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空间异形单层网壳在超限连体钢结构高层观光塔中的运用

发布于：2023-08-28 14:28:28 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

海口雨林之心高层观光塔结构设计要点

文/阳升、赵仕兴、夏静、董骏龙、何俊

项目概况

海口雨林之心项目位于海南省海口市秀英区，由三栋高层观光塔及连桥构成，三个塔楼为上大下小伞状塔楼，寓意为整个公园雨林的中心，塔楼之间的连桥围绕塔楼盘旋而上，形成“曲径通幽，豁然开朗”的建筑效果。建筑除顶部观景平台外，仅包含局部1层夹层，内筒与外筒之间为围绕内筒旋转而上的楼梯。建筑效果图如图1所示。

▲ 图1 观光塔效果图

项目所在地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.30 g ，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为标准设防类，基本风压为0.75kN/m ² 。结构采用 钢结构筒中筒结构体系 ，外筒采用 菱形钢网格结构 ，内筒采用 钢框架结构 ，钢连桥采用拉索及撑杆与三座塔楼连接。项目造型独特，结构形式新颖。

塔楼结构体系本就复杂，塔楼之间采用空间曲线连桥相互连接后，更增加了结构的复杂程度。按《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67号），本项目存在构件间断、承载力突变、局部不规则等不规则项，但由于本工程结构体系、楼屋面结构、连体结构的连接形式均与常规结构差异较大，为特殊类型的超限高层建筑。

项目特点：以空间结构之形塑高层建筑之魂

三个塔楼建筑外形为上大下小的喇叭状异形自由曲面，单层网壳在空间异形曲面结构的找形和受力性能上均表现出较好的效果，本项目将空间结构的设计方法用于高层建筑结构设计中，采用 菱形的单层网壳作为结构主要构成单元 ，该结构形式具有以下优点：

1）单层网壳能较好地对建筑外围的异形曲面进行找形；

2）竖向单层筒壳形成结构外筒，具有良好的抗侧刚度；

3）上部外扩的筒壳与环梁形成自平衡结构体系，能有效地支撑上部外扩的景观平台；

4）网壳构件形似“雨林”的树枝，结构形式与建筑效果融合较好。

三个塔楼及塔楼之间的连桥关系如图2所示，塔楼的外形、结构形式及布置均较为类似，仅建筑高度、平面尺寸存在差别。三个塔楼房屋建筑高度分别为35.850、38.100、43.800m，塔楼结构体系采用钢结构筒中筒结构，钢结构材质为Q355B，外筒单层网壳采用菱形网格，边长为2.3~3.7m，在建筑门洞处根据建筑需要进行局部抽空，网格构件选用 150×600×18×18，为保证建筑效果，局部受力较大位置保持外截面不变，将壁厚加厚，构件长向沿筒体径向布置。外筒网格在特定标高设置水平环向构件进行加强。内筒采用框架结构，内筒与外筒之间在楼梯平台和局部楼层进行连接，整个结构体系构成如图3所示。

▲ 图2 结构三维模型图

▲ 图3 结构体系的构成

整个塔楼上大下小，并呈偏心布置，三个塔楼下部直筒段圆形平面的直径分别为8.7、7.2、8.7m。顶部观景平台结构平面呈类椭圆形，椭圆的长轴分别为24.200、21.250、28.700m，短轴分别为17.800、15.600、24.700m。结构上部平面与下部平面不一致，且下部圆形筒体与上部类椭圆的结构平面重心不同，造成结构两侧悬挑距离差距较大，塔楼立面图如图4所示。不平衡的悬挑导致结构在重力荷载下受力不均匀，并易产生倾斜。悬挑较少一侧少数构件在重力荷载下甚至承受拉力，给结构设计及基础设计增加了一定困难。

▲ 图4 结构立面布置

观景平台上部结构屋面呈蘑菇状，中间呈漏斗状，内筒钢柱通过圆弧过渡成屋面水平构件，外部结构柱支承于观景平台上，结构三维模型如图5所示，屋面结构基本与观景平台平面形状类似，但是面积更大，悬挑更大。屋面结构加剧了下部结构筒体的受力不均匀性。

