某國際會展大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計

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摘要：介紹了重慶萬豪國際會展大廈帶加強層的鋼結(jié)構(gòu)框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系風(fēng)荷載取值，結(jié)構(gòu)布置、抗風(fēng)抗震計算分析，主要抗震措施、節(jié)點構(gòu)造及結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，并對大廈的人體舒適度進行了分析，以供同類工程參考。關(guān)鍵詞：超限高層框架一核心筒鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)荷載人體舒適度structuredesignofChongqingMarriottInternationalConferenceC

  Buildingauthor：xueshangling1，huchaohui1，mengyu1，etal.（InstituteofConstructionalEngineering，CISDIEngineeringCo.，LTD.，Chongqing400013，china）Abstract：ThestructuredesignconceptofChongqingMarriottInternationalConferenceC   Building，whichisframedtube-coresteelstructurewithpantingframe，wasstated.Thewindloadonthebuildingandthemethodofanti-windanalysiswasintroduced.Thelayoutofstructure，theaseismicmeasuresandthejointstructuralwasdescribed.Theoccupantcomfortofthebuildingwascalculated.Theresultscanbereferenceforthesimilarstructure……Keywords：Superhigh-risebuilding，framedtube-coresteelstructuredesign，windload，occupantcomfort一、工程概況重慶萬豪國際會展大廈地處重慶市鬧市區(qū)，大廈所處地勢北高南低，相差5m.大廈地上69層（含GF層），地下5層，建筑高度303.3m，地下22m，裙房7層。地下5層為停車庫和設(shè)備用房以及商業(yè)用房，負2層與城市輕軌的出入口連為一體，地上7層裙房為商業(yè)用房，第7層采用空中通廊與現(xiàn)有萬豪酒店相連，8至68層塔樓標準層平面為41×41m，8至41層為公寓，42至68層為辦公樓，頂層設(shè)置直升機停機坪。在第7層、第23層、第41層、第54層、頂層設(shè)置避難層。地下室和裙房層高4.5m－5m，公寓層高3.7m，辦公樓層高3.9m.建筑用地面積9100㎡，總建筑面積182893㎡，其中地上建筑面積145348㎡，地下37545㎡.該大廈周圍有10余棟已建或規(guī)劃的高層或超高層建筑。二、地基與基礎(chǔ)1.地質(zhì)情況該場地劃分為I類場地。大廈以巨厚層的中（微）風(fēng)化泥巖為持力層，根據(jù)地勘，泥巖的地基承載力特征值為4.0Mpa，天然抗壓強度標準值為12.4Mpa.后經(jīng)巖質(zhì)地基平板載荷試驗，極限荷載平均值為16.4Mpa，地基承載力特征值為5.2Mpa，該地基是修建高層建筑的理想場地。2.基坑及基礎(chǔ)設(shè)計本工程地下5層，因地勢北高南低。相差5m，具備完全嵌固條件有4層22m，大廈埋置深度為房屋高度的1/13.8，滿足抗傾覆能力。塔樓的柱基礎(chǔ)采用擴底樁（墩），塔樓內(nèi)筒采用平板式筏形基礎(chǔ)。我們采用美國ANSYS公司編制的ANSYS1Mechanical有限元分析軟件的SOLID72單元對塔樓擴底樁（墩）和塔樓筒體筏板及地基進行了三維計算分析，塔樓擴底樁（墩）采用D=4m，擴底5.5m，筏板25.8×25.8×4.5m.為筏板基礎(chǔ)配筋提供可參考的數(shù)據(jù)。三、風(fēng)荷載高層超高層建筑中水平風(fēng)荷載計算是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的關(guān)鍵因素，但對于較高的特別是不規(guī)則的超高層建筑，加之建筑物風(fēng)荷載受周圍圍建筑影響較大，需對現(xiàn)行規(guī)范的風(fēng)荷載進行核準，為此，該大廈進行了模型風(fēng)洞測壓和氣彈試驗和三維數(shù)值風(fēng)洞模擬，并與規(guī)范取值對比，進行合理的風(fēng)荷載設(shè)計。重慶市100年一遇基本風(fēng)壓為0.45kN/㎡1.模型風(fēng)洞試驗本工程在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心進行測壓風(fēng)洞試驗。