威海九龙湾超高层结构方案选型分析
高成结构
2018年10月31日 13:59:36
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威海九龙湾 超高层结构方案选型分析 威海九龙湾超高层项目高 291.7m,立面变化多,根据建筑结构特点,提出了三种结构设计方案,并从框 架柱类型、加强层类型、伸臂加强层最佳位置和数量、型钢混凝土梁等方面做了详细的计算分析。结果表明,三 种设计方案均可较好的满足设计规范要求;伸臂可增加结构的层间刚度,控制结构变形;同时设置带状桁架,可 减小柱轴力突变;加强层设置在中高区(44、52 层)效果最佳。

威海九龙湾

超高层结构方案选型分析


威海九龙湾超高层项目高 291.7m,立面变化多,根据建筑结构特点,提出了三种结构设计方案,并从框 架柱类型、加强层类型、伸臂加强层最佳位置和数量、型钢混凝土梁等方面做了详细的计算分析。结果表明,三 种设计方案均可较好的满足设计规范要求;伸臂可增加结构的层间刚度,控制结构变形;同时设置带状桁架,可 减小柱轴力突变;加强层设置在中高区(44、52 层)效果最佳。


1 工程概况


威海九龙湾中心 CBD 项目位于威海经区滨海大道南侧,国际集箱码头北侧,西邻疏港路。项目总建筑 面积约 3021759m 2,地下 79785m 2。项目由一栋 61 层塔楼、4 层商业裙房、地下 3 层停车库及设备用房组成。 塔楼结构建筑高 291.7m,结构主体高度 276.7m,用途为办公及酒店。 其中 1~3 层为酒店及办公大堂,层 高 7.2m;4~43 层为办公区域,层高 4. 5m;45~60 层为酒店区域,层高为 3.8m。11、22、33、44、52 为 避难兼设备层,层高为 5.4m。建筑效果图见图 1。


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图1  建筑效果图


结构安全等级为二级,设计使用年限 50 年,抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为 7 度(0.1g),场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组。多遇地震下水平地震影响系数最大值为 0.08,场地特征周期 Tg 为 0.35s。项目三面环海,地面粗糙度取 A 类,50 年一遇的基本风压为 0.65kN/m2,风荷载 体型系数按荷载规范取 1.4。


2 结构方案比选

2.1 建筑特点

结构外框平面尺寸为 45x45m,塔楼高宽比约为 6.2,核心筒平面尺寸为 22.5x22.5m,核心筒高宽比为 12.3,外框与核心筒的距离约为 10m。


项目建筑方案有以下几个特点:

1)建筑平面的四个角部存在三角形 凹口,其中东南角与西北角凹口由下到上逐渐变大,西南角与东北角凹口由下到上逐渐变小;

2)44 层为 酒店大堂,局部中空约 60m 高,板存在大开洞,核心筒收进;

3)44 层到 46 层存在穿越两层的跃层柱;

4) 建筑平面柱位不均匀且不对称,平均柱间距 9m。建筑平立面如图 2 所示。


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图2(建筑平立面图)


3.2 结构方案 针对建筑的上述特点,选用三种结构设计方案进行对比分析。方案一为钢管混凝土柱-钢筋混凝土剪力 墙核心筒,在避难层 44、52 层设有伸臂桁架,外环梁与柱刚接;方案二为型钢混凝土巨柱-钢筋混凝土剪 力墙核心筒,每边 2 根共 8 根巨柱,巨柱与核心筒采用型钢混凝土梁刚接连接,其它楼面梁与核心筒铰接, 外环梁与巨柱刚接,不设伸臂及腰桁架。


方案一、二楼盖均为压型钢板组合楼盖;方案三为钢筋混凝土稀 柱(下层部分型钢柱)-钢筋混凝土剪力墙核心筒。典型结构布置如图 3 所示。


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图3 典型结构布置图


3.3 结构主要构件截面尺寸

方案一核心筒外墙厚度为 1100~500mm,内墙厚度为 600~400mm,伸臂斜杆 H800x400x30x30;钢管混凝 土柱截面从下到上主要为 φ1300x50~600x30,外框钢梁办公区截面尺寸为 H1000x600x30x36,酒店区截面 为 H800x600x30x36,楼面梁截面尺寸 H550x200x10x16、H600x200x11x17;标准层外框架与核心筒间的楼 板采用组合楼板,厚度为 110mm,核心筒内楼板厚度为 120mm。


方案二核心筒外墙厚度为 1100~500mm,内墙厚度为 600~400mm,外框钢梁办公区截面尺寸为 H1000x400x20x30,酒店区截面为 H800x450x18x35,楼面梁截面尺寸 H550x200x10x16、H600x200x11x17, 8 根楼面型钢梁 800x800,内置 H500x400x20x30 型钢,8 根型钢混凝土柱 2000x2000~1100x1100,楼板同 方案一。


方案三核心筒外墙厚度为 1200~500mm,内墙厚度为 700~400mm,外框梁截面尺寸为 600x800,楼面梁 截面尺寸 400x700、300x700,核心筒外板厚 110 mm,核心筒内楼板厚度为 120mm。


