复杂超高层结构设计创新与实践二

复杂超高层结构设计创新与实践

中南建筑设计院股份有限公司

2013年李霆武汉保利文化广场1、工程概况主楼46层，大屋面标高209.9m；副楼20层，屋面标高101.0m；主副楼在16~20层通过钢结构连接为一个整体，连接体跨度为42.5m，立面呈“h”型。武汉保利广场是由两栋高度不同的塔体组成的大跨连体复杂高层建筑,总建筑面积为14.4万m2。1、工程概况二~八层建筑平面图1、工程概况九层建筑平面图1、工程概况十~十五层建筑平面图1、工程概况十六~二十层建筑平面图1、工程概况二十九层建筑平面图建筑剖面图2、基础与地下室设计基础平面布置图图2、基础与地下室室设计2、基础与地下室室设计2、基础与地下室室设计地下室“隔水-排水”抗浮设计计3、上部结构体系系本工程地下4层，地上分为主主楼、副楼及裙裙楼，主楼和副副楼在1~8层与裙楼连接为为一个整体。该工程建筑抗震震设防类别为乙乙类，抗震设防防烈度为6度，设计基本地地震加速度为0.05g，场地类别为II类。二~八层平面主楼、副楼均采采用“圆钢管混凝土柱柱+H型钢梁或钢桁架架+钢筋混凝土核心心筒”混合结构体系系。上部结构九层平面3、上部结构体系系十层平面3、上部结构体系系两塔楼核心筒偏偏置一侧，为减减小扭转，在主主副楼南北两侧侧设置密柱，加加强框架梁，形形成较大刚度框框架，提高结构构整体扭转刚度度。副楼主楼十一~十五层平面3、上部结构体系系副楼连接体主楼3、上部结构体系系十六~二十一层平面二十二层~四十六层平面主楼3、上部结构体系系结构三维模型3、上部结构体系系3、上部结构体系系3、上部结构体系系3、上部结构体系系4、大跨减震连接接体设计主楼与副楼在16~20层通过钢结构连连体相连，采用用刚接方式，主主副楼之间的相相互约束作用增增大了结构自身身的抗扭扭转。。连接体采用“2榀主桁架+次桁架转换”的布置方案。。沿42.5m跨度方向的连接接体外侧边设置置两榀主桁架，与主、副楼结结构刚接。4、大跨减震连接接体设计在15层设置与主桁架架正交的四榀次桁架，两端与主钢桁桁架刚接；主桁桁架弦杆及斜撑撑均延伸至主、、副楼尽端或与与筒体相连。4、大跨减震连接接体设计4、大跨减震连接接体设计4、大跨减震连接接体设计5、典型节点设计计5、典型节点设计计5、典型节点设计计5、典型节点设计计城市大客厅屋盖盖滑动支座构造造6、单层双向索网网玻璃幕墙6、单层双向索网网玻璃幕墙主体结构抗震性性能目标7、混合减震设计计7、混合减震设计计两栋塔楼核心筒筒严重偏置，扭转较严重；两栋塔楼高度、、质量相差很大大，且连接体与与高塔的一端端端部（而非中部部）相连，属严重不对称连体体高层；连接体跨度大，达42.5m，共有五层，结构质量大。主体结构特点及及减震措施主体结构的特点点导致结构扭转转耦连振动较复复杂。为减小及及控制主体结构构的扭转，除在在塔楼长向两端端加密框架柱外外，还设置了一一批非线性粘滞阻尼尼器。7、混合减震设计计主体结构特点及及减震措施阻尼器的设计参数见下表。阻尼器相对速度与阻尼力关系通过计算得到粘滞阻尼器在大震下对结构的附加阻尼比在4%左右。粘滞阻尼器连接接节点7、混合减震设计计阻尼器布置示意意图7、混合减震设计计通过计算分析发发现，连接体主主桁架的平面内刚度对整体结构的动动力特性有显著著影响。将主桁桁架中间跨作为为调整段，对该该段范围不设支支撑或设支撑，，以及采用不同同刚度支撑的情情况进行弹性分分析。7、混合减震设计计连接体中段不设支撑时整体扭转相对较小，而设置较强支撑时整体的扭转会相对较大。故可通过减小连接体中段的刚度来控制整体的扭转效应。