采用1：250的有機玻璃模型，周圍500m范圍內(nèi)主要建筑物及環(huán)境采用泡沫塑料切成，模擬C類地貌大氣邊界條件。以模型屋頂高度的氣流風(fēng)壓為參考風(fēng)壓，測壓試驗來流風(fēng)速7.5m/s.本試驗在主體結(jié)構(gòu)各表面布置，沿高度布置在23個截面，共457個測壓點，試驗?zāi)M了0o到360o的風(fēng)向角，間隔22.5o，定義模型的正門法向方向為0o，轉(zhuǎn)盤逆時針為正。本風(fēng)洞試驗給出了16個風(fēng)向角下各面各測壓孔的風(fēng)壓系數(shù)。試驗結(jié)果看出：各面正迎風(fēng)面的正壓沿橫向其邊緣處的風(fēng)壓均小于中間處的風(fēng)壓，沿高度方向平穩(wěn)變化，到4/5高度處（距頂部15-30m）達到最大值，上部沿高度逐漸減少；背風(fēng)面及兩側(cè)面負壓較為均勻，沿高度變化較小。由于大廈周圍高層建筑對氣流的影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是周圍高層建筑物高度以下區(qū)域，有放大作用也有減少作用，有時甚至?xí)霈F(xiàn)壓力系數(shù)反號。當風(fēng)向角為1350和900時X向、Y向基底總剪力達到最大值。數(shù)值風(fēng)洞模擬本工程委托同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院進行數(shù)值風(fēng)洞模擬。數(shù)值風(fēng)洞模擬與一般實驗室風(fēng)洞類似，需設(shè)置一個風(fēng)洞，風(fēng)洞有入口、出口、地面、壁面，大廈和周圍建筑物數(shù)值模型建立于風(fēng)洞中，數(shù)值模型按原型尺寸（1：1）建模，屬剛性模型。建模、計算和后處理由國際上領(lǐng)先的計算流體動力學(xué)軟件CFX5.5完成。報告提供了16個風(fēng)向下的各層沿X、Y向的平均風(fēng)合力及繞Z軸總合力矩，結(jié)果表明X向基底總剪力最大者為135o風(fēng)向；Y向基底總剪力最大者為90o；繞Z軸總合力矩最大者為0o.同時給出了各不同風(fēng)向下大廈各表面最大風(fēng)壓等值線分布云圖，為玻璃幕墻設(shè)計提供了依據(jù)。風(fēng)壓等高線圖分布來看，各面正迎風(fēng)面中部絕大部分區(qū)域為正，而由于分離流的原因在邊緣附近小部分區(qū)域為負壓，背風(fēng)面一般為負壓且大小比較均勻。風(fēng)荷載比較與取值我們將三種方法得出的正迎風(fēng)面靜風(fēng)荷載和考慮動風(fēng)荷載進行對照，見圖3及圖4.風(fēng)洞試驗表明，在37層以下受周邊建筑的影響，風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規(guī)范值有放大作用，而在37層以上風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規(guī)范值小。按荷載規(guī)范計算的總風(fēng)荷載比風(fēng)洞試驗試驗的風(fēng)荷載大約9％。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果基本一致，風(fēng)壓沿高度最大值約在建筑物的4/5高度處；各層風(fēng)荷載規(guī)范計算值最大，數(shù)值模擬值其次，風(fēng)洞試驗值最小。規(guī)范計算的風(fēng)壓最大值在建筑物頂部，規(guī)范計算的頂部風(fēng)荷載偏大且不盡合理，風(fēng)壓合力作用點較高，總風(fēng)荷載較數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗值大，因而在整體計算時，按規(guī)范計算偏于保守。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果揭示了風(fēng)向角為135o和90o時X向、Y向基底總剪力最大，這是現(xiàn)有高層計算軟件不易實現(xiàn)的。從風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果看，大的負壓出現(xiàn)在塔樓較低處或建筑物邊緣處，構(gòu)的整體計算雖沒有大的影響，但對玻璃幕墻設(shè)計安全影響很大，應(yīng)引起重視。在總體計算時，分別對0o、90o、135o來風(fēng)進行了計算。風(fēng)荷載取值按現(xiàn)行規(guī)范，但建筑物頂部按照模型風(fēng)洞試驗結(jié)果取用，并適當考慮了由數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗測出的扭矩。四、上部結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)方案本工程上部結(jié)構(gòu)共69層，其中裙房范圍7層，塔樓總建筑高度303.3m，目前是我國已建和在建鋼結(jié)構(gòu)高層中最高的。高寬比為7.34，屬超限高層。