔塔的层层高不不大，，斜柱柱的交交角也也不大大，由由13.63゜～34.09゜，自自重引引起的的弯矩矩也不不大；；对各各节点点层施施加了了体外外预应应力，，阻止止了竖竖向荷荷载作作用下下网格格节点点的向向外水水平位位移，，大大大减少少了斜斜柱的的柱端端弯矩矩和剪剪力，，提高高了结结构的的竖向向刚度度。不不论是是竖向向还是是水平平荷载载，斜斜柱的的主要要内力力是轴轴力，，剪力力和弯弯矩均均很小小。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系钢管混混凝土土柱轴轴向刚刚度大大，承承载力力高，，延性性好，，以轴轴力的的形式式来抵抵抗风风荷载载和地地震作作用产产生的的水平平力和和倾覆覆力矩矩，正正好发发挥了了钢管管混凝凝土结结构的的优势势，十十分高高效。。此外外，由由于斜斜柱底底端弯弯矩、、扭矩矩很小小，即即使释释放支支座处处X、Y、Z三个方方向的的转角角约束束，结结构自自振频频率的的变化化甚微微，即即斜柱柱支座座刚接接或铰铰接对对结构构的侧侧向刚刚度和和构件件内力力的影影响很很小，，这就就可以以简化化支座座的设设计和和构造造。1、结构构体系系/抗侧力力结构构体系系钢管混混凝土土外筒筒斜柱柱断面面尺寸寸：从基底底开始始，钢钢管直直径1800mm，壁厚厚35mm，每一一个节节点层层直径径缩小小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，，外框柱柱虽然出出现拉力力，但拉拉应变小小于混凝凝土的轴轴心抗拉拉强度标标准值下下的拉应应变，能能确保不不引起混混凝土的的开裂。。2、结构分分析/分析模型型钢筋混凝凝土楼板板－壳单单元核心筒中中的楼板板为刚性性板。核心筒外外的楼板板为弹性性板－刚刚度折减减（0,0.25,0.5)钢筋混凝凝土内筒筒－壳单单元楼盖钢梁梁－梁单单元连梁刚度度折减系系数为0.8计算嵌固固部位－－地下4层（底板板顶面））2、结构分分析/分析模型型结构分析析主要输输入参数数楼层层数数：108层（包括括地下室室）风荷载：：100年重现期期基本风风压0.6kPa地震作用用：单向向/偶然偏心心(±5%)/双向地震作用用计算：：振型分分解反应应谱法/弹性时程程分分析/动力弹塑塑性分析析地震作用用方向：：结构平平动基本本周期方方向及平平行/垂直于三三角形各各边地震作用用振型组组合数：：30地震效应应计算方方法：考考虑扭转转耦连CQC法周期折减减系数：：0.852、结构分分析/分析模型型活荷载折折减：按按规范折折减自重调整整系数：：1.0楼板假定定：核核心筒内内板为刚刚性板，，筒外楼楼板为弹弹性楼板板小震和中中震结构构阻尼比比：0.04大震结构构阻尼比比：0.05重力二阶阶效应(P-ΔΔ效应)：考虑楼层水平平地震剪剪力调整整：考考虑楼层框架总剪剪力调整：考考虑2、结构分析/分析模型结构设计预期期目标结构耐久性：：设计使用年年限100年。正常使用状态态结构、构件有有必要的刚度度；室内混凝土构构件的裂缝宽宽度≤0.3mm；重现期10年的风荷载作作用下，建筑筑物顶点加速速度≤0.2m/s2。承载力及位移移极限状态重现期100年风荷载、小小震作用下，，结构弹性；；中震作用下，，结构基本弹弹性；大震作用下，，结构不倒塌塌，可修复。。