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重慶萬豪國際會展大廈結構設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　　摘要：介紹了重慶萬豪國際會展大廈帶加強層的鋼結構框架一核心筒結構體系風荷載取值，結構布置、抗風抗震計算分析，主要抗震措施、節點構造及結構概念設計，并對大廈的人體舒適度進行了分析，以供同類工程參考。

    　　關鍵詞：超限高層 框架一核心筒鋼結構設計 風荷載 人體舒適度


    　　一、工程概況

    　　重慶萬豪國際會展大廈地處重慶市鬧市區，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 層為停車庫和設備用房以及商業用房，負2層與城市輕軌的出入口連為一體，地上7 層裙房為商業用房，第7 層采用空中通廊與現有萬豪酒店相連，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，頂層設置直升機停機坪。在第7 層、第23 層、第41 層、第54 層、頂層設置避難層。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余棟已建或規劃的高層或超高層建筑。

    　　二、 地基與基礎
    　　1.地質情況該場地劃分為I 類場地。大廈以巨厚層的中（微）風化泥巖為持力層，根據地勘，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.后經巖質地基平板載荷試驗，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.基坑及基礎設計本工程地下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。塔樓的柱基礎采用擴底樁（墩），塔樓內筒采用平板式筏形基礎。我們采用美國ANSYS 公司編制的ANSYS 1 Mechanical 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.為筏板基礎配筋提供可參考的數據。
    　　三、風荷載

    　　高層超高層建筑中水平風荷載計算是結構抗風設計的關鍵因素，但對于較高的特別是不規則的超高層建筑，加之建筑物風荷載受周圍圍建筑影響較大，需對現行規范的風荷載進行核準，為此，該大廈進行了模型風洞測壓和氣彈試驗和三維數值風洞模擬，并與規范取值對比，進行合理的風荷載設計。重慶市100 年一遇基本風壓為0.45 kN/? 1.模型風洞試驗本工程在西南交通大學風工程試驗研究中心進行測壓風洞試驗。采用1：250的有機玻璃模型，周圍500m范圍內主要建筑物及環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壓為參考風壓，測壓試驗來流風速7.5m/s.本試驗在主體結構各表面布置，沿高度布置在23 個截面，共457 個測壓點，試驗模擬了0o到360o的風向角，間隔22.5o，定義模型的正門法向方向為0o，轉盤逆時針為正。

    　　本風洞試驗給出了16個風向角下各面各測壓孔的風壓系數。試驗結果看出：各面正迎風面的正壓沿橫向其邊緣處的風壓均小于中間處的風壓，沿高度方向平穩變化，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；背風面及兩側面負壓較為均勻，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壓區現象出現，尤其是周圍高層建筑物高度以下區域，有放大作用也有減少作用，有時甚至會出現壓力系數反號。當風向角為1350和900時X向、Y向基底總剪力達到最大值。


    　　數值風洞模擬本工程委托同濟大學航空航天與力學學院進行數值風洞模擬。數值風洞模擬與一般實驗室風洞類似，需設置一個風洞，風洞有入口、出口、地面、壁面，大廈和周圍建筑物數值模型建立于風洞中，數值模型按原型尺寸（1：1）建模，屬剛性模型。建模、計算和后處理由國際上領先的計算流體動力學軟件CFX5.5完成。


    　　報告提供了16 個風向下的各層沿X、Y 向的平均風合力及繞Z軸總合力矩，結果表明X 向基底總剪力最大者為135o風向；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向下大廈各表面最大風壓等值線分布云圖，為玻璃幕墻設計提供了依據。風壓等高線圖分布來看，各面正迎風面中部絕大部分區域為正，而由于分離流的原因在邊緣附近小部分區域為負壓，背風面一般為負壓且大小比較均勻。


    　　風荷載比較與取值我們將三種方法得出的正迎風面靜風荷載和考慮動風荷載進行對照，見圖3 及圖4.風洞試驗表明，在37層以下受周邊建筑的影響，風洞試驗風荷載值比規范值有放大作用，而在37層以上風洞試驗風荷載值比規范值小。按荷載規范計算的總風荷載比風洞試驗試驗的風荷載大約9％。


    　　數值模擬與風洞試驗結果基本一致，風壓沿高度最大值約在建筑物的4/5 高度處；各層風荷載規范計算值最大，數值模擬值其次，風洞試驗值最小。規范計算的風壓最大值在建筑物頂部，規范計算的頂部風荷載偏大且不盡合理，風壓合力作用點較高，總風荷載較數值模擬與風洞試驗值大， 因而在整體計算時，按規范計算偏于保守。數值模擬與風洞試驗結果揭示了風向角為135o和90o時X 向、Y 向基底總剪力最大，這是現有高層計算軟件不易實現的。從風洞試驗和數值模擬結果看，大的負壓出現在塔樓較低處或建筑物邊緣處，構的整體計算雖沒有大的影響，但對玻璃幕墻設計安全影響很大，應引起重視。

    　　在總體計算時，分別對0o、90o、135o來風進行了計算。風荷載取值按現行規范，但建筑物頂部按照模型風洞試驗結果取用，并適當考慮了由數值模擬與風洞試驗測出的扭矩。
    　　四、上部結構
    　　1. 結構方案本工程上部結構共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構高層中最高的。高寬比為7.34，屬超限高層。大廈結構基本周期8s，屬少有的長周期高層建筑。

