海尔观光塔的结构设计过程

青岛海尔集团，海尔观光塔工程项目的结构设计概述青岛海尔集团有限公司投资的海尔观光塔工程项目是将一个50m高类似机场导航塔形式的观光平台（称为观光塔）与一个百米高建筑尖顶在柱脚以外18m、倾斜的三棱锥体形式的标志性建筑（称为标志塔）在42m处相嵌组成的一个建筑造型，在27m的标高处二塔之间还有一个廊桥相连。在两塔建筑的底部是个一层楼的裙房展厅。其中，观光塔的筒芯是由二部观光梯及一部消防楼梯和几个设备工种需要的竖向管笼组成的一个直径8m的筒体，上面有一个半径为13.4m的观光厅。而标志塔按建筑要求三棱锥体底部边长均超过30m。内部是一个完全通透倾斜向上至塔尖的共享空间。在此超空间内，除了设置一部通向42m标高观光塔平台的楼梯外不再有任何水平隔断将空间分块。此双塔建筑在设计之初主要考虑的二大问题是结构选型和选择合适的结构分析程序。结构选型观光塔部分的结构形式采用钢筋砼筒体应该是明智的选择。半径为13.4m的观光平台原来考虑用悬臂的预应力钢筋砼大梁方案，后来考虑到42m高大体量的脚手架搭建的施工支模平台会严重拖累工程施工进度，因此改用钢结构平台即实腹式工字型钢梁＋压形钢板＋现浇砼楼板方案。观光塔顶、大跨度的球面型悬臂屋盖到底是选用钢结构屋架还是钢结构网架作过反复比较。后来，由于考虑到钢结构网架体系结构型式成熟、造价低廉、施工快捷因此加以采纳。由于建筑层高限制，选用在钢筋砼筒体处面侧向挑出悬臂的球面形球铰网架方案，网架最大悬挑尺寸是12.5m，网架厚度1.9m。标志塔的结构形式曾经考虑过用钢筋砼方案：标志塔与观光塔二个钢筋砼筒体通过标高在27m连廊与42m观光平台，组成一个巨形的砼结构框架，以减轻倾斜的标志塔结构对基础及上部结构形成的倾覆效应。并且二塔形成整体后也省了廊桥部位复杂的变形缝处理构造。但因为以下原因我们考虑标志塔还是用钢结构方案。1、目前还没有符合中国规范且可以将倾斜钢筋砼墙建模并进行受力分析的结构分析程序。并且，倾斜钢筋砼墙的受力分析必须计算平面外的受力状态，平面外的强度和稳定。2、建筑要求标志塔内部必须是一个完全通透向上的倾斜共享空间不加楼层板，如此空间用混凝土结构的化显然是严重超限的。由于基础条件好及考虑到一层底部裙房的整体性，所以最终确定观光塔用钢筋砼方案，标志塔为钢结构方案，二塔底盘的一层结构作为一个整体，一层以上两塔完全分开，支撑标志塔的基础柱墩直接升到标志塔柱底6m标高。标志塔的钢结构方案一．标志塔钢结构定为空间杆系结构主要有以下二原因：1、建筑造型：倾斜的标志塔结构会有巨大的倾覆效应。为抵抗结构的倾覆效应,组成结构的梁柱构件内力将增加，特别是构件的弯剪效应将增加。当构件内力的弯矩作用大到构件的抗弯刚度不足以承担时，结构将产生巨大变形。钢结构构件的特点是强度高，截面小，构件的抗弯能力相对于构件抗轴线受力的能力要差，因此构件的稳定验算是构件设计的重点。杆件过大的弯矩效应显然对构件设计不利。为了使结构形式更符合结构的受力特点，也为了提高结构的抗侧刚度，减少杆件设计中不利的内力效应，因此采用空间杆系结构。空间杆系结构可以将单根杆件中的弯矩效应转化为多根杆件中的轴力效应。在我们采用的三角形空间格构柱中，这一概念得到了充分的体现，作用在单根斜柱上的巨大弯矩转化为组成格构柱中各杆件的轴力，使斜柱上的弯矩大幅减小。2、海尔标志塔属于高耸塔桅结构，按《高耸结构设计规范》GBJ135－90中第2.0.8条规定，高耸结构正常使用极限状态的控制条件为层间相对位移不大于1/100。但是建设方要求在标志塔外面要挂石材幕墙，由于石材幕墙为脆性材料，石材幕墙规范要求幕墙龙骨的层间相对位移不大于1/300。因此,按此标准对标志塔钢结构的刚度提出了更高要求，而空间桁架体系正符合了此种要求。二．构件形式的选用对于一个复杂的空间杆系结构构件截面不应有明确的强轴与弱轴，因为构件截面在任意方向上的刚度都对结构有益，并且是必须的。钢管构件正符合了此种要求，而且在设计中用钢管构件更易于结构体系布置。三．标志塔的结构体系标志塔的空间杆系结构体系是在空间桁架概念上建立的。