聊聊这座异形建筑的结构设计(下)

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来源:CCDI高成结构(id:CCDI_GCJG) 作者:吴国勤 傅学怡 聊聊这座异形建筑的结构设计(上) 华润深圳湾总部大楼结构设计 华润深圳湾总部大楼采用密柱外框筒+劲性钢筋混凝土核心筒结构体系,有效满足了该超高层结构的设计 要求。 05 整体结构性能 结构计算主要采用 ETABS 软件,其中梁、普通柱采用杆单元,楼板、墙体及巨柱采用壳单元。

来源:CCDI高成结构(id:CCDI_GCJG)

作者:吴国勤 傅学怡

华润深圳湾总部大楼结构设计

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华润深圳湾总部大楼采用密柱外框筒+劲性钢筋混凝土核心筒结构体系,有效满足了该超高层结构的设计 要求。


05

整体结构性能


结构计算主要采用 ETABS 软件,其中梁、普通柱采用杆单元,楼板、墙体及巨柱采用壳单元。


5.1 模态分析

第 1,2 阶为结构 45°方向平动主振型,第 3 阶为扭转主振型,第 15 阶为竖向主振型,第 1 扭转周 期/第 1 平动周期=3.380/8.530=0.396<0.85,满足规范的要求。


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表 3 模态信息表


5.2 刚重比

因在楼层高度 331.5m 至 393m 高度处存在塔冠;分别考虑有无塔冠的整体计算,无塔冠模型质量计入 混凝土顶层楼面,刚重比如表 4 所示。


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表 4 刚重比


其中 G=1.2 恒载+1.4 活载,为重力荷载设计值,如上表可见刚重大于 1.4,小于 2.7,因此结构整体 第二十五届全国高层建筑结构学术会议论文 2018 年 稳定性满足要求,但需考虑重力二阶效应影响。


5.3 最大层间位移角


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表 5 最大层间位移角


5.4 小震反应谱作用剪重比

剪重比=本层剪力/本层及本层以上总重力荷载代表值,如图 19 所示。底部楼层剪重比 1.18%,少数楼 层的剪重比略小于 1.2%,满足规范的要求。


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图 19 剪重比


5.5 小震反应谱作用内筒外框结构剪力分配

小震反应谱作用下内筒外框结构楼层剪力分配如图 20 所示。5 层以下外筒为交叉网格结构,有较大的 抗侧刚度,承担剪力约占同层总剪力的 15%,占基底总剪力约 12%;5 层以上外筒承担剪力约占同层总剪力 的 4%~20%,占基底总剪力 3%~7%。


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图 20 内筒外框结构层剪力分布曲线


5.6 小震反应谱作用内筒外框结构倾覆弯矩分配

小震反应谱作用下内筒外框结构楼层倾覆弯矩分配如图 21 所示。外框结构承担的倾覆弯矩占总倾覆 弯矩的 15%。


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图 21 内筒外框结构层倾覆弯矩分布曲线


5.7 抗震性能指标

内筒底部轴压比 0.5,内筒在中震作用的标准组合下仅高区局部楼层出现全截面受拉的情况,但是拉应 力小于混凝土抗拉强度标准值,可以满足预定的设计标准。工程主要由风荷载组合和中震作用组合控制, 外框柱最大应力水平 0.85fy,外框梁最大应力水平 0.70fy;塔冠外侧交叉网格最大应力水平 0.65fy,水平 环桁架最大应力水平 0.55fy。

对工程进行动力弹塑性分析的结果表明:

外框钢柱保持弹性,外框架钢梁除与顶部锥形网壳相连部位 的局部出现轻微的塑性转角外,其它均保持弹性;

顶部锥形网壳竖向构件均保持弹性,部分钢梁出现了塑 性转角;

核心筒墙体混凝土压应变普遍不高,基本保持在混凝土应力应变曲线的线性阶段,加强区及斜墙位 置的墙体开洞虽有应力集中,但混凝土压应变都不大,不会超过混凝土的峰值压应变,顶部墙体由于要承 担顶部网壳在地震作用下的水平力,且墙体存在收进的情况。

因此在局部与楼板相连位置出现混凝土超过 极限应变的情况,设计中进行局部加强,同时对传递剪力的楼板予以加强;连梁在罕遇地震作用下充分进 入塑性,起到耗能减震的作用,同时能够满足耗能构件中度破坏,部分严重破坏的性能目标。



06

结构专项分析


6.1 高位斜墙收进区受力分析

核心筒在高区 L48-L50 层采用斜墙收进,针对该部位的受力和传力进行了详细分析,以确保结构设计 的可靠性。 在竖向荷载标准值的作用下核心筒墙体所受的水平拉应力最大值为 1MPa,竖向压应力为 1.5MPa,小于混<2.64Mpa 混凝土开裂应力,墙体水平向不会开裂。

中震荷载作用标准值下,除了墙体与连梁相交处 有水平集中拉应力约为 5Mpa,如图 22 所示,其余大部分约为 1.5Mpa<2.64Mpa 混凝土开裂应力,实际设 计时连梁内设置钢板并深入墙肢一定深度用以抵抗拉应力;墙体在中震作用下,竖向拉应力约为 3Mpa, 局部最大值约为 5Mpa,但叠加竖向荷载标准值后,竖向基本无拉应力。

在中震弹性组合工况作用下,由 于墙体本身在竖向力及中震的应力水平并不高,最大设计压应力约为 13~16Mpa,小于混凝土受压承载力, 最大设计拉应力 1~2Mpa,小于钢筋混凝土的等效受拉承载力,因此可以满足中震弹性的承载力性能目标。


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图 22 墙体水平应力云图(中震作用标准值)