大廈結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬少有的長周期高層建筑。根據(jù)建筑功能、建筑布置、建筑高度的情況，曾考慮過采用兩類結(jié)構(gòu)方案，即全鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能、施工速度、結(jié)構(gòu)自重以及造價綜合比較，本工程塔樓采用了全鋼結(jié)構(gòu)方案，裙房和地下室在塔樓的范圍外，仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔樓采用了帶加強層的鋼框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系。外框架由鋼柱、梁組成；核心筒由鋼柱、梁組成的鋼框架和鋼支撐組成。利用建筑的設(shè)備－避難層設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的外伸桁臂及腰桁架，組成加強層（4道）。塔樓7F以下為裙房、地下室共13層，采用鋼骨混凝土柱，這主要是為了解決鋼結(jié)構(gòu)塔樓與混凝土裙房能夠連接協(xié)調(diào)，利于節(jié)點構(gòu)造處理，同時充分利用高強度混凝土的抗壓強度，減小了鋼骨的斷面．7F以下為鋼骨柱，鋼筋混凝土截面尺寸為1400x1400及1500x1500，鋼骨為帶翼緣的十字形斷面；8F以上為箱形鋼柱，柱斷面尺寸為1200x1200mm到600x600mm，鋼柱板厚為80mm到20mm.在內(nèi)筒縱、橫各設(shè)置三道支撐，采用中心支撐及八字形偏心支撐。支撐采用H鋼，斷面為H400x400x25x30、H400x400x25x40兩種。鋼梁均為H形鋼梁。8F以下外框梁高為700mm，8F以上外框為滿足建筑凈高的要求，梁高為650mm；為保證結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度，內(nèi)筒的框架梁高均為900mm.次梁與框架主梁采用鉸接，按組合梁計算。為了使角部框架梁的受力均勻，在角部增設(shè)次梁，并且隔層調(diào)換方向。樓板以壓型鋼板作施工模板，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土非組合樓板?？拐鸺翱癸L(fēng)設(shè)計（1）設(shè)計要求依據(jù)文獻[3]，本工程50年超越概率63％、10％、5％、3％、2％所對應(yīng)的基本烈度值分別為5.2、6.1、6.3、6.4、6.6，按重慶市地震局的批復(fù)，按照50年超越概率3%的設(shè)計地震動參數(shù)進行抗震設(shè)防。由于現(xiàn)有計算程序無法輸入6.4度的地震動參數(shù)，在抗震計算時，取7度的參數(shù)進行計算。（2）總體設(shè)計1）使用及建筑要求設(shè)置的條件：a.塔樓部分平、立面非常規(guī)則，雙向基本對稱，建筑與結(jié)構(gòu)結(jié)合較好，為結(jié)構(gòu)抗震提供非常有利的條件。b.全鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均勻，延性較好，能很好地滿足抗震二道設(shè)防的要求。2）側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計：a.內(nèi)筒框架—支撐結(jié)構(gòu)：在柱間均設(shè)置了鋼支撐，部分為偏心支撐，有條件的框架柱間加設(shè)小柱，以加強框架支撐的側(cè)向剛度。b.為提高內(nèi)筒的框架支撐抗側(cè)力體系的水平剛度，加高框架的高度，設(shè)計時權(quán)衡考慮梁承載力與增加水平剛度的要求。c.設(shè)置4道加強層，在23、41、54及頂層由外伸桁架及外框腰桁架組成，加強層內(nèi)筒的支撐均為中心支撐，設(shè)計中，比較了不同層設(shè)置加強層對水平剛度的效用程度，目前所設(shè)置的層數(shù)為最佳。d.裙房以下，采用鋼骨混凝土柱、鋼梁：考慮加強整體剛度及與裙房（鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)）的連接，對提高結(jié)構(gòu)整體的水平剛度起一定作用。2）按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》8.2.3條“框架部分按計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%的要求，在本工程設(shè)計中考慮到這項要求并滿足了規(guī)定的要求。3）地上7層以上地震效應(yīng)比較大的層采用約束屈曲耗能支撐，可在罕遇地震作用下起到減震作用。4）薄弱部分的加強：a.底層可能產(chǎn)生的薄弱部位：采用鋼骨混凝土，是對結(jié)構(gòu)抗罕遇地震時地震作用的加強，采用鋼梁及鋼支撐也可使塑性鉸首先發(fā)生于支撐或梁而不是柱，以保證結(jié)構(gòu)不致造成倒塌。b.加強層上下相鄰的框架柱：由于堅強層的設(shè)置剛度有很大的突變，相連接的框架柱受力比較復(fù)雜，很可能成為薄弱部位。