2、结构分析/分析结果2.3、分析结果周期及质量参参与系数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、结构分析/分析结果层间位移角2、结构分析/分析结果水平位移2、结构分析/分析结果基底反力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项目混凝土内筒承承担的竖向荷荷载约占总重重的57％；钢管混凝凝土斜交网格格外筒承担的的竖向荷载约约占总重的43％。内筒承担担的基底剪力力约占总剪力力的61%，而外筒承担担约39%；内筒承担的的倾覆力矩约约占总倾覆力力矩的39%，外筒约占61%。2、结构分析/分析结果竖向荷载作用用下核心筒弹弹性变形图2、结构分析/分析结果竖向荷载作用用下外筒弹性性变形图2、结构分析/分析结果风荷载作用下下侧向变形图图2、结构分析/分析结果风荷载作用下下外筒斜交网网格柱轴力分分布图2、结构分析/分析结果结构前三阶振振型图2、结构分析/分析结果温度效应分析析结构合拢温度度范围约为10-35℃℃。由于使用期期间西塔的结结构构件都处处于室内环境境，有空调控控制温度，一一般在20℃-28℃左右，因此，，所有内部构构件只需考虑虑±10℃的温度变化。。把温度荷载载施加于ETABS三维模型上进进行分析，可可得构件轴力力最大内力设设计值增加的的百分比分别别为：外框柱柱约1.1％、楼面环梁梁约2.2％、楼面拉梁梁约3.8％，都可忽略略不计。2、结构分析/分析结果徐变分析图9内筒的竖向压压缩量(一年后)2、结构分析/分析结果徐变分析图9内筒的竖向压压缩量(一年后)结构体系结构分析32振动台试验1设计难点及解解决方案43、振动台试验验2007年2月14日在中国建筑筑科学研究院院振动台实验验室进行了西西塔结构模拟拟地震振动台台试验.模型几何比尺尺1/50,满足动力和重重力相似关系系.试验表明,结构模型在7度罕遇地震作作用后仍可保保持弹性.3、振动台试验验在振动台试验验过程中，结结构在各工况况地震作用下下，振动形态态基本为平动动，结构整体体基本无扭转转效应。模型在经历了了7度小震、7度中震、7度罕遇地震作作用后，自振振特性有微小小变化，结构构基本处于弹弹性状态。模型在经历了了8度罕遇地震作作用后,自振特性又有有微小变化，，核心筒剪力力墙未见明显显裂缝，外围围铜管混凝土土构件未见明明显屈服，说说明模型结构构稍有损伤，，模型最大层层间位移角为为1/133。试验说明，原原型结构设计计在8度罕遇地震作作用下满足规规范要求。结构体系结构分析42振动台试验3设计难点及解解决方案14、设计难点及及解决方案4.1、楼层平面内拉拉力问题西塔建筑造型型独特，由钢钢管混凝土柱柱组成的斜交交网络外框筒筒分为16个节，每个节节27M，钢管混凝土土柱在每个节节间为直线段段，相邻节段段的柱于节点点层形成一个个折点，并于于节点层平面面内产生向外外的推力，如如下图所示,从而在楼层梁梁板中产生了了拉力。抵抗抗该拉力是本本工程设计中中的技术难点点之一。4、设计难点及及解决方案通过分析可知知，由外筒斜斜柱竖向力传传递转折而产产生的向外的的推力可由钢钢管混凝土柱柱本身的剪力力、外环梁的的拉力、连接接柱与核心筒筒的拉梁及楼楼板的拉力来来平衡。一般说来，钢钢管混凝土柱柱的优势在于于承受轴向力力，过大的剪剪力和弯矩会会降低钢管混混凝土柱的承承载能力；而而钢筋混凝土土楼板则有裂裂缝宽度的限限制。因此，，本工程采取取了外框筒环环梁+拉梁+核心筒内闭合合环梁构成的的独立的平面面内抗拉体系系，如下图所所示。4、设计难点及及解决方案4、设计难点及及解决方案4.2、外框筒斜柱相相贯节点问题题本工程的第二二个主要技术术难点是组成成斜交网格外外框筒的钢管管混凝土柱“X”形相贯节点。。