3.4 计算结果分析

工程采用 SATWE 对结构进行整体计算分析。采用考虑扭转耦合的振型分解反应谱法,周期折减系数取 0.9,计算分别考虑了两个主方向的水平地震作用,并考虑 5%的偶然偏心,同时验算双向地震作用,设计计算结果取单向地震作用+5%偶然偏心及双向地震作用两者之最不利值。


三种方案的各项指标均按照规范 要求限值控制,主要计算结果如表 1 所示。由表 1 可知:

1)方案一总质量最轻,方案二的质量比方案一大约 7%,方案三比方案一大约 25%。

2)结构体型基本一致,风荷载作用下基底剪力接近;剪重比三方案分别为 1.03%、0.97%、0.95%。

3)结构主要受风荷载控制。方案一、二和三风荷载作用下的顶点最大位移约为地震作用下的 1.9 倍、 1.65 倍和 1.83 倍;方案一、二和三风荷载作用下的最大层间位移角约为地震作用下的 1.8 倍、1.60 倍和 1.3 倍。


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表1 主要计算结果


图 4 给出了三种方案在风荷载和地震作用下的层间位移角曲线。

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图4 层间位移角曲线


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表2 柱类型计算结果比较


由图 4 可知:

1)三种方案结构层间刚度在中低区(约 40 层以下)均匀变化,高区层间刚度有较大突变。曲线上表 现为中低区曲线呈现弯剪型均匀变化,高区曲线有明显凹凸点。

2)44 层为高区酒店楼板大开洞位置,层间位移角均在此处突变。

3)伸臂的增加可局部减小相关层的层间位移角。方案一的层间位移角曲线在伸臂层处发生骤减。


3.5 三方案比较小结

1)方案一~三各项指标计算结果基本均能满足规范要求,三种方案均具可行性;

2)方案一、二层间位移角较方案三大,层间刚度较方案三弱;

3)方案一和方案二由于自重轻,竖向构件截面小,因此均能获得更大的有效建筑使用面积,其中方 案一约比方案三增加使用面积 1600m2,方案二约比方案三增加使用面积 1300m2;

4)方案三施工工艺传统,工序较多,方案一、二为工业化生产,施工速度快。


4 专项对比分析

根据项目的特点,为比选出一种最优方案,针对上述计算指标结果的差异性,同时进行了多项专项的 比较分析,包括有:柱类型研究、带状桁架与伸臂的对比分析、伸臂加强层最佳位置和数量研究。


4.1 柱类型研究

对于超高层结构,竖向构件需要承担较大的重力荷载,风荷载和地震作用作为水平荷载给建筑物带来 较大的水平剪力和倾覆力矩,这就要求结构在强度、刚度和延性三方面都需满足设计要求。


对于钢筋混凝土结构,为满足计算要求,竖向构件的截面尺寸往往很大,这使得建筑物的有效使用面 积减小,同时基础工程的造价增加,地震作用引起的地震效应相应大;钢结构强度高、自重轻、延性好、 抗震性能优越、施工速度快,但是耐火性能较差、造价高。


钢管混凝土柱的钢管对其核心混凝土的约束作用,使混凝土处于复杂的应力状态之下,不但提高了混 凝土的抗压强度,而且还使其塑性和韧性性能得到改善。试验研究表明[1],钢管混凝土柱是空钢管和素混 凝土柱单独承载力之和的 1.73 倍,延性好,完全没有脆性破坏的特征。


施工过程中无需绑扎钢筋、支模 和拆模等工序。 型钢混凝土柱的型钢骨架与外包混凝土形成整体共同受力,截面尺寸较钢筋混凝土构件截面减小 30~50%;由于柱内型钢作用,其延性高于钢筋混凝土柱,大震下结构安全性能较好;混凝土作为型钢的保 护层,耐火度高;型钢优先形成钢构架,可兼做上部楼层平行施工的模板支架和平台。


综合考虑混凝土与钢在受力过程中的相互作用,选取钢管混凝土柱和型钢混凝土柱进行性能对比分析。


在方案一的模型基础上,将钢管混凝土柱改为型钢混凝土柱,并同时按规范规定的轴压比限值控制柱 的截面尺寸,其中钢管混凝土底层柱截面为 φ1300x50,型钢混凝土柱截面为 1200x1800mm(含钢率<8%), 主要计算指标结果对比如表 2 所示。


由表 2 可知: 1)方案 b 柱截面截面面积比方案 a 大 60%。 2)方案 b 整体刚度以及层间刚度较方案 a 大。方案 a 的质量较方案 b 重约 6%,方案 b 层间位移角最 大值较方案 a 减小近 10%。 3)方案 b 框剪比达到 10%的楼层数较方案 a 多 40%,框架柱可承担较高的水平作用力,保证结构的安 全性。


4.2 带状桁架与伸臂的对比分析

对于超高层框架核心筒结构,当侧向刚度不能满足设计要求,工程中通常采取在建筑的设备层和避难 层设置结构加强层,加强层构件有两种类型,一是水平伸臂,二是带状桁架。二者的功能不同,不一定同 时设置,但如果设置,一般在同一层[2]。


