广州新电视塔结构设计及新技术应用

广州新电视塔结构设计

及新技术应用广州市设计院一工程简介

广州新电视塔（广州塔）的方案是通过国际方案竞赛，从入围的13个方案中选出的。广州新电视塔高610米，由一座高达454米的主塔体和一个高156米的天线桅杆构成。作为广州市的标志性建筑。电视塔塔体包括39层不同功能的封闭楼层，作为观光层，餐厅，电视广播技术中心以及休闲娱乐区等。珠江帝景东塔西塔第二少年宫广州图书馆广州歌剧院省博物馆海心沙原新中国造船厂454米610米建筑简介

海洋区——

地下停车库、展览厅、入口大厅、会议中心（-10.000层—32.800层）沙漠区——

高科技娱乐厅、影院（84.800层—121.200层亚热带草原区———观景平台、小食（147.200层—168.000层）热带雨林区——

空中云梯（168.000层—334.400层）温带区——

设备用房、茶室（334.400层—350.000层）冰原区——

微波电视机房（376.000层—402.000层）北极区——

观景平台、餐厅（407.200层—459.200层）总指标总用地面积： 175460平方米净用地面积： 133300平方米总建筑面积： 119453平方米一期：总建筑面积： 114054平方米地下（6.800层以下）建筑面积： 69779平方米地上（6.800层及以上）建筑面积： 44275平方米二期：总建筑面积： 5398平方米

地下建筑面积： 5200平方米地上建筑面积： 198平方米预计建筑期

= 2005–2009年底建筑简介454米610米造形将建筑、结构和美学等融为一体塔腰扭转形成不同立面效果和动感立面塔底部轴线相对珠江旋转了45度，代表珠江水东流，表达珠江与广州的悠长历史关系。

设计概念外框筒外型尺寸40.5mx54m20.65mx~27.5m高宽比=7.360mx80m高宽比=7.5结构形式=+++混凝土核心筒

钢管砼柱

圆环

斜撑

各方向视图二结构主要设计参数1.结构安全等级项目基本参数设计使用年限100年结构重要性系数1.1建筑结构安全等级一级抗震设防烈度7度（100年5%作为基本烈度）场地类别Ⅱ类设计地震分组第一组（0.35s）2.主要设计荷载

1)风荷载根据《建筑结构荷载规范》，广州地区100年重现期的基本风压为0.60kN/m2，本工程根据广东省气候与农业气象中心报告数据及8月26日专家验收会上的专家组决议，按100年重现期的基本风压为0.55kN/m2,风压高度变化系数按GB50009-2001取C类进行设计。2)地震作用

根据《广播电影电视建筑抗震设防分类标准》，本工程为甲类建筑，其设防烈度和设计峰值加速度的概率水准取100年期限内超越概率5%。地震作用参数、地震作用加速度反应谱和时程曲线等是以广东省工程防震研究院提供的《广州市新中轴线电视塔工程场地地震安全性评价报告》作为结构的设计依据。3）温度作用

采用计算流体力学(CFD)进行了详细的分析，对电视塔构件不同高度、不同时间的温度场分布研究，得到各杆件的温度。3.外框筒钢管柱计算长度柱高度范围等效计算长度（m）钢管的内直径（m）-10～38.020.81.825638.0～84.830.0*1.735184.8～116.010.41.6809116.0～147.025.0*1.6270147.0～168.010.41.5904168.0～204.425.0*1.5471204.4～235.625.0*1.4929235.6～266.825.0*1.4386柱高度范围等效计算长度（m）钢管的内直径（m）266.8～298.025.0*1.3843298.0～334.425.0*1.3210334.4～42815.61.21428～柱顶10.41.14注：*为参考清华大学课题组理论分析结果4.外框钢结构主要构件截面及材料5．主要构件重量统计构件重量（万吨）构件重量（万吨）钢管柱1.8079核心筒6.6155斜撑0.91495钢管内砼5.1577圆环0.26497楼面1.4329楼面梁0.46929其它0.5151天线0.1117其它0.48049合计4.049313.7212总计17.776计算分析软件

奥雅纳工程顾问采用了GSA，SAP作为设计计算软件，同时采用LS-DYNA进行补充分析。广州市设计院采用ANSYS,SAP作为设计及分析软件。北京市建筑设计研究院采用MIDAS和ABQUSE作了第三方校核。三基础设计

