广州珠江新城西塔结构设计简介

IntroductionofGuangzhouWestTowerStructureDesign广州珠江新城西塔

结构设计简介

方小丹工程概况广州珠江新城西塔项目位于珠江新城，在广州新城市中轴线西侧，与广州新电塔隔江相望。项目占地31,085m2

，总建筑面积约为448,736m2。其中，地下室4层，为商场，停车场，机电设备间，地下4层板面标高－19.1米；主塔楼地面以上103层，高432米，73层以下为写字楼及酒店服务楼层，层高4.5米，以上为高级酒店客房，层高3.375米;主塔楼建筑面积约250000m2

。工程于2005年12月26日动工，先进行基坑支护及土石方工程；2006年9月完成施工图设计，2008年底主体结构封顶，2010年底竣工交付使用。工程概况工程概况

图3办公标准层平面（23层）办公标准层平面（23层）工程概况

图3办公标准层平面（23层）酒店客房标准层平面（78层）工程概况项目发展商：广州越秀城建国际金融中心有限公司设计团队:WEA-ARUP 华南理工大学建筑设计研究院联合体施工图审查及顾问总承包：广州市设计院结构专业顾问：广州容柏生建筑工程设计事务所施工总承包：中国建筑总公司－广州建筑集团联合体钢结构制作：沪宁钢机、精工钢构风洞试验单位：汕头大学风洞试验室，美国cpp风 洞试验室节点试验单位：华南理工大学土木工程系振动台试验单位：中国建筑科学研究院，同济大学风环境评估单位:广东省气象局。结构体系结构分析12振动台试验3设计难点及解决方案41、结构体系/抗侧力结构体系1.1、抗侧力结构体系采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。69层以上，由于建筑使用功能的需要，取消了核心筒的内墙，仅保留部分核心筒外墙并向内倾斜，电梯井道移至核心筒外，形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+剪力墙结构体系。水平荷载（包括风荷载和地震作用）产生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴力承担，基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。1、结构体系/抗侧力结构体系广州西塔修长挺拔，高宽比达6.5，平面为类三角形，外周边由六段曲率不同的圆弧构成；立面由首层至31层外凸，31层至103层内收，剖面外轮廓也呈弧线。西塔外周边共30根钢管混凝土斜柱于空间相贯，节点层间距离27m；73层以下每节点层间分6层，层高4.5m；其余分8层，层高3.375m。1、结构体系/抗侧力结构体系广州西塔斜交网格格外筒的组成包括括：①、竖向构件件——以一定角度相交的的斜柱；②、水平平构件——沿外周边布置、连连接网格节点的环环梁及沿外周边布布置、支承于斜柱柱的楼面梁。斜交交网格筒体的几何何构成决定了它抵抵抗水平力的独特特优点，侧向刚度度和扭转刚度也远远优于框筒，但竖竖向刚度比框筒稍稍差。水平力由斜斜柱的轴向力平衡衡，倾覆力矩引起起的竖向力也由交交于节点的斜柱的的轴力平衡。1、结构体系/抗侧力结构体系斜柱中弯矩产生的的原因：一是节间间的竖向荷载，并并与斜柱的交角和和层高相关；二是是网格节点的水平平位移，相邻层间间节点水平位移差差越大，斜柱的柱柱端弯矩越大。网网格节点水平位移移的大小除取决于于斜柱轴力、平面面内的交角和平面面外的折角外，还还取决于网格筒环环梁、内外筒间的的拉梁和楼板的轴轴向刚度。节点的的水平约束越强，，斜柱截面的剪力力和弯矩越小，同同时，结构的竖向向刚度越大。