超高层建筑结构案例分析-天津高银117大厦

天津高银117大厦建筑高高597m，为我国单单体面积最最大的民用用建筑。近近日，天津津高银117大厦第三道道桁架层最最后一段巨巨型桁架上上弦3SHJ-11吊装就位，，标志着天天津高银117大厦第三道道即首道双双层桁架顺顺利合龙。。本文将介介绍天津高高银117大厦结构体体系和基础础设计中的的重点问题题。本工程结构构设计单位位为奥雅纳纳工程顾问问和华东建建筑设计院院有限公司司。奥雅纳纳工程顾问问完成结构构方案和初初步设计及及结构超限限审查，容容柏生事务务所作为项项目结构顾顾问并同时时负责第三三方弹塑性性时程分析析。（本工工程已于2010年10月通过了全全国及天津津市超限高高层建筑工工程抗震设设防审查专专家委员会会的联合审审查）单体面积最最大民用建建筑-高597m天津117大厦结构设设计超高层建筑筑结构设计计案例分析析高银117大厦位于天天津市高新新区地块发发展项目之之中央商务务区，为一一幢写字楼楼为主附有有酒店及相相关设施的的大型超高高层建筑，，总建筑面面积约37万m2，建筑高高度约为为597m（至顶部部停机坪坪），地地上117层。塔楼楼平面为为正方形形，外形形随高度度变化，，各层周周边建筑筑轮廓随随着斜外外立面逐逐渐变小小，塔楼楼首层建建筑平面面尺寸约约65m××65m（幕墙边边），渐渐变至顶顶层时平平面尺寸寸约45m××45m。中央混混凝土核核心筒为为矩形，，平面尺尺寸约37m××37m，主要用用作高速速电梯、、设备用用房和服服务用房房。1.工程概况况结构典型型平面布布置图结合工程程经济性性充分发发挥钢与与混凝土土两种材材料的优优势，对对于外框框筒依次次考虑了了密柱结结构（含含伸臂桁桁架和腰腰桁架加加强层））、巨型型框架和和密柱（（人字支支撑或菱菱形撑））、巨型型框架（（含转换换桁架和和支撑））结构，，最终采采用的多多重结构构抗侧力力体系。。如下图图所示，，分别由由钢筋混混凝土核核心筒、、带有巨巨型支撑撑筒、巨巨型框架架构成的的周边结结构构成成了多道道设防的的结构体体系，提提供了强强大的侧侧向刚度度，共同同抵抗水水平地震震及风荷荷载。2.结构体系系布置与与构件设设计结构体系系三维示示意图2.结构体系系布置与与构件设设计多重抗侧侧力体系系示意图图由于建筑筑方面弱弱化交叉叉支撑的的视觉效效果要求求，避免免斜支撑撑及边梁梁柱相互互交叉导导致的传传力路径径不清晰晰，设计计中采取取了将斜斜撑与周周边次框框架在平平面上错错开的方方案，两两者相对对独立。。2.结构体系系布置与与构件设设计巨型框架架与巨型型支撑连连接空间间示意图图巨型柱位位于建筑筑物平面面四角并并贯通至至结构顶顶部，在在各区段段分别与与水平杆杆、转换换桁架及及巨型斜斜撑连接接。其平平面轮廓廓结合建建筑及结结构构造造连接要要求，呈呈六边菱菱形，底底部截面面约为45m2，沿高度度并配合合建筑要要求分多多段内收收，外侧侧平齐，，顶部楼楼层约为为5.4m2。2.结构体系系布置与与构件设设计底部典型型楼层45m2巨型角柱柱截面构构造示意意3.1楼层剪力和和剪重比小震和风荷荷载作用下下底部剪力力如下图所所示。地震震作用为本本工程的主主控荷载，，由于加速速度反应谱谱在长周期期段下降较较多，计算算剪力无法法满足剪重重比的要求求，结构位位移和地震震内力均需需相应调整整。3.整体性能弹弹性分析结结果楼层剪力和和小震剪重重比分布图图3.2小震弹性时时程分析小震分析采采用了七组组强震加速速度记录作作为动力时时程分析的的地震波输输入，下图图是小震弹弹性时程对对应地震影影响系数曲曲线与规范范对比。在在波形的选选择上，除除有效峰值值、持续时时间、频谱谱特性等方方面的要求求外，还要要满足底部部剪力及高高阶振型方方面的相关关要求。3.