1.安全等级项目塔体(含塔体基础)广场层、地下室混凝土部分建筑结构的安全等级一级二级设计使用年限100年50年结构重要性系数1.11.0抗震设防分类甲类丙类抗震设防烈度按本项目的工程场地安全性评估报告场地类别II类II类设计地震分组第一组第一组地基基础设计等级及安全等级设计等级为甲级；安全等级为一级2.场地地层构成和工程地质特性工程场地典型地质剖面图

3.主塔基础设计

24根钢管混凝土柱基础采用单桩单柱的大直径人工挖孔嵌岩桩基础，以微风化岩层为持力层，桩身直径为4米，扩大头直径为5.2米，桩端嵌入微风化持力岩层0.5米，桩顶采用5米×4米环梁连接各桩。对于微风化基岩面埋深较浅的桩位，将出现桩长较短的情况，为抵抗风荷载或地震荷载作用下可能出现的桩顶拉力，外筒大直径人工挖孔嵌岩桩的最小桩长不得小于12米。主塔外筒与核心筒之间的区域，采用整板式筏板基础，板厚1.5米。4.裙房地下室基础

裙房地下室基础可分为-5.00米和-10.00米两层，采用桩基础进行基础的抗压和抗浮设计。四风荷载效应1.风荷载取值

1）根据广东省建设厅主持的《广州新电视塔结构设计风荷载取值问题》专题技术论证会的结论：该工程100年重现期基本风压取0.55kN/m2，50年重现期基本风压取0.45kN/m2；该工程风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）表7.2.1中地面粗糙度类别C类取值。

2）风工程研究（1）广东省气象局进行工程气象分析、模拟计算；（2）广东省建筑科学研究院进行地形地貌风洞试验、整体模型测压试验；（3）同济大学进行片段刚体模型测力试验、片段模型测压试验；全塔气弹模型试验；数值分析。3)设计风荷载:

2.风荷载下结构位移

1）控制标准

部位塔顶（450米）天线顶（610米）塔身最大侧向位移1/2501/100满足各功能层设备要求

2）计算模型风荷载下最大位移

部位塔顶（450米）天线顶（610米）最大侧向位移1.689（1/266）3.876（1/157）层间位移角（最大值1/141）

有害层间位移角（最大值1/4131）3）层间位移角、有害层间位移角和区间广义剪切变形（根据《高层建筑混凝土结构技术技术规程》）区格的广义剪切变形最大值1/2302，根据初步设计审查意见，控制结构的剪切变形小于1/1500。

根据专家评审会意见，塔顶（天线根部）的加速度在频遇值0.4W0）下控制指标为0.25m/s2，试验结果天线顶部为0.674m/s2，天线根部为0.09m/s2。3.加速度控制标准

4.风主控作用下外框筒钢结构构件校核五温度作用

采用当地历年冬季最冷及夏季最热日气温数据作为温度计算依据，同时考虑100年期全球气候变暖导致最高气温上升因素影响，采用计算流体力学(CFD)分析方法，通过动态热模拟，确定不同高度上每根立柱和斜撑的表面温度。广州日最高气温：38.70C，最低气温：－2.60C。结构设计计算时主要考虑结构整体升温工况（Ta）、整体降温工况(Tb)、结构构件最大温差工况（Tc）.整体升温降温按室内结构温度不变，室外结构±30℃进行计算，Tc工况根据CFD计算结果确定每根构件的温度。1.温度作用下450米处楼板位移(米)XYZSumMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxTa-0.0940.161-0.0720.1090.0420.1300.0460.205Tb-0.0610.032-0.0530.013-0.142-0.0510.0550.155Tc-0.01390.2940.0310.2500.0370.1360.1180.358楼板上最大竖向相对变形为0.099米。温度影响状态钢管混凝土柱外筒斜撑、环杆核心筒外露部分最高气温与安装状态温差25℃35℃25℃最低气温与安装状态温差－30℃－30℃－30℃不均匀日照温度变化/温差44℃～52℃/19℃~27℃51℃~73℃/26℃~48℃49℃~57℃/24℃~32℃2.温度作用对楼板转角影响

楼板分区2）各种工况下楼板转角统计（靠近核心筒楼板转角大于1/100，Tanα≥0.01）

针对靠近核心筒楼板转角较大，可能会造成楼板开裂，设计时对该部位的楼面梁采用插销式连接，同时进行构造处理。3.温度控制工况下外框筒钢结构构件校核温度主控下环构件最大应力比