    　　根據建筑功能、建筑布置、建筑高度的情況，曾考慮過采用兩類結構方案，即全鋼結構及鋼-混結構。根據結構抗震性能、施工速度、結構自重以及造價綜合比較，本工程塔樓采用了全鋼結構方案，裙房和地下室在塔樓的范圍外，仍采用現澆鋼筋混凝土結構。bdV中國建筑

    　　塔樓采用了帶加強層的鋼框架－核心筒結構體系。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。利用建筑的設備－避難層設置鋼結構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構塔樓與混凝土裙房能夠連接協調，利于節點構造處理，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.在內筒縱、橫各設置三道支撐，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；為保證結構整體側向剛度，內筒的框架梁高均為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，在角部增設次梁，并且隔層調換方向。

    　　樓板以壓型鋼板作施工模板，采用現澆鋼筋混凝土非組合樓板。
    　　抗震及抗風設計
    　?。?） 設計要求依據文獻[3]，本工程50 年超越概率63％、10％、5％、3％、2％所對應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，按照50年超越概率3%的設計地震動參數進行抗震設防。由于現有計算程序無法輸入6.4度的地震動參數，在抗震計算時，取7 度的參數進行計算。
    　　（2） 總體設計
    　　1）使用及建筑要求設置的條件：
    　　a. 塔樓部分平、立面非常規則，雙向基本對稱，建筑與結構結合較好，為結構抗震提供非常有利的條件。
    　　b. 全鋼結構，材質均勻，延性較好，能很好地滿足抗震二道設防的要求。
    　　2） 側力構件的設計：

    　　a. 內筒框架?支撐結構：在柱間均設置了鋼支撐，部分為偏心支撐，有條件的框架柱間加設小柱，以加強框架支撐的側向剛度。

    　　b. 為提高內筒的框架支撐抗側力體系的水平剛度，加高框架的高度，設計時權衡考慮梁承載力與增加水平剛度的要求。
    　　c. 設置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，加強層內筒的支撐均為中心支撐，設計中，比較了不同層設置加強層對水平剛度的效用程度，目前所設置的層數為最佳。

    　　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（鋼筋混凝土框架結構）的連接，對提高結構整體的水平剛度起一定作用。

    　　2） 按照《建筑抗震設計規范》8.2.3條“框架部分按計算得到的地震剪力應乘以調整系數，達到不小于結構底部總地震剪力的25%的要求，在本工程設計中考慮到這項要求并滿足了規定的要求。
    　　3）地上7 層以上地震效應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.底層可能產生的薄弱部位：采用鋼骨混凝土，是對結構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生于支撐或梁而不是柱，以保證結構不致造成倒塌。
    　　b. 加強層上下相鄰的框架柱：由于堅強層的設置剛度有很大的突變，相連接的框架柱受力比較復雜，很可能成為薄弱部位。根據彈性計算的內力結果對截面要適當加強，留有相當儲備量，再經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、檢驗上部結構首先產生塑性鉸的層及構件，調整構件截面采用約束屈曲耗能支撐，使塑性鉸發生移轉到較次要構件，確保結構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。

    　　氣彈模型風洞試驗結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，其周邊建筑物和地形對風場影響顯著，因而其在強風作用下的風效應十分復雜，在強風作用下的動力效應不容忽視，為此進行了氣動彈性模型風洞試驗。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 個風向角情況下大廈的的風致振動響應。經對試驗結果分析，獲得如下結論：
    　　1）、在各風向角下，在設計風速范圍內，萬豪國際會展大廈均未發現渦激共振發生。

    　　也未發生振動發散的馳振現象。結構屋頂處最大橫風向振動位移（單邊振幅）為b=0o 時，且為0.297m，最大順風向振動位移（單邊振幅）為b=270o 時，且為0.133m

    　　2）、在各風向角下，10 年重現期風壓時，大廈頂部最大振動加速度小于0.2m/s2，扭轉振動角速度小于0.001rad/s，滿足舒適度要求。
    　　3）、當來流風向正對結構物某一面作用時，其橫風向位移、加速度振動響應大于順風向位移、加速度振動響應，因而對于該類高層建筑結構，其橫風向荷載效應是不容忽略的。
    　　4）、由于周邊建筑物對氣流的影響，大廈各面會有局部高風壓現象的出現，因而在進行幕墻設計時對這一問題應引起重視。另外，周邊建筑結構對大廈風壓的影響，在其自身高度范圍內較為顯著，而對大廈頂部區域影響較小。

    　　5）、大廈各側面的最大負壓大于最大正壓。
    　　5） 結構分析
    　　1） 根據結構的特殊性，結構設計采用了三種軟件分析計算，SATWE（中國建研院編）及MTS（中國同濟大學編），ETABS（美國CSI 公司）主要計算結果相近。
    　　2） 計算模型：按框架-支撐空間模型，地震力按X、Y兩個方向風荷載還考慮135 度方向計算，并考慮藕聯，共取45個振型的結果。

    　　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，特別是在橫向風方面研究較少，在制定規程時參考了國外標準，結合我國實際情況進行了調整，為此，筆者用中國規程和加拿大規范分別進行了加速度計算。

    　　五、結束語

    　　1.通過對重慶萬豪國際會展大廈動力特性分析可知，結構基本周期8s，屬于高柔結構，在結構分析時需考慮P-Δ效應，結構布置基本對稱，對結構抗震有利，由風荷載控制設計。
    　　2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制結構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，并非設置的越多越好。
    　　3.超高層鋼結構底部數層采用鋼骨混凝土柱，既可節省鋼材又可適當增加結構抗側剛度，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。


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