▲ 图5 屋面结构布置

三个塔楼之间通过钢连桥相连，塔楼与连桥的关系如图2所示。钢连桥共分为三段。第一段钢连桥以8%的坡度逐渐升高，绕塔楼一旋转180°以后，与塔楼一的观景平台连接，连桥地面部分采用“Y”形柱与基础连接。此段连桥平面成“C”字形，最大跨度为42m，跨度较大，为减小构件截面，改善连桥结构受力性能，采用高强度不锈钢钢拉杆与塔楼三和塔楼一的外筒筒壳连接。拉杆的设置减小了连桥跨度，并减小了连桥平面外的扭转。第二段钢连桥从塔楼一观景平台采用“S”形平面穿跃塔楼一和塔楼二之间间隙，与塔楼二的观景平台连接，中间采用支承于外筒的撑杆来减小连桥跨度。第三段连桥从塔楼二观景平台采用“S”形平面穿越塔楼二和塔楼三之间间隙，与塔楼三的观景平台连接，中间采用支承于外筒的撑杆和塔楼三楼面的拉杆来减小连桥跨度。

异形曲面结构的分析利器—参数化

采用参数化的结构设计是解决建筑空间自由曲面的一种有效的方法。本工程外筒及屋面为空间自由曲面，借助Rhino + Grasshopper平台，利用Grasshopper的可视化建模编程特点，并编制适应结构特点的相应算法程序，通过与分析软件的API接口，实现异形曲面结构的参数化建模，并进行结构分析，结构分析后的三维模型可直接用于钢结构详图深化设计。整个设计流程如图6所示。考虑建筑效果，本工程采用的矩形钢管，需要保证矩管翼缘与曲面平行，所有的矩管需要在空间扭转一定角度，为获得每根构件的精确扭转角度，针对本项目特点，编制相应的计算程序，通过空间三维坐标及关系确定每个构件的扭转角，获得精确的计算模型。通过参数化方法解决了复杂空间结构造型的建模与可视化，实现了建筑与结构的协同设计，同时在结构分析、施工图设计、钢结构详图深化等专业协同方面发挥了作用。

▲ 图6 结构参数化设计流程

高层竖向单层网壳结构的稳定性能分析

结构的稳定性能分析包含结构的 整体稳定性能和局部构件的稳定 分析。为了准确计算构件的计算长度，对结构进行屈曲分析，构件的计算长度可通过欧拉公式反推得到。获得构件的计算长度系数如表1所示，从表中可以看出，筒体构件在壳体平面外的计算长度大于《空间网格结构技术规程》5.1.2条规定的1.6l，壳体平面内的计算长度系数与《网格规程》的0.9l取值接近。构件应力计算时壳体面外计算长度系数取值为2.5，壳体面内计算长度系数取值为1.0。同时采用直接分析法进行对比分析，采用计算长度法的构件最大应力比为0.72，采用直接分析法的构件的最大应力比为0.56，通过两种方法的对比证明本工程按计算长度法计算偏于安全。结构应力最大位置均为外筒壳悬挑较大端的根部构件。

本项目结构外筒与空间结构的单层网壳在结构形式和受力方式上存在相似的特点，因此对结构的整体稳定分析是十分必要的，结构的第一阶屈曲模态表现为外筒壳的面外屈曲。为保证结构安全，考虑几何非线性和材料的非线性，对结构进行全过程弹塑性荷载-位移分析。结构外筒壳的初始缺陷取值为外筒直径的1/300，图7为结构的荷载-位移曲线，可以看出结构的极限荷载为7.5倍的荷载标准值，满足《网格规程》第4.3.4条的“按弹塑性全过程分析，安全系数K可取为2.0”的规定。结构在极限荷载下的破坏形式表现为直筒段与外悬挑部分交界处构件随荷载的增大逐步进入塑性，并逐渐扩展，最终导致结构丧失承载力。综上，结构外筒壳稳定性能较好，安全性较高。