同时在中、大震震计算分析表明明下，若连体结结构在中部能上上下错动，将显显著减小主体结结构的扭转。7、混合减震设计计为实现上述目的的，连接体主桁桁架中间跨腹杆杆采用屈曲约束支撑（BRB），BRB在正常使用及小小震下不屈服，，以保证正常使使用阶段的结构构刚度，在中、、大震作用下，，BRB屈服耗能，连接接体在中部可上上下错动，以减减小主体结构扭扭转，并耗能保保护连体构件。。BRB设计参数及布置置位置。7、混合减震设计计屈曲约束支撑连连接节点7、混合减震设计计屈曲约束支撑布布置示意图7、混合减震设计计7、混合减震设计计某屈曲约束支撑撑杆件和与其相相邻的柱以及连连体桁架某根斜斜撑的耗能滞回回曲线对比如下下图所示，BRB的耗能能力远远远高于其他构件件。屈曲约束支撑与其他杆件耗能对比非线性粘滞阻尼尼器（速度相关型阻阻尼器）与屈曲约束支撑BRB（位移相关性阻阻尼器）混合应应用，形成混合减震体系，以实现减小及及控制主体结构构在中、大震作作用下扭转的目目的。7、混合减震设计计混合减震体系的的构成整体结构计算分分析结果采用ANSYS进行动力弹塑性分析析，对加阻尼器和不加阻尼器的结构进行了对对比，以了解阻阻尼器对结构减减震效果。在罕罕遇地震激励下下的对比如下图图表所示。7、混合减震设计计设置阻尼器之后后结构的地震反应应明显降低，其其中，加阻尼器器后结构Y方向最大加速度度反应降低了36.4%；结构最大位移移减小了11.9%；层间位移角减减小了约10%。各层位移包络图图层间位移角包络络图7、混合减震设计计重点部位结构计计算分析结果对于连体桁架钢结构构，进行了设置BRB和不设置BRB的对比分析。不不设置BRB时，两榀钢结构构主桁架有少部部分杆件发生屈屈服，其余大部部分杆件尚处于于弹性。在连接体中部设设置BRB后，BRB首先发生屈服，，进入塑性状态态，其附近的杆杆件应力有一定定的降低。7、混合减震设计计连体主桁架典型型时刻应力云图图结构模型振动台台试验本次模型试验的的模拟重点在保保证结构刚度相相似，并兼顾强强度相似。考虑虑振动台的承载载能力、结构重重量等因素，确确定模型与原型型的相似关系见见下表。原结构设计的阻阻尼器在单层间间布置，但由于于阻尼器最小加加工尺寸的限制制，无法在缩尺尺模型的单层间间安装阻尼器，，因此采取了跨跨层布置的方法法。保证阻尼的的相似比关系。。7、混合减震设计计试验按照小震、、中震、大震的的顺序加载。输输入的地震波同同弹塑性动力分分析用地震波，，分别进行X向、Y向的单向输入，，再进行X+Y双向输入。每个个工况又分为安安装阻尼器（有有控）和不安装装阻尼器（无控控）两种情况。。阻尼器布置侧立立面示意图制作完成后的型型试验模7、混合减震设计计结构模型振动台台试验在小震和中震下下，结构未发现现开裂破坏现象象，可认为结构构仍处于弹性状状态。在大震后后出现裂缝，主主要出现在主楼楼筒体连梁端部部，层数集中在在25~39层之间，可见上上部结构比较薄薄弱,但整体结构仍保保持良好的整体体性。较之不安装阻尼尼器，安装阻尼尼器后结构柱应应变减小10.6%~13.6%，底部剪力墙应应变减小14.6%~16.8%，主楼水平位移移最大值减小11.3%，副楼水平位移移最大值减小8%。7、混合减震设计计8、楼板应力分析析9、结论本工程塔楼核心心筒严重偏置，，刚心与质心偏偏差较大；两栋栋塔楼高度与质质量差异较大等等特点导致结构构振动非常复杂杂，扭转振动较较大。为此本工工程选用了延性性较好的圆钢管管混凝土柱，并并在长向两端加加密柱距以减小小扭转；同时设设置了非线性性粘滞滞阻尼尼器和屈曲约约束支支撑（（BRB），通过过混合减减震控制结结构扭扭转振振动。。