根據(jù)彈性計算的內(nèi)力結(jié)果對截面要適當加強，留有相當儲備量，再經(jīng)彈塑性時程分析進行驗算校核其受力與變形性能予以加強。c.通過彈塑性時程分析、檢驗上部結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生塑性鉸的層及構(gòu)件，調(diào)整構(gòu)件截面采用約束屈曲耗能支撐，使塑性鉸發(fā)生移轉(zhuǎn)到較次要構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的目標。本工程進行了超限高層抗震專項審查，專家提出該建筑物高柔，要解決好舒適度問題。氣彈模型風(fēng)洞試驗結(jié)果由于重慶萬豪國際會展大廈高而柔，又地處高層建筑密集的重慶市城區(qū)，其周邊建筑物和地形對風(fēng)場影響顯著，因而其在強風(fēng)作用下的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，在強風(fēng)作用下的動力效應(yīng)不容忽視，為此進行了氣動彈性模型風(fēng)洞試驗。通過對重慶萬豪國際會展大廈1：250模型的氣彈模型試驗，取得了16個風(fēng)向角情況下大廈的的風(fēng)致振動響應(yīng)。經(jīng)對試驗結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論：1）、在各風(fēng)向角下，在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)，萬豪國際會展大廈均未發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生。也未發(fā)生振動發(fā)散的馳振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)屋頂處最大橫風(fēng)向振動位移（單邊振幅）為b=0o時，且為0.297m，最大順風(fēng)向振動位移（單邊振幅）為b=270o時，且為0.133m2）、在各風(fēng)向角下，10年重現(xiàn)期風(fēng)壓時，大廈頂部最大振動加速度小于0.2m/s2，扭轉(zhuǎn)振動角速度小于0.001rad/s，滿足舒適度要求。3）、當來流風(fēng)向正對結(jié)構(gòu)物某一面作用時，其橫風(fēng)向位移、加速度振動響應(yīng)大于順風(fēng)向位移、加速度振動響應(yīng)，因而對于該類高層建筑結(jié)構(gòu)，其橫風(fēng)向荷載效應(yīng)是不容忽略的。4）、由于周邊建筑物對氣流的影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，因而在進行幕墻設(shè)計時對這一問題應(yīng)引起重視。另外，周邊建筑結(jié)構(gòu)對大廈風(fēng)壓的影響，在其自身高度范圍內(nèi)較為顯著，而對大廈頂部區(qū)域影響較小。5）、大廈各側(cè)面的最大負壓大于最大正壓。5）結(jié)構(gòu)分析1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了三種軟件分析計算，SATWE（中國建研院編）及MTS（中國同濟大學(xué)編），ETABS（美國CSI公司）主要計算結(jié)果相近。2）計算模型：按框架-支撐空間模型，地震力按X、Y兩個方向風(fēng)荷載還考慮135度方向計算，并考慮藕聯(lián)，共取45個振型的結(jié)果。和CUZI-1三條地震波，時程分析所用地震加速度時時程曲線的最大值為35cm/s2。我國在計算建筑物加速度響應(yīng)，特別是在橫向風(fēng)方面研究較少，在制定規(guī)程時參考了國外標準，結(jié)合我國實際情況進行了調(diào)整，為此，筆者用中國規(guī)程和加拿大規(guī)范分別進行了加速度計算。五、結(jié)束語1.通過對重慶萬豪國際會展大廈動力特性分析可知，結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬于高柔結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)分析時需考慮P-Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)布置基本對稱，對結(jié)構(gòu)抗震有利，由風(fēng)荷載控制設(shè)計。2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制結(jié)構(gòu)層間位移的有效方法。通過多次試算可以找到較為理想的外伸桁架位置和道次，并非設(shè)置的越多越好。3.超高層鋼結(jié)構(gòu)底部數(shù)層采用鋼骨混凝土柱，既可節(jié)省鋼材又可適當增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，同時，可很好解決與裙房鋼筋混凝土梁之間的連接問題。4.超高層建筑的舒適度問題是設(shè)計人員考慮的重要因素，宜采用多種途徑驗算分析，采用氣彈模型試驗更為可靠。