六地震作用

1.场地工程地震资料

本工程场址覆盖土属于中软场地土，其场地类别为Ⅱ类，场地地面脉动卓越周期约0.33秒。根据《广播电视电影建筑抗震设防分类标准GY5060-19973》，对于本项工程应按“甲类建筑”标准设防，其“中震概率水准取100年期限内超越概率5%”。根据本场址50年期限内“偶遇”地震分别与“常遇”和“罕遇”地震之间概率烈度与地震动的差异，经换算延伸至100年期限，其相应大、中、小地震设防标准。据此，本项工程场址的设防烈度为Ⅷ度。1）地面最大加速度峰值小震中震大震加速度峰值(gal)75.51193.90336.762)设计地震动参数参数T0（秒）Tg（秒）αmax(水平向)αmax(竖直向)小震0.10.400.1734（0.16）0.1127中震0.10.600.44520.2894大震0.10.700.7732（0.90）0.5026竖直向参数αmax值是按规范要求，取水平向参数值的0.65。设计地震动参数曲线2.抗震设计控制目标

抗震目标地震烈度多遇设防烈度罕遇总体没有破坏有破坏，但可修补不可倒塌环梁性能弹性弹性

p<8y支撑性能弹性弹性受压

<8

b受拉<10

t柱性能弹性弹性

p<0.03弧度核心筒弹性弹性

p<0.015弧度内外筒的横向连接及天线弹性弹性

p<8y受压<8

b受拉<10

t根据抗震设计目标，在设防烈度作用下，结构构件的抗震承载力计算按如下方法进行：考虑内力调整的地震作用效应和抗震承载力按强度设计值计算。3.地震作用下主要构件校核4.振动台试验在广州大学进行了1：50模型的振动台试验。基本结论：

1）应力水平：小震作用下，结构处于弹性状态。中震作用下，局部次要构件接近屈服，结构基本处于弹性。大震作用下，腰部支撑及桅杆底部部分构件达到屈服，核心筒腰部及底部出现开裂。

2）结构薄弱层和薄弱构件（1）外框筒结构模型标高3.00m～6.00m（相当于原型结构标高150m～300m）处的斜撑应力较大；（2）混凝土核心筒结构模型标高5.44m（相当于原型结构标高272m）处的为结构的薄弱部位；（3）桅杆结构的底部区域杆件应力较大。结论验证了设计时重点关注的薄弱部位，并予以加强。七结构稳定性

广州新电视塔的钢外筒如同一个巨大的钢网壳，其承担了整个结构的60%的竖向荷载，85%左右的倾覆弯矩，巨型钢网壳的稳定性对结构的整体稳定性其控制作用。在整个设计过程中，围绕巨型钢网壳的稳定性做了大量的分析研究工作。在初步理论分析的基础上，提出了环柱连接节点的刚度对结构的整体稳定性至关重要，故在节点试验中必须验证设计的外框筒节点为刚性节点；为了提高腰部的稳定性，在腰部增设三道支撑，后改为四道。钢管混凝土柱在有楼层部位可按规范确定其计算长度，在底部（35.8～84.8）49米，腰部（169.3～334.4）165.1米高度范围内无法确定其计算长度，如不考虑环约束对计算长度的影响，构件验算无法通过，考虑环的影响，又缺乏参考依据。通过设计单位与试验单位共同合作，由理论分析与试验相接合，来确定钢管混凝土柱的计算长度。

1.环柱节点连接形式对结构稳定性影响分析1）圆环构件与柱采用铰接时结构的稳定性2）圆环构件与柱采用刚接时结构的稳定性自重+活荷载作用下，K1=11.672。自重+活荷载+风荷载作用下，K1=6.269。发生在天线与塔体的连接部位。2.环柱连接节点刚度对结构稳定性影响分析

环梁与柱之间的连接节点采用一小段钢管梁来模拟，通过改变梁的刚度来模拟节点的强弱。下面分别对四种模拟截面梁形式进行稳定分析，得到的临界值如下表。（自重+活荷载+风荷载，腰部三道支撑）牛腿刚度参数0.12360.0310.00620.0031第一局部失稳模态（底部）d8.5842d7.7435d6.7970d6.3118第二局部失稳模态（底部）d9.0042d8.0786d7.1330d6.7191第三局部失稳模态（腰部）y9.3240y8.2155y6.9647y6.2209