标志塔三个角上倾斜的三维三角形钢管格构柱(如图Z11、Z12)及空间钢管桁架梁(如图L11、L12)组成三片巨形框架构成整个标志塔结构，为了增加框架的抗侧、抗倾覆刚度在每个桁架梁之间再增设抗侧移支撑体系，使之成为一个空间桁架。同时三片桁架平面外的刚度也必须加以考虑，我们设计的三角形空间桁架梁(如图L11、L12)就是为了提供三片桁架平面外的刚度。另外空间桁架梁也为标志塔外挂石材幕墙的支架提供了一个稳定可靠性的支撑平台。经计算，结构的层间相对位移均能满足幕墙支架1/300的要求。除此以外，在每个楼层平面上，我们增设了构造水平系杆。其目的就是为了提供桁架梁之间的抗侧移支撑体系以平面外的稳定，并且我们认为这个体系不能用作外墙荷载的支撑体。标志塔倾斜的三维空间钢管格构柱，随标志塔的平面面积变小而变化。格构柱从标志塔柱墩6m标高开始，在6m～48m标高段，格构柱的水平面柱距(腰边)为3m。在48m～73m标高段，格构柱的水平面柱距(腰边)为2.2m。73m以上由于标志塔结构的三角形平面的边长仅为6.6m，因此用φ299×16的单根钢管作为柱子继续上伸。三角形的空间钢管桁架梁高度为3.00m（即为楼层高度），上弦或下弦有一个宽1.25m的水平桁架，此水平桁架是结构抵抗外墙传至的风荷载及整片桁架平面外刚度的主要保证。从9m标高开始，每隔三层即间距9m设置一道空间桁架梁至48m，在48m以上由于柱距越来越小，梁跨越来越短，从标高55.5m开始此梁改为平面桁架，三个面的平面桁架之间通过构造的水平系杆来保证平面外的稳定。为了设置塔内楼梯，在标志塔两侧对称倾斜桁架的6m～48m标高段上，结合桁架梁之间的抗侧移支撑系统各布置了二根柱子，通过在柱子上挑钢牛脚设置塔内钢梯。标志塔建筑尖顶在100m标高，而91m以上，由于钢管结构已逐渐相交而无法继续上升，通过一个转换平台，将钢管结构转变为一段用三块钢板焊接构成的变截面型钢结构体系并继续升至标志塔结构最终标高98.2m。整个钢管结构的连接节点均要求为刚接体系。钢管节点的制作均要求沿相贯线全熔透焊缝连接。标志塔的计算分析程序选用标志塔是一个复杂的三维空间杆系，通过与中国建筑科学研究院PKPM工程部联系后确定STS程序(核心内力分析程序是SATWE)可以对标志塔三维空间杆系进行内力分析及杆件验算。为了确定SATWE程序的可靠性，另外我们选用了SAP2000对SATWE的计算结果进行比较校核，取得了较一致的结果。结构建模由于标志塔是个三维的空间杆系结构，没有一个标准平面可以利用，针对上千个接点的坐标，如果靠人力计算将是一个庞大的工程。对此，我们直接在CAD中建立三维结构模型，并用自编lisp程序，直接读出符合STS输入格式的节点坐标，将此拷到PMCAD中，这样不但输入数据准确而且快速高效。在CAD中建立三维结构模型还为结构在SAP2000中建模提供了方便，通过在CAD中输出模型的*.dxf文件可以直接导入SAP2000。CAD三维模型使整个标志塔结构直观地显现在屏幕上，通过转换视点坐标等方法可方便观察每根杆件，直观体现空间杆系布置是否合理并可加以调整。在施工图设计时，也可以直接在模型中截取杆件或平面然后加以尺寸标注即可。三．标志塔设计中考虑的荷载效应及设计参数选用：自然作用荷载⑴风荷载（考虑50年重现期）青岛地区：0.6kN/m2⑵地震作用：6度抗震设防⑶裹冰荷载20mm：0.18kN/m2恒载⑴50mm厚的外挂大理石板:1.4kN/m2挂板的龙骨支架:1.5kN/m2⑵外墙玻璃幕墙及支架:1.5kN/m2⑶塔内钢楼梯自重:2.0kN/m2使用活荷载⑴楼梯活荷载:2.5kN/m2除了以上荷载效应外，通过SAP2000程序，我们还考虑了以下荷载效应，并对标志塔钢结构的内力进行验算校合。10mmDZ1柱墩的差异沉降对结构内力的影响。5、温度作用对钢结构的影响温度作用有日照温差和季节温差。日照温差是同一个结构不同的面在阳光照射的作用下产生的温差而影响钢结构的内力分布状态。季节温差是冬季与夏季之间，整个钢结构因气温变化而收缩膨胀产生的附加内力。标志塔由于有外挂石材幕墙，幕墙内还有保温层，因此主要考虑季节温差即可。在考虑支座沉降及温度作用的荷载组合中：支座沉降的荷载效应分项系数取1.4组合系数取0.25。温差作用的荷载效应分项系数取1.0，组合系数0.25。