整体性能弹弹性分析结结果小震弹性时时程对应地地震影响系系数曲线与与规范对比比整体性能评评估从弹塑塑性层间位位移角、剪剪重比、结结构顶部位位移和底部部剪力时程程曲线、塑塑性发展过过程及塑性性发展的区区域来评估估。构件评评估从构件件塑性变形形与塑性变变形限制值值的大小关关系，关键键部位的关关键构件塑塑性变形情情况来对结结构进行评评估。7条时程波在在弹塑性动动力分析中中，结构整整体指标均均满足规范范1/100的要求。4.罕遇地震弹弹塑性时程程分析罕遇地震弹弹塑性动力力时程分析析结构整体体层间位移移角塔楼共设四四层地下室室。巨型支支撑延伸至至地下层1，其余抗侧侧力结构从从上部延伸伸至地下室室并支承于于基础筏板板。由于上上部结构重重力荷载大大，基础满满堂布桩时时基础筏板板已超出塔塔楼范围。。基础筏板板为正方形形，边长86.2m，厚度6.5m（初步设计计7.5m）。地下室室外墙采用用地下连续续墙，“两两墙合一””兼做基坑坑围护和永永久使用阶阶段的外墙墙。B1层以下高度度在巨柱与与核心筒剪剪力墙之间间布置翼墙墙，使上部部传递下来来的荷载更更加均匀地地扩散至筏筏板和桩基基，同时增增强筏板的的抗冲切承承载力。计计算分析表表明，翼墙墙承担了巨巨柱30%的竖向荷载载。5.基础布置基础筏板平面面根据规范要求求，当采用桩桩基础时，高高层建筑基础础埋深一般不不小于结构高高度的1/18。实际上，规规范的要求是是一个经验值值，只要满足足地基承载力力、稳定性要要求以及塔楼楼的整体抗倾倾覆（基底底底面反力不出出现零应力区区）以及抗滑滑移要求，埋埋深要求可适适当放松。部部分已建成的的国内外超高高层建筑的基基础埋深也反反映了这一趋趋势。6.基础埋深部分超高层建建筑基础埋深深表表1工程名称结构高度/m基础埋深/m结构高度/基础埋深上海环球金融中心49221.3523.0天津高银117大厦587.525.8522.7广州西塔4322021.6台北10144822.320.1香港环球贸易广场48425.519.0上海中心58031.418.4迪拜塔8281555.2希尔斯大厦44213.732.2从设计、审批批、施工可行行性以及经济济性等几个方方面综合考虑虑，决定采用用灌注桩方案案。塔楼上部部结构荷载分分布不均，核核心筒区域和和4根巨柱竖向荷荷载较大。在在水平罕遇地地震作用下，，边桩出现拉拉力。基于土土与基础共同同作用的桩顶顶反力分析结结果，工程桩桩采用三种不不同纵筋配置置的桩型，有有效桩长均为为76.5m，详见下表。。7.桩型选择工程桩桩型表表2桩型桩数量配筋（HRB400）承载力特征值/kN127724T4016500246818T4015000319612T4013000采用《建筑桩基技术术规范》（JGJ94-2008）的等效实体体深基础法对对桩基沉降进进行估算，考考虑沉降经验验系数后，竖竖向荷载长期期效应组合下下基础的最大大沉降量约为为160mm。为研究上部部结构对筏板板变形和内力力的影响，建建立了3个有限元模型型，如下图所所示。从计算算分析结果来来看，3个模型的筏板板最大沉降值值分别为162，132和129mm，最小沉降值值分别为41，82和84mm。模型1的最大沉降值值以及沉降差差（不均匀沉沉降）是3个模型中最大大的，模型2和模型3的筏板沉降曲曲线分布和最最大沉降值差差异较小。8.基础筏板板内力分分析不同模型型的筏板板应力图图塔楼巨柱柱承担了了近50%的上部结结构竖向向荷载。。在水平平地震作作用下，，由巨柱柱和支撑撑组成的的外筒承承担的底底层剪力力占基底底总剪力力的65%，底层倾倾覆力矩矩占基底底总倾覆覆力矩的的80%。典型巨巨柱在各各荷载工工况下的的轴力分分布如图图所示。。9.巨柱柱脚脚构造巨柱轴力力分布巨柱是主主体结构构体系的的关键构构件之一一，因此此巨柱的的柱脚构构造设计计尤为重重要。巨巨柱柱脚脚的设计计目标同同巨柱，，即中震震弹性和和大震不不屈服。。根据荷荷载组合合分析，，只有大