1、结构体系/抗侧力结构体系计算分析表明，西西塔的层高不大，，斜柱的交角也不不大，由13.63゜～34.09゜，自重引起的弯弯矩也不大；对各各节点层施加了体体外预应力，阻止止了竖向荷载作用用下网格节点的向向外水平位移，大大大减少了斜柱的的柱端弯矩和剪力力，提高了结构的的竖向刚度。不论论是竖向还是水平平荷载，斜柱的主主要内力是轴力，，剪力和弯矩均很很小。1、结构体系/抗侧力结构体系钢管混凝土柱轴向向刚度大，承载力力高，延性好，以以轴力的形式来抵抵抗风荷载和地震震作用产生的水平平力和倾覆力矩，，正好发挥了钢管管混凝土结构的优优势，十分高效。。此外，由于斜柱柱底端弯矩、扭矩矩很小，即使释放放支座处X、Y、Z三个方向的转角约约束，结构自振频频率的变化甚微，，即斜柱支座刚接接或铰接对结构的的侧向刚度和构件件内力的影响很小小，这就可以简化化支座的设计和构构造。1、结构体系/抗侧力结构体系钢管混凝土外筒斜斜柱断面尺寸：从基底开始，钢管管直径1800mm，壁厚35mm，每一个节点层直直径缩小50mm或100mm，至顶层钢管直径径700mm，壁厚20mm。核心筒外墙厚：地下室1100mm，出地面1000mm，沿高度方向逐渐渐减薄至酒店层下下层500mm；酒店层以上4层350mm，其余300mm；核心筒内墙厚：500mm。1、结构体系/楼盖结构体系1.2、楼盖结构体系首层以下及核心筒筒内采用钢筋混凝凝土梁板，板厚130～200mm。内外筒之间采用用钢－混凝土组合合楼盖，梁跨度约约8～15m，工字钢梁高一般般为450mm，跨度较大处加高高至600mm；办公楼层板厚一一般为110mm，酒店楼层板厚一一般为130mm，板跨度较大处局局部加厚。1、结构体系/基础1.3、基础主塔楼位置基础底底板已到达中微风风化泥质粉砂岩层层。考虑到部分柱柱位下岩石裂隙较较发育，采用人工工挖孔桩（墩）基基础，持力层均为为微风化粉砂岩或或砾岩，设计要求求岩样天然湿度单单轴抗压强度不小小于13MPa。桩径3200~4800mm，桩长约6~13m。单桩竖向承载力力特征值为110000kN~247000kN。部分桩有抗拔要要求，单桩抗拔承承载力特征值为5000kN~15000kN。主塔楼位置基础底底板厚2.5m。1、结构体系/基础1、结构体系/主要结构用料1.4、主要结构用料钢材：Q345B－除节点外的外筒筒钢管混凝土斜柱柱，楼盖钢梁及其其他钢结构构件Q345GJC－节点部分的钢管管、椭圆拉板及加加强环板1860级高强低松弛钢绞绞线－节点层体外外预应力索1、结构体系/主要结构用料1.4、主要结构用料混凝土：C50－桩及基础底板C80~C50－核心筒及剪力墙墙C70~C60－外筒钢管混凝土土斜柱C90~C60－外筒钢管混凝土土斜柱节点C40~C35－楼板结构体系结构分析21振动台试验3设计难点及解决方方案42、结构分析/分析模型2.1、分析软件ETABSANSYSSAP20002.2、分析模型钢管混凝土斜交网网格外筒－空间杆杆单元由于实际节点尺寸寸较大，一般节点点高度有8～15m高，而在结构整体体计算中，节点一一般也简化为杆件件的连接点，故在在结构整体计算中中如何模拟节点是是非常重要的。本本节对节点分别采采用实体单元（图图1）和杆单元（图2）进行模拟，在相相同的力和位移边边界条件下通过比比较位移可以判明明结构整体计算的的模型能否模拟实实际节点的刚度。。2、结构分析/分析模型2、结构分析/分析模型实体模型和杆件模模型计算位移比较较竖向位移径径向位移环环向位移实体模型0.5081.7731.029杆件模型0.542.0661.443两者比值1.061.171.40可以看出，实际节节点模型的竖向和和径向位移相比杆杆件模型的位移略略小，节点刚度略略大。