在用SATWE进行结构的内力分析时，根据结构的特点考虑了以下几方面的内容：1．考虑结构由轴向力产生的附加弯距即P－△效应SATWE程序对高层钢结构会自动按简化方法考虑结构的P－△效应。地震和风荷载作用于结构不利的体形方向面上标志塔结构有两个体形不利方向。一个就是水平荷载垂直作用于标志塔的背立面，此时格构柱Z11的轴力最大。另一个体型不利方向就是当标志塔整体旋转±25℃时（即水平作用力与铁塔三角形两侧立面相垂直时），这时此方向上结构的倾覆弯矩最大，铁塔底部格构柱Z12上的拉力和压力也最大，对柱墩及基础的不利影响也最大。全部楼层均设置为弹性楼板，楼板全开洞。地震作用考虑扭转藕联计算。地震作用采用总刚分析法计算振型数按照程序给出X方向和Y方向的振型有效质量Cmass-x和Cmass-y来调整，最后取到30个振型标志塔计算结果分析一．标志塔结构的总重量（恒载＋活载）1820吨二．三维空间杆系结构自重364吨【分析：】由上可知：空间结构体系的自重仅占结构总重的20％。但是，从以下的结构层间位移及自振周期分析可以看出空间结构体系的刚度很大。这充分反映了三维空间杆系结构的优越性：以最小的自重提供结构最大的刚度。三．结构的自振特性：振型周期振型角度平动系数数(X++Y)扭转系数11.1221590.2221.000(0.000+1.000)0.00020.822190.3351.000(1.000+0.000)0.00030.8004690.4491.000(0.000+1.000)0.00040.599650.3390.999(0.999+0.000)0.00150.5114389.8820.881(0.000+0.881)0.11960.4441090.0080.005(0.000+0.005)0.99570.42210179.8850.337(0.377+0.000)0.66380.3997289.9910.665(0.000+0.665)0.33590.377650.4430.117(0.177+0.000)0.883100.3669090.2210.449(0.000+0.449)0.551【分析：】上表是标志塔钢结构自振特性中前十个振型的输出结果，并可以得出以下认识。结构的第一、三振型周期分别为1.1215及0.8046秒，并且为完全的Y方向上的平动振型。结构的第二、四振型周期分别为0.8219及0.5965秒，并且为完全的X方向上的平动振型。结构的第五振型周期为0.5143秒，主要表现为Y方向上的平动振型，此时结构才刚开始出现扭转效应。到第六振型周期为0.4410秒，此时结构才是完全的扭转振型。扭转振型出现在结构的第六振型，说明标志塔结构的抗扭刚度强，结构体系布置合理。结构的第一振型周期仅为1.1215秒，几乎等同于相等高度的钢筋混凝土框架剪力墙结构的第一振型周期。说明标志塔结构的刚度很大。首先，用常规的高耸结构来衡量，标志塔结构的刚度确实偏大。主要楼层的相对位移均小于1/300。而按《高耸结构设计规范》GBJ135－90中第2.0.8条规定，高耸结构正常使用极限状态的控制条件为层间相对位移不大于1/100。但是，由于标志塔倾斜的建筑造型要求结构必须具有强大的抗侧刚度，又由于建设方要求标志塔墙面要外挂脆性的石材幕墙，这就等于对标志塔的刚度提出了更高要求。其次，结构刚度提高并不是靠结构材料的堆积。如前面所分析：三维空间杆系结构自重364吨，占结构总重的20％。就造价来说，钢结构的综合造价（包括材料、制作、运输、安装）为8500元/吨。364吨的空间杆系结构总造价仅为309.4万元。占海尔集团投资此项目8000万元中的3.8％。由此可见，结构刚度很大主要取决于结构形式选用正确，结构体系布置合理。三根空间格构柱及抗侧移支撑系统对提高结构刚度作出巨大贡献。四．