塔身的失稳首先可能发生在腰部和塔底部两段没有楼层的地方。

对结构的失稳模态进行分析，其前几阶失稳模态均发生在透空区，为了提高结构的整体稳定性，需对结构的透空区进行加强，采用在透空区增设支撑的办法。3.腰部支撑对结构的稳定性影响分析工况整体（90度）底部（22.5度）腰部（22.5度）静+活8.66719.16521.116静+活+风8.6439.8610.33自重+活荷载+风荷载作用下，结构的失稳模态：

4.非线性稳定分析荷载取1.0静+1.0活+1.0风，考虑正东方向风荷载。1）初始缺陷按线性分析整体失稳模态施加初始缺陷，柱顶位置偏差约为高度的1/500，荷载加至6*(静+活+风)以后，位移增大明显。

2）初始缺陷按线性分析底部失稳模态施加初始缺陷，最大位置偏差约为截面宽度的1/500，荷载加至4*(静+活+风)未发生位移明显增大现象。5.钢管混凝土柱构件设计

钢管混凝土柱的构件截面按照钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28:90进行设计。按照CECS28:90第4.1.2条,钢管混凝土单肢柱的承载力应按下列公式计算：由右图可知，对钢管混凝土柱承载力影响最大的为考虑长细比影响的承载力折减系数。。

6试验研究1）底部群柱试验当柱子的轴压力达到设计荷载水平时，构件的内力、应变及位移变化都比较均匀，钢管柱最大应力为157.2MPa，所有构件都处于弹性工作状态。中柱钢管部分测点进入屈服状态时，中柱轴压力水平2178kN，是中柱轴压力设计值的2178/960＝2.27倍，说明柱子达到弹性极限时安全储备较大。当中柱达到极限状态时，在偏于加载端一侧屈服区有一定的扩展，且伴随有较大的面外位移。这时中柱轴向最大位移为29.2mm，面外（径向）最大位移为50mm，面内（环向）最大位移为11mm。极限状态下中柱轴压力水平为3400kN，与其轴压力设计值的比值3400/960＝3.54

倍。2）腰部节段试验第一阶段加载结束时，也就是到达设计荷载水平，所有构件都处于弹性受力状态。其中立柱钢管最大压应力为-129.6MPa，且所有立柱都处于受压状态，受力以轴力为主。第二阶段加载结束时，20号立柱柱脚钢管开始进入屈服，其余构件仍处于弹性受力状态，水平推力H＝920kN，即达到设计值的920/240＝3.83

倍，说明部分构件达到弹性极限时整体结构安全储备较大。第三阶段加载直至立柱底部出现了大面积群柱失稳，极限水平推力785kN，即为设计值的1785/240＝7.44

倍，说明结构具有足够的安全储备。试验结果与设计时的数字分析结果基本吻合，同时验证了整个结构的安全性。八天线与塔体连接方案设计

广州新电视塔天线与塔体的连接方式：转换桁架及核心筒承接方式。1.模态对比分析振型序号桁架方式承接方式周期模态特征周期模态特征110.225整体10.14整体27.0493整体7.0195整体32.8636天线局部2.9616天线局部42.5672天线局部2.6177天线局部52.4594天线局部2.4644天线局部62.2018整体(扭转)2.2000整体(扭转)72.1533天线局部2.1874整体81.4000整体1.4567整体91.1271天线局部1.1694天线局部100.9317天线局部0.9655天线局部桁架模型和承接式模型前20阶模态对比表：振型序号桁架方式承接方式周期模态特征周期模态特征110.9171天线局部0.9335天线局部120.9123天线局部0.9227天线局部130.8289天线局部0.8400天线局部140.6869整体0.7093天线局部150.5853整体(扭转)0.6868塔体及局部（下部）160.5729塔体及局部（下部）0.6735塔体及局部（下部）170.5645整体(扭转)0.6455塔体及局部（下部）180.5074整体0.6134整体（扭转）190.4868整体0.5965整体200.4420整体0.5422整体2.相同工况下位移对比1）塔顶位移（450米高度处）塔顶位移mA承接式方案B桁架式方案风SAP20001.84631.8127ANSYS1.6341.670小震组合SAP20000.65610.6685ANSYS0.6160.567中震SAP20002.19192.2434ANSYS1.8361.6982）层间位移角最大值A承接式方案B桁架式方案风SAP20001/1331/140ANSYS1/1411/148天线顶位移mA承接式方案B桁架式方案风SAP20004.93374.7594ANSYS4.9434.828小震组合SAP20001.93791.7836ANSYS1.7891.718中震SAP20006.21305.7503ANSYS6.3796.1743）天线顶位移比较（610米高度处）4）有害层间位移角最大值A承接式方案B桁架式方案风SAP20001/51321/4113ANSYS1/41311/39513天线倾覆力矩传递比较4层剪力传递比较5核心筒墙应力分析