建筑师要求求两根钢管混混凝土柱空间间相贯。在柱柱轴线交点处处截面面积最最小，所受轴轴力最大。因因此,必须设计一个个特殊节点以以满足既不加加大节点的截截面尺寸，又又能满足承受受更大内力的的要求。4、设计难点及及解决方案我们研究设计计了一个新型型节点，利用用竖向放置的的椭圆形拉板板连接四根相相贯的钢管，，节点区内钢钢管壁适当加加厚，细腰处处设置水平加加强环。(如图所示)。该节点形式式简洁，受力力明确，方便便管内混凝土土的浇灌。目目前已完成两两个阶段的试试验，试验证证明该节点承承载力及刚度度均能满足要要求。4、设计难点及及解决方案节点模型4、设计难点及及解决方案节点局部4、设计难点及及解决方案弹性阶段钢管环向应力力钢钢管竖竖向应力4、设计难点及及解决方案弹性阶段椭圆拉板横向向应力椭椭圆拉拉板竖向应力力4、设计难点及及解决方案弹塑性阶段钢管环向应力力钢钢管管竖向应力4、设计难点及及解决方案弹塑性阶段椭圆拉板横向向应力椭椭圆拉拉板竖向应力力4、设计难点及及解决方案弹塑性阶段外加强钢环板板环向应力外外加加强钢环板环环向应力4、设计难点及及解决方案B1试件（20度）承载力－－位移曲线4、设计难点及及解决方案B3试件（35度）承载力－－位移曲线4、设计难点及及解决方案节点试验4、设计难点及及解决方案节点试验4、设计难点及及解决方案节点试验4、设计难点及及解决方案节点试验4、设计难点及及解决方案节点试验4、设计难点及及解决方案节点试验结论论从试验现象来来看，角节点点的最终破坏坏现象主要表表现为节点区区钢管鼓起，，没有达到“强节点”设计原则，边边节点的最终终破坏现象主主要表现为非非节点区钢管管鼓起，实现现了“强节点”设计原则。但但试件的非节节点区杆件长长度较短，尤尤其是角节点点，考虑实际际结构杆件有有较大长细比比以及受弯矩矩作用，实际际结构的角节节点和边节点点均可以实现现“强节点”设计原则。4、设计难点及及解决方案4.3、设计风荷载问问题广州西塔建筑筑造型修长挺挺拔，高宽比比超过6.5，风荷载为结结构设计中的的控制荷载。。毗邻拟建东东塔的干扰，，使西塔的风风反应更为复复杂。本工程程通过风气象象分析确定了了本区域的风风况及设计风风参数，并通通过大气边界界层风洞刚性性模型同步测测压试验确定定大楼的等效效风荷载。4、设计难点及及解决方案风洞试验及结结构的风致响响应分析结果果表明：结构构的动力性能能包括阻尼比比、自振频率率等对结构风风反应影响很很大；结构横横风向风荷载载效应远大于于顺风向风荷荷载效应。对对于此类截面面接近圆形的的超高层建筑筑，易引起跨跨临界强风共共振。周边环环境特别是拟拟建的东塔对对西塔的风反反应也有一定定影响。4、设计难点及及解决方案以下为西塔385米高度处的气气动力功率谱谱，气动力Fx,Fy为根据该楼层层风压时程积积分的结果，，相应坐标系系见右图。4、设计难点及及解决方案0度风向角FxFy4、设计难点及及解决方案120度风向角FxFy4、设计难点及及解决方案240度风向角FxFy4、设计难点及及解决方案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，这种情情况下，采采用跨越一一次结构即即告失效的的峰值因子子g=3.5作为设计参参数将偏于于保守。因因此，在结结构构件承承载力设计计中，根据据实际计算算的峰值因因子的分布布情况，采采用比国家家荷载规范范略高的g=2.5作为峰值因因子；②100年一遇极