标志塔在风荷载作用下的水平位移分析下表中Ave-Dx---X方向楼层平均位移:Ave-Dy---Y方向楼层平均位移Max-Dx/h、Max-Dy/h---X及Y方向楼层最大节点相对位移Ave-Dx/h、Ave-Dy/h---X及Y方向楼层平均相对位移XX方向YY方向Floor层高h(mm)标高(m)Max-Dx//h(Ave-Dx//h)Ave-Dx(mm))Max-Dy//h(Ave-Dy//h)Ave-Dy(mm)13000.9.001/24351/29971.001/7411/11362.6423000.12.001/16551/50401.981/3131/6098.5133000.15.001/21331/33262.891/6801/130410.9343000.18.001/10081/25264.041/7861/150812.7753000.21.001/11251/20425.571/8701/125414.0063000.24.001/15381/25706.611/3761/71419.1573000.27.001/13121/23197.911/6191/153322.1583000.30.001/16511/21159.161/8221/128923.7693000.33.001/16061/181010.941/7461/85727.48103000.36.001/7591/174512.731/4701/66630.93113000.39.001/10711/193413.931/6871/133835.04123000.42.001/15101/174915.641/6311/90938.41133000.45.001/10901/133117.711/5271/61942.07143000.48.001/9791/143620.111/4231/53948.04152500.50.501/11071/125721.851/3951/51852.30162500.53.001/11371/130723.761/3681/54156.88172500.55.501/10921/125125.721/4471/53261.61182500.58.001/12051/146227.601/4851/57267.08192500.60.501/10621/128729.781/4891/56170.75202500.63.001/9661/113032.031/4791/49776.47212500.65.501/10481/114234.601/4211/49382.25222500.68.001/9241/116436.581/3301/47986.71232500.70.501/9471/110538.751/4061/46792.13242500.73.001/8661/99341.261/3831/42298.00252894.75.8941/5841/78544.951/4051/410105.72263106.79.001/7401/75548.811/3491/359113.86273000.82.001/6941/70553.061/3311/336122.71283000.85.001/6561/66357.591/3041/310132.38293000.88.001/6111/61262.491/2791/285142.89303000.91.001/5391/54567.991/2481/253154.73319000.100.001/3021/30297.791/1511/152214.22Hmax=944000(mm))Dmax/Hmmax=11/9600Dmax=977.88(mm)Dmax/Hmmax=11/4388Dmax=2114.555(mm))【分析：】1．主要楼层节点的相对位移均小于1/300，满足外挂石材幕墙的要求2.X方向的相对位移远小于Y方向的相对位移，是因为在X方向上有两片空间桁架而Y方向只有一片桁架。X方向是标志塔的倾斜方向，为减小结构的倾覆效应和P－△效应就应该严格控制此方向上的水平位移。3.从上表可见，十层以下层间相对位移大的楼层均是有空间桁架梁的加强层。这并不奇怪。因为这些楼层是标志塔外挂石材幕墙支架的支撑平台,外墙的自重及风荷载靠楼层的空间桁架梁传递到标志塔的钢管格构柱上。空间桁架梁平面上虽有一个水平桁架，但刚度相对较弱，此水平桁架正是风荷载的承力桁架，所以当楼层按弹性楼板模式进行内力分析时，桁架在风荷载作用下节点水平位移相对较大。