从核心筒剪力墙应力大小及沿高度分布看，在E功能段，即塔顶（417～448米）范围内，承接式模型核心筒剪力墙应力除顶上几个层间位置相对较大外，其余层间剪力墙应力大小两种方案基本一致；在非功能段拉应力较小并基本一致；有楼层的地方较大，主要由于该处核心筒剪力墙上开洞较多和梁的局部影响。6楼面应力分析1）温度工况楼板应力比较2）风主控工况楼板应力比较7不同连接方案的风荷载及响应对比

左图为不同的连接方式90度风向角塔体风荷载水平剪力的对比图，塔体部分的差异主要由初步设计阶段模型与施工图阶段模型质量分布差别造成。8楼板开裂刚度下降分析1）楼板开裂刚度退化对整体结构的影响（1）周期对比周期原模型C,D段25%整体25%C,D段0%整体0%110.14610.15110.15810.15710.17227.0247.0297.0367.0337.04832.9592.9612.9692.9642.98242.6172.6172.6222.6182.62852.4642.4642.4672.4652.47162.1942.1992.2072.2102.23872.1842.1852.1922.1882.20681.4561.4571.4631.85491.1711.1711.3301.674100.9650.9661.1771.457（2）位移对比工况：1.2恒+0.98活+1.4风（正东）位移（米）原模型C,D段25%整体25%C,D段0%整体0%天线顶7.1047.1107.1267.1157.155塔顶2.5412.5432.5462.5452.552（3）对塔体扭转的影响（工况：1.2恒+0.98活+1.4风）相对转动角（度）高度（米）原模型C,D段25%整体25%C,D段0%整体0%167.850.0916040.0952160.0924040.0991790.090855334.250.1176150.1184430.1170220.1169580.110127448.650.2001330.1990650.2014320.1956440.199743绝对转动角（度）高度（米）原模型C,D段25%整体25%C,D段0%整体0%167.850.4299730.4284270.4320850.4269590.437714334.253.5203013.5226053.5263283.5280253.541734448.654.6219074.6260414.6287264.6341054.6466812)楼板刚度退化对楼面梁轴力的影响左图为楼面梁应力增量（MPa）9结论

从总体分析上，两个方案对结构的整个性态影响不大，但承接式方案节省了用钢梁，同时使得顶层能够满足建筑及阻尼装置设置的要求，故采用承接式方案，但应注意对E功能区核心筒及楼面的影响。根据2006.4.13由广州市建设科学技术委员会办公室组织的《广州新电视塔结构设计控制参数取值方案专家评审会》意见：同意采用桅杆和塔身承接式连接方案，此方案比原方案在满足建筑使用功能、节约结构造价方面有较大优化。443~448最大应力16.1Mpa438~443最大应力17.4Mpa433~438最大应力3.04Mpa428~433最大应力3.0Mpa承接式剪力墙应力400厚混凝土墙顶层应力（升温工况）承接式剪力墙应力400厚混凝土墙（不均匀温差工况）443~448最大应力19.5Mpa438~443最大应力21.3Mpa433~438最大应力3.22Mpa428~433最大应力3.15Mpa承接式剪力墙应力400厚混凝土墙（风＋温度工况）443~448最大应力26.7Mpa438~443最大应力28.2Mpa433~438最大应力1.77Mpa428~433最大应力1.48Mpa标高范围(m)钢管截面(Dxt)428.0~433.2600x30433.2~438.4750x35438.4~443.6900x40443.6~448.81000x50443~448米复合墙外表面在墙顶部最大拉应力7MPa443~448米复合墙内表面在墙顶部最大拉应力6MPa443~448复合墙内钢板在墙顶部最大拉应力73MPa438~443复合墙内钢板在洞口边缘最大拉应力50MPa438~443米复合墙在外表面洞口边缘最大拉应力5MPa438~443米复合墙内表面在洞口边缘最大拉应力6MPa九节点设计

1外框一些统计参数1）斜撑长度MAX16.87米MIN7.90米2）斜撑与柱夹角斜撑下节点MAX46.53MIN16.50（9柱35环）斜撑上节点MAX48.04MIN16.04（8柱37环）3）节点区域高度（沿柱母线）

MAX7.928MIN3.026

2外筒节点