在连体体主桁桁架中中部斜斜腹杆杆采用用屈曲约约束支支撑（（BRB）可以既既可保保证正正常使使用下下的刚刚度，，便于于整体体提升升，又又可使使在中中、大大震下下连体体中部部上、、下错错动耗耗能，，减小小主体体结构构的扭扭转，，并保保护连连接体体其他他构件件，起起到““保险险丝””的作作用。。9、结论论动力弹弹塑性性时程程分析析结果果及振振动台台模型型对比比试验验表明明，混合减减震可以发发挥其其耗能能减震震作用用，在在降低低结构构位移移、改改善构构件受受力状状况、、提高高结构构整体体抗震震性能能以及及降低低非结结构构构件的的地震震反应应等方方面都都可发发挥有有效作作用，，减震震效果果明显显。合肥滨滨湖时时代广广场56工程概概况1.结构构设设计计57办公楼楼层建建筑及及结构构布置置图1.结构构设设计计58酒店层层建筑筑及结结构布布置图图1.结构构设设计计59空中花花园层层建筑筑及结结构布布置图图1.结构构设设计计60上部结结构的的解决决方案案1.结构构设设计计611.结构构设设计计62采用一一般框框架—核心筒筒，下下部有有较多多楼层层扭转转位移移比超超过1.4。采用巨巨型框框架+框架-核心筒筒后，，结构构的各各层扭扭转位位移比比均满满足规规范要要求。。采用巨巨型框框架+框架-核心筒筒后，，结构未未出现现两肢肢的局局部振振型。。1.结构构设设计计631.结构构设设计计641.结构构设设计计楼面梁梁支承承于““连梁梁”设设计651.结构构设设计计地震作作用及及参数数选用用661.结构构设设计计地震波波选用用及时时程分分析671.结构构设设计计④2层中风风化砂砂质泥泥岩：：fa=800kPa，压缩缩性微微小。。④1层强风风化砂砂质泥泥岩：：fak=380kPa，Es=20.0MPa；③层粉粉土夹夹粉质质粘土土：fak=300kPa，Es=15.0MPa；土层分分布681.结构构设设计计C1栋桩基基布置置桩长41米，最最大桩桩身直直径3.7米，最最大扩扩底直直径5.3米。69结构超超限内内容1.结构构设设计计70结构抗抗震性性能目目标2.抗震性性能化化分析析——性能目目标71有效质质量系系数及及基底底地震震作用用效应应2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析72周期与与振型型2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析73结构扭扭转位位移比比2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析74框架及及剪力力墙的的剪力力分担担百分分比2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析75层间位位移角角比较较2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析76剪重比比统计计2.抗震性性能化化分析析——静力弹弹性分分析77层剪力力比较较2.抗震性性能化化分析析——弹性时时程分分析78层间位位移角角比较较2.抗震性性能化化分析析——弹性时时程分分析79楼梯性性能目目标2.抗震性性能化化分析析——等效弹弹性分分析（（中/大震不不屈服服设计计）80中震作作用下下受拉拉墙肢肢验算算2.抗震性性能化化分析析——等效弹弹性分分析（（中/大震不不屈服服设计计）81大震作作用下下墙肢肢截面面验算算2.抗震性性能化化分析析——等效弹弹性分分析（（中/大震不不屈服服设计计）82整体结结构计计算结结果——层剪力力2.抗震性性能化化分析析——大震弹弹塑性性时程程分析析83整体结结构计计算结结果——层间位位移角角2.抗