在竖向荷载标准值的作用下楼面梁板的传力路径如图 23 所示,核心筒内混凝土梁最大拉力为 335kN(约 1.4Mpa)少于混凝土开裂应力,水平楼面钢梁最大应力值约为 6Mpa 远少于钢材设计应力。

L50 层核心筒外楼板在与核心筒交界处拉应力最大,约为 1Mpa,其余区域拉应力很小,核心筒内楼板的压应 力约为 1.5Mpa;L48 层核心筒外楼板的压应力约为 0.5Mpa,核心筒内楼板的拉应力约为 1.8Mpa,均可满 足设计要求。


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图 22 L48-L50 层斜墙收进区域传力图(1.0 恒载+1.0 活载)


6.2 典型外框偏心节点分析

由于建筑要求室内做到无柱的效果,结构外框梁柱节点采用全偏心的节点连接形式,即外环梁与外框 钢柱连接时,外环梁位于钢柱的内侧,典型节点构造分解图如图 23 所示。


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图 23 典型偏心节点构造分解图


该偏心节点与常规中心梁柱节点相比,环梁偏出外框钢柱的范围,节点的连接构造需要针对此特殊的 建筑条件进行设计。

需要考虑的主要问题有: 1) 偏心节点可能导致节点区应力分布不均匀,节点构造设计应确保各板件之间的连续性,如图 23 所 示,钢柱伸出牛腿并使用折形水平加劲板局部加大节点,以保证构件的可靠连接,有限元分析表 明如图 24 所示,大震不屈服的工况作用下节点区应力分布相对均匀,应力集中区域较小,可以满 足等强节点的设计要求;


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图 24 典型节点大震不屈服工况下应力云图


2) 由于梁偏心布置,梁对柱的约束条件与常规中心梁柱节点有所不同,需要对此偏心节点对柱的稳 定性进行分析[3],采用壳单元模拟构件及楼板,第一屈曲模态图所图 25 所示,偏心节点的连接构 造不会引起柱的板件局部失稳,屈曲形态仍为整柱的的失稳;


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图 25 局部全壳模型第一屈曲模态


3) 由于塔楼全楼节点均采用此偏心节点,而偏心节点与常规中心节点相比,节点刚度有所削弱,故 在塔楼的整体分析时,需要考虑节点刚度对塔楼整体指标的影响,依次调整节点 6 个自由度的刚度, 分析表明,除了绕梁柱平面内的转动自由度外,节点的其余 5 个自由度与完全刚接节点相比,对 整体指标(周期、位移)折减约在 2%以内,可忽略这 5 个自由度的影响,设计中对整体指标计算 考虑梁柱平面内转动自由度刚度退化,对构件验算中则考虑节点完全刚接以吸收更大的水平力。


6.3 外环梁的轴力

塔楼体型为曲线,结构分析表明,外环梁在竖向力标准作用下的最大轴拉力发生在顶部和底部的折型 外环梁上,其中顶部轴力接近 300kN,底部轴力最大轴拉力接近 500kN,中部外环梁受拉楼层的环梁拉力 较小,外环梁设计时需要考虑轴力产生的应力比。


6.4 减振阻尼器研究

本项目采用伸臂阻尼器系统(粘滞阻尼器的一种),这种阻尼器体积小,出力较大,占用空间少,为 了安装油阻尼器,在 47-48 层特别设置了 8 道伸臂,阻尼器布置在伸臂桁架与框架柱的连接节点处,利用 柱和伸臂端部相互错动时产生的竖向变形差使阻尼器具备足够的行程,从而提供阻尼力,如图 26、27 所 示。


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图 26 伸臂阻尼器平面布置示意

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图 27 伸臂阻尼器立面示意图


本工程对刚臂阻尼器布置的楼层数量进行了分析,在有可能设置伸臂阻尼器的楼层(机电/避难层)62、 47~48 和 23~24 层三处进行不同的组合布置。如表 7 所示,在只布置一道伸臂阻尼器的情况下,布置在 47~48 层效果最优,加速度峰值可控制在 15milli-g;如果设置两道以上的伸臂,效果不会随伸臂的增加而 成比例增加,加速度峰值仅比一道伸臂阻尼器略微减少,因此采用采用一道伸臂阻尼器方案。


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表 7 风荷载作用下伸臂阻尼器的减振效果


07

结语


华润深圳湾中心从方案到施工图设计,历时两年多,经过超限审查委员会多次论证,和顾问单位、建 筑专业的多次沟通讨论,在结构体系、设计标准、抗震性能目标、节点形式和核心筒收进等各方面不断改 进与完善,最终完成设计,并于 2017 年底主体峻工通过。

工程设计研究主要成果如下:

(1) 通过斜交网格在高区和低区加强形成密柱外筒,是可靠的二道防线,与劲性筋混凝土核心筒共同 工作形成筒中筒的结构体系,是有效的多重抗侧力结构

(2) 核心筒在高区采用新颖的斜墙收进方案,即满足了建筑的使用功能,也保证了结构传力的安全有 效性,避免了刚度的突变。

(3) 通过节点和整体有限元精细分析提出了新型外框鍽心节点,摸清了偏心节点受力性能和对整体结 构的影响,实现了建筑的无柱空间要求。

(4) 分析了曲线型体型导致环梁产生的轴力,并在环梁设计考虑轴力产生的应力。

(5) 比较分析了伸臂阻尼器数量对舒适度的影响,最终根据塔楼的实际情况选用经济有效的一道伸臂 阻尼器形式。

(6) 此外通过不同材料阻尼比的影响、楼板局部有限元分析、楼板刚度退化影响分析、交叉柱节点有 限元分析、抗连续倒塌分析、屈曲稳定分析、凝土长期收缩徐变和结构抗震动力弹塑性分析等计 算分析,有力地保证了工程的安全性、合理性。


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