2、结构分析/分析模型在节点处虽然两根根钢管柱相贯，总总截面面积减少，，但由于节点区壁壁厚增加且增加了了椭圆拉板，节点点实际刚度比两根根钢管柱刚度之和和还略大。而对于于环向位移,两者差异较大，但但考虑到实际杆件件相交处近乎圆形形，基本轴对称，，环向位移较小，，对结构整体内力力的影响非常小，，故斜交网格外筒筒按杆系进行结构构整体分析的结果果是可以接受的。。2、结构分析/分析模型外框钢管柱中混凝凝土的轴向刚度除了以上的节点刚刚度分析之外，必必须保证钢管柱中中混凝土没有承受受拉力，或在拉力力下不发生开裂，，这样才可以合理理地假定外筒柱可可采用其弹性刚度度。在竖向荷载、风荷荷载和地震作用的的标准组合下，90层以下钢管混凝土土柱没有出现拉力力；90层以上，外框柱虽虽然出现拉力，但但拉应变小于混凝凝土的轴心抗拉强强度标准值下的拉拉应变，能确保不不引起混凝土的开开裂。2、结构分析/分析模型钢筋混凝土楼板－－壳单元核心筒中的楼板为为刚性板。核心筒外的楼板为为弹性板－刚度折折减（0,0.25,0.5)钢筋混凝土内筒－－壳单元楼盖钢梁－梁单元元连梁刚度折减系数数为0.8计算嵌固部位－地地下4层（底板顶面）2、结构分析/分析模型结构分析主要输入入参数楼层层数：108层（包括地下室））风荷载：100年重现期基本风压压0.6kPa地震作用：单向/偶然偏心(±5%)/双向地震作用计算：振振型分解反应谱法法/弹性时程分分析/动力弹塑性分析地震作用方向：结结构平动基本周期期方向及平行/垂直于三角形各边边地震作用振型组合合数：30地震效应计算方法法：考虑扭转耦连连CQC法周期折减系数：0.852、结构分析/分析模型活荷载折减：按规规范折减自重调整系数：1.0楼板假定：核心心筒内板为刚性板板，筒外楼板为弹弹性楼板小震和中震结构阻阻尼比：0.04大震结构阻尼比：：0.05重力二阶效应(P-Δ效应)：考虑楼层水平地震剪力力调整： 考虑虑楼层框架总剪力调调整： 考虑2、结构分析/分析模型结构设计预期目标标结构耐久性：设计计使用年限100年。正常使用状态结构、构件有必要要的刚度；室内混凝土构件的的裂缝宽度≤0.3mm；重现期10年的风荷载作用下下，建筑物顶点加加速度≤0.2m/s2。承载力及位移极限限状态重现期100年风荷载、小震作作用下，结构弹性性；中震作用下，结构构基本弹性；大震作用下，结构构不倒塌，可修复复。2、结构分析/分析结果2.3、分析结果周期及质量参与系系数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项目混凝土内筒筒承担的竖竖向荷载约约占总重的的57％；钢管混混凝土斜交交网格外筒筒承担的竖竖向荷载约约占总重的的43％。内筒承承担的基底底剪力约占占总剪力的的61%，而外筒承承担约39%；内筒承担担的倾覆力力矩约占总总倾覆力矩矩的39%，外筒约占占61%。2、结构分析析/分析结果竖向荷载作作用下核心心筒弹性变变形图2、结构分析析/分析结果竖向荷载作作用下外筒筒弹性变形形图2、结构分析析/分析结果风荷载作用用下侧向变变形图2、结构分析析/分析结果风荷载作用用下外筒斜斜交网格柱柱轴力分布布图2、结构分析析/分析结果结构前三阶阶振型图2、结构分析析/分析结果温度效应分分析结构合拢温温度范围约约为10-35℃。由于使用用期间西塔塔的结构构构件都处于于室内环境境，有空调调控制温度度，一般在在20℃-28℃左右，因此此，所有内内部构件只只需考虑±10℃的温度变化化。把温度度荷载施加加于ETABS三维模型上上进行分析析，可得构构件轴力最最大内力设设计值增加加的百分比比分别为：：外框柱约约1.1％、楼面环环梁约2.2％、楼面拉拉梁约3.8％，都可忽忽略不计。。