由此影响楼层平均位移较大。必须弄清:由于楼层按弹性楼板模式进行内力分析，这时SATWE所反映的结构节点位移不但包含了结构在外力作用下应自身刚度决定的水平位移，还包含了外力作用点处结构构件的弹性变形。因此上表中，层间相对水平位移大并不代表此层的结构刚度小。五．地震作用与风荷载作用的比较X方向Y方向塔底剪力塔底弯距Qox/Gee塔底剪力塔底弯距Qoy/Gee地震作用418kN159900kN2.3%269.8kN6601kN1.48%风载作用2875kN1046222kN3255kN1168099kN【分析：】青岛地区为6度抗震设防，再说地震力是由结构自身的质量所引起的惯性力。海尔标志塔虽高度有百米，但里面是没有楼层的超空间体系，因此自身地震力很小。所以风荷载起控制作用。六.各个柱位内力标准值：恒载＋活载的输出（柱位编号详柱位平面图）柱位内力柱位内力柱位内力格构柱内力Z12aa123-1472((kN)-126((kN)-1298((kN)-48(kkN)Z12bb456-1431((kN)-111(kN))-1292((kN)-28(kkN)Z11789-14800(kNN)-5292((kN)-4894((kN)-4614((kN)【分析：】由此柱位内力表可知：针对这个倾斜的标志塔结构,Z11格构柱承受了整个标志塔结构84％的竖向荷载。对此，我们使用3根φ600/28Q345E的焊接钢管组成Z11格构柱，完全保证了它的刚度和强度。另一方面：Z11，Z12a，Z12b内力均为压力，因此说明整个标志塔结构的重心在结构基础平面以内，这是结构设计的基本原则，也是结构抗倾覆设计的基本保证。七．底层主要钢管柱的内力（设计值）(LoadCase)NoShear-XShear-YAxialMoment-XMoment-YNECondition------------------------------------------------------------------------------1(13)3855.411.5-1564.834.8-117.70Nmax1(11)38-10.849.71038.4121.313.30Mxmax1(13)3855.411.5-1564.834.8-117.70Mymax------------------------------------------------------------------------------2(13)2395.2-49.3-3718.3-59.8-209.80Nmax2(6)23-65.160.71610.1122.3148.60Mxmax2(13)2395.2-49.3-3718.3-59.8-209.80Mymax------------------------------------------------------------------------------3(13)409.9-36.4-2765.5-61.9-55.50Nmax3(6)40-16.047.12680.2103.665.50Mxmax3(14)40-16.246.22677.5103.065.80Mymax------------------------------------------------------------------------------4(14)37-51.619.5-1322.157.4110.80Nmax4((11)377111.950.1110611.41122.33-155.50Mxxmax4((14)377-511.619.55--13222.157.441100.80Myymax5((14)144-933.0--42.00--35977.5--44.002122.40Nmmax5((13)144688.256.7714177.51115.66-1611.10Mxxmax5((14)144-933.0--42.00--35977.5--44.002122.40Myymax------------------------------------------------------