水平伸臂的设置可使周边框架柱与核心筒共同作用,以减小整个结构的侧向位移。在风荷载作用下, 设置加强层是一种减少结构水平侧移的有效方法;带状桁架可加强结构外框柱的联系,减小竖向构件的变 形差,使竖向构件受力均匀,减小剪力滞后效应,同时可协调由于伸臂设置导致框架柱轴力的离散性,使 相邻柱子的轴力均匀化。


本文的伸臂以及带状桁架均采用斜腹桁架形式,如图 5 所示。 为分析伸臂和带状桁架加强方式对该项目的作用效果,基于方案 a,将两层伸臂换为带状桁架,得到 方案 c;在方案 a 设置伸臂的楼层同时加上带状桁架,得到方案 d;方案 e 为无结构加强层方案(无伸臂 和带状桁架)。主要计算指标结果如表 3 所示,风荷载作用下柱轴力变化如图 6 所示。


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图5 (加强层类型示意图)


分析表 3 和图 6 可知:

1)伸臂体系的应用可以明显改善结构的层间刚度,设有伸臂的方案 a 和方案 d 层间位移角均达规范 要求的 1/500,且比未设置伸臂的方案 c 和方案 e 层间位移角减小约 18%~48%;但方案 a、d 的框剪比较方 案 c、e 处于较低水平,框架柱承担的剪力较小。

2)同时设置伸臂和带状桁架可在一定程度上提高结构的框剪比。增设带状桁架的方案 d 框剪比达 10% 以上的楼层数较仅设伸臂的方案 a 提高 50%。

3)设置伸臂后加设带状桁架可减小柱轴力突变,增强结构整体性。

4)图 6 中,未设任何加强层的方案 e,在风荷载作用下,轴力沿层高均匀变化;单独加设伸臂的方案 a 和单独加设带状桁架的方案 c,在伸臂和带状桁架设置的楼层轴力发生突变,突变量约为 400~1500kN; 同时加设伸臂和带状桁架的方案 d,轴力沿层高变化基本均匀,且有效减小了伸臂下柱的轴力。


4.3 伸臂加强层最佳位置和数量研究

Taranath[3]以顶部侧移最小为优化目标分析了加强层的最优设置位置,得出单道加强层最优设置位置为 离顶层 0.455 倍结构全高位置的结论。


McNabb 和 Muvdi[4]进一步求得设置两道加强层的高层结构加强层最 优位置在距离结构顶部 0.312 和 0.685 倍结构全高处。 针对本项目,为使比选结果更具应用性,基于型钢混凝土柱模型,根据项目建筑特点,分别在 33 层 (0.5H)、44 层(0.68H)和 52 层(0.82H)设置结构加强层。


以顶点位移和最大层间位移角最小为目标, 判别伸臂设置的最佳位置。比选三种方案,伸臂加强层设置位置如图 7 所示,其中方案 f 伸臂加强层为 33、44 层;方案 g 伸臂加强层为 33、52 层;方案 h 伸臂加强层为 44、52 层;主要计算指标结果如表 4 所示。 由表 4 可知:


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表3 (加强层类型对比计算结果)


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图6 风荷载作用下柱轴力变化


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表4 加强层位置及数量结果比较


1)加强层位置的变化对结构整体刚度影响较小,自振周期变化幅度在 1%~2%之间。


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图5 加强层位置示意图


2)加强层设置在 44、52 层效果最佳。由于高区酒店(44 层以上)存在楼板大开洞以及核心 筒收筒现象,侧向刚度突变较大,层间位移角亦有明显突变,故在该区域(即 44、52 层)设伸臂 加强层效果最佳。方案 h 较方案 g、f,层间位移角分别减小 2%、19%;顶点最大位移方案 g、h 接近,较方案 f 减小约 5%。


通过对两道加强层最佳位置的研究表明,加强层设置在 44、52 层效果最佳,且主要计算指标 有一定的富余空间,并考虑到建筑使用功能及结构造价的要求,尝试仅在 52 层设置一道伸臂(方 案 i),计算结果表明,结构整体刚度和层间刚度骤降,基本周期增大 4%,层间位移角增大 14%, 顶点最大位移增大 10%,故仅设置一道伸臂不能满足设计规范要求。


5 结论


1)结构方案一~三均满足规范设计要求。结构层间刚度在中低区(约 40 层以下)均匀变化,高区层 间刚度有较大突变。结构主要受风荷载控制,结构薄弱层位于高区酒店楼板大开洞位置(44 层附近)。

2)巨柱+型钢梁结构竖向抗侧刚度均匀,不设伸臂及重力柱,是一种较好的结构体系。

3)伸臂体系的应用可以明显改善结构的层间刚度,增设带状桁架可在一定程度上提高结构的框剪比。 设置伸臂及带状桁架可减小柱轴力突变,增强结构的整体性。


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wangxueleiyy
2018年10月31日 14:26:55
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wangxueleiyy
2018年10月31日 15:20:45
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bearkevin12345
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隐为者
2018年11月01日 08:40:40
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吕建民
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xingye8860
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liupoquan
2018年11月05日 08:51:46
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