2、结构分析析/分析结果徐变分析图9内筒的竖向向压缩量(一年后)2、结构分析析/分析结果徐变分析图9内筒的竖向向压缩量(一年后)结构体系结构分析32振动台试验验1设计难点及及解决方案案43、振动台试试验2007年2月14日在中国建建筑科学研研究院振动动台实验室室进行了西西塔结构模模拟地震振振动台试验验.模型几何比比尺1/50,满足动力和和重力相似似关系.试验表明,结构模型在在7度罕遇地震震作用后仍仍可保持弹弹性.3、振动台试试验在振动台试试验过程中中，结构在在各工况地地震作用下下，振动形形态基本为为平动，结结构整体基基本无扭转转效应。模型在经历历了7度小震、7度中震、7度罕遇地震震作用后，，自振特性性有微小变变化，结构构基本处于于弹性状态态。模型在经历历了8度罕遇地震震作用后,自振特性又又有微小变变化，核心心筒剪力墙墙未见明显显裂缝，外外围铜管混混凝土构件件未见明显显屈服，说说明模型结结构稍有损损伤，模型型最大层间间位移角为为1/133。试验说明，，原型结构构设计在8度罕遇地震震作用下满满足规范要要求。结构体系结构分析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、设计难点及解解决方案4.3、设计风荷载问题题广州西塔建筑造造型修长挺拔，，高宽比超过6.5，风荷载为结构构设计中的控制制荷载。毗邻拟拟建东塔的干扰扰，使西塔的风风反应更为复杂杂。本工程通过过风气象分析确确定了本区域的的风况及设计风风参数，并通过过大气边界层风风洞刚性模型同同步测压试验确确定大楼的等效效风荷载。4、设计难点及解解决方案风洞试验及结构构的风致响应分分析结果表明：：结构的动力性性能包括阻尼比比、自振频率等等对结构风反应应影响很大；结结构横风向风荷荷载效应远大于于顺风向风荷载载效应。对于此此类截面接近圆圆形的超高层建建筑，易引起跨跨临界强风共振振。周边环境特特别是拟建的东东塔对西塔的风风反应也有一定定影响。4、设计难点及解解决方案以下为西塔385米高度处的气动动力功率谱，气气动力Fx,Fy为根据该楼层风风压时程积分的的结果，相应坐坐标系见右图。。4、设计难点及解解决方案0度风向角FxFy4、设计难点及解解决方案120度风向角FxFy4、设计难点及解解决方案240度风向角FxFy4、设计难点及解解决方案0度为典型的风荷荷载谱，体现在在Fx和Fy有非常不同的特特征：Fx为顺风向湍流作作用的结果，在在其谱中没有明明显的峰值，脉脉动力各个频率率分量的分布和和脉动风谱类似似，而横风向Fy的谱则有非常明明显的峰值，这这个峰值所对应应的频率值即为为漩涡脱落频率率，图中的3条红线分别对应应于结构的前3阶固有频率，由由图中可见，结结构的前两阶固固有频率基本和和漩涡脱落频率率一致，这意味味着会有潜在的的涡激共振问题题。4、设计难点及解解决方案西塔的风振基本本是横风向控制制的，且在横风风向响应和荷载载中，平均量一一般都很小，而而共振分量又远远远超过背景部部分占有相当大大的成分，因此此，最终结构的的峰值响应或等等效静风荷载还还要很大程度地地取决于峰值因因子和结构阻尼尼比的选取。4、设计难点及解解决方案峰值因子和结构构阻尼比对等效效风荷载的影响响：4、设计难点及解解决方案结构顶部加速度度随阻尼比的减减少而增加：4、设计难点及解解决方案设计时风荷载参参数的取值为：：①考虑到西塔塔的设计荷载是是根据100年基本风压进行行计算而得到的的，这种情况下下，采用跨越一一次结构即告失失效的峰值因子子g=3.5作为设计参数将将偏于保守。因因此，在结构构构件承载力设计计中，根据实际际计算的峰值因因子的分布情况况，采用比国家家荷载规范略高高的g=2.5作为峰值因子；；②100年一遇极大风作作用下的结构阻阻尼比取3.5%；③舒适度验算算采用重现期10年的基本风压，，结构阻尼比取取1%，峰值因子取3.5%，同时考虑风速速玫瑰的影响