------------------------------------------6((6)355-77.3--30.88--25311.1--51.33477.60Nmmax6((5)355133.346.3325088.11102.00-577.70Mxxmax6((13)355133.545.7725088.81101.99-588.00Myymax------------------------------------------------------------------------------------------------7((11)11111.51123.44--83211.03318.77-255.80Nmmax7((11)11111.51123.44--83211.03318.77-255.80Mxxmax7((13)111333.158.55--55733.31155.00-3688.20Myymax------------------------------------------------------------------------------------------------8((14)22-566.2-4.22--60244.01108.002788.70Nmmax8((11)22555.056.33--52566.12214.88-999.20Mxxmax8((13)221422.751.33--21899.81108.66-4366.50Myymax------------------------------------------------------------------------------------------------9((13)331433.39.77--59466.31114.88-4300.10Nmmax9((11)33899.41107.77--46577.22299.88-1488.60Mxxmax9((13)331433.39.77--59466.31114.88-4300.10Myymax【分析：】由上上表9根杆件最最大组合内内力设计值值可知：77、8、9、φ600/228的钢管管柱，柱内内的最大弯弯距Mymmax仅为为-4366.5kNN-M，而1、2、3、4、5、6、φ450/220的钢管柱柱，柱内的的最大弯距距Mymaax更小，为为212..4kN--M。充分体现现了空间格格构柱的特特性，大大大减少了柱柱内的弯距距。经计算算，当Z111不加斜斜撑腹杆时时，钢管柱柱内的最大大弯距Myymax达达到-10500kN-MM。当Z211a,z221b不加加斜撑腹杆杆时,钢管柱内内的最大弯弯距Mymmax达到到738kkN-M。八．SATWEEE与SAP22000计计算结果部部分数据比比较1．一层主要九根根钢管柱的的分组内力力标准值比比较（扩初初阶段）由上表可以看出出SATWWE与SAP22000的的计算结果果相当接近近，在结构构的自振周周期、位移移等其他方方面的分析析结果也是是如此。由由于可以写写个专题，限限于篇幅不不再详述。标志塔的基础设设计支撑标志塔的三三个格构柱柱作用在直直接升到标标志塔柱底底6m标高的三三个三角形形钢筋砼基基础柱墩上上。柱墩下下布置人工工挖孔灌注注桩，单桩桩设计承载载力24000kN/根（桩桩端承载力力占单桩承承载力的85％）。由于标志塔在风风荷载作用用下有巨大大的倾覆弯弯矩（风载载作用下的的Mxmaxx为1350000KKN－M，Mymaxx有1055000KN-M）,因此标志志塔上部结结构的整体体稳定和抗抗倾覆还必必须依靠基基础的稳定定性及整体体性。但是是，三个有有倾角的格格构柱之轴轴力产生巨巨大的水平平推力对基基础柱墩稳稳定及整体体性产生不不利影响。要要解决这此此问题，对对标志塔的的基础设计计提出了更更高要求。构成标志塔基础础的三角形形基础柱墩墩Dz1的柱底平平面尺寸为为5.9××5.9××5.0的等腰三三角形，柱柱顶平面尺尺寸为5..1×5..1×4..3的等腰三三角形；Dz2柱底平面面尺寸为7.2××7.2××6.1的等腰三三角形，柱柱顶平面