一、工程概况
重庆万豪国际会展大厦地处重庆市闹市区,大厦所处地势北高南低,相差5m.大厦地上69 层(含GF 层),地下5 层,建筑高度303.3m,地下22m,裙房7 层。
地下5 层为停车库和设备用房以及商业用房,负2层与城市轻轨的出入口连为一体,地上7 层裙房为商业用房,第7 层采用空中通廊与现有万豪酒店相连,8 至68 层塔楼标准层平面为41×41m,8 至41层为公寓,42 至68 层为办公楼,顶层设置直升机停机坪。
在第7 层、第23 层、第41 层、第54 层、顶层设置避难层。地下室和裙房层高4.5m-5m,公寓层高3.7m,办公楼层高3.9m.建筑用地面积9100 ㎡,总建筑面积182893 ㎡,其中地上建筑面积145348 ㎡,地下37545㎡.该大厦周围有10余栋已建或规划的高层或超高层建筑。
二、 地基与基础
1.地质情况该场地划分为I 类场地。大厦以巨厚层的中(微)风化泥岩为持力层,根据地勘,泥岩的地基承载力特征值为4.0Mpa,天然抗压强度标准值为12.4Mpa.后经岩质地基平板载荷试验,极限荷载平均值为16.4Mpa,地基承载力特征值为5.2Mpa,该地基是修建高层建筑的理想场地。
2.基坑及基础设计本工程地下5 层,因地势北高南低。相差5m,具备完全嵌固条件有4 层22m,大厦埋置深度为房屋高度的1/13.8,满足抗倾覆能力。塔楼的柱基础采用扩底桩(墩),塔楼内筒采用平板式筏形基础。
我们采用美国ANSYS 公司编制的ANSYS 1 Mechanical 有限元分析软件的SOLID72 单元对塔楼扩底桩(墩)和塔楼筒体筏板及地基进行了三维计算分析,塔楼扩底桩(墩)采用D=4m,扩底5.5m,筏板25.8×25.8×4.5m.为筏板基础配筋提供可参考的数据。
三、风荷载
高层超高层建筑中水平风荷载计算是结构抗风设计的关键因素,但对于较高的特别是不规则的超高层建筑,加之建筑物风荷载受周围围建筑影响较大,需对现行规范的风荷载进行核准,为此,该大厦进行了模型风洞测压和气弹试验和三维数值风洞模拟,并与规范取值对比,进行合理的风荷载设计。
重庆市100 年一遇基本风压为0.45 kN/㎡ 1.模型风洞试验本工程在西南交通大学风工程试验研究中心进行测压风洞试验。采用1:250的有机玻璃模型,周围500m范围内主要建筑物及环境采用泡沫塑料切成,模拟C类地貌大气边界条件。
以模型屋顶高度的气流风压为参考风压,测压试验来流风速7.5m/s.本试验在主体结构各表面布置,沿高度布置在23 个截面,共457 个测压点,试验模拟了0o到360o的风向角,间隔22.5o,定义模型的正门法向方向为0o,转盘逆时针为正。
本风洞试验给出了16个风向角下各面各测压孔的风压系数。试验结果看出:各面正迎风面的正压沿横向其边缘处的风压均小于中间处的风压,沿高度方向平稳变化,到4/5 高度处(距顶部15-30m)达到最大值,上部沿高度逐渐减少;背风面及两侧面负压较为均匀,沿高度变化较小。
由于大厦周围高层建筑对气流的影响,大厦各面会有局部高风压区现象出现,尤其是周围高层建筑物高度以下区域,有放大作用也有减少作用,有时甚至会出现压力系数反号。当风向角为1350和900时X向、Y向基底总剪力达到最大值。
数值风洞模拟本工程委托同济大学航空航天与力学学院进行数值风洞模拟。数值风洞模拟与一般实验室风洞类似,需设置一个风洞,风洞有入口、出口、地面、壁面,大厦和周围建筑物数值模型建立于风洞中,数值模型按原型尺寸(1:1)建模,属刚性模型。建模、计算和后处理由国际上领先的计算流体动力学软件CFX5.5完成。
报告提供了16 个风向下的各层沿X、Y 向的平均风合力及绕Z轴总合力矩,结果表明X 向基底总剪力最大者为135o风向;Y 向基底总剪力最大者为90o;绕Z轴总合力矩最大者为0o.同时给出了各不同风向下大厦各表面最大风压等值线分布云图,为玻璃幕墙设计提供了依据。风压等高线图分布来看,各面正迎风面中部绝大部分区域为正,而由于分离流的原因在边缘附近小部分区域为负压,背风面一般为负压且大小比较均匀。
风荷载比较与取值我们将三种方法得出的正迎风面静风荷载和考虑动风荷载进行对照,见图3 及图4.风洞试验表明,在37层以下受周边建筑的影响,风洞试验风荷载值比规范值有放大作用,而在37层以上风洞试验风荷载值比规范值小。按荷载规范计算的总风荷载比风洞试验试验的风荷载大约9%。
数值模拟与风洞试验结果基本一致,风压沿高度最大值约在建筑物的4/5 高度处;各层风荷载规范计算值最大,数值模拟值其次,风洞试验值最小。规范计算的风压最大值在建筑物顶部,规范计算的顶部风荷载偏大且不尽合理,风压合力作用点较高,总风荷载较数值模拟与风洞试验值大, 因而在整体计算时,按规范计算偏于保守。
数值模拟与风洞试验结果揭示了风向角为135o和90o时X 向、Y 向基底总剪力最大,这是现有高层计算软件不易实现的。从风洞试验和数值模拟结果看,大的负压出现在塔楼较低处或建筑物边缘处,构的整体计算虽没有大的影响,但对玻璃幕墙设计安全影响很大,应引起重视。
在总体计算时,分别对0o、90o、135o来风进行了计算。风荷载取值按现行规范,但建筑物顶部按照模型风洞试验结果取用,并适当考虑了由数值模拟与风洞试验测出的扭矩。
四、上部结构
1. 结构方案本工程上部结构共69 层,其中裙房范围7 层,塔楼总建筑高度303.3m,目前是我国已建和在建钢结构高层中最高的。高宽比为7.34,属超限高层。大厦结构基本周期8s,属少有的长周期高层建筑。
根据建筑功能、建筑布置、建筑高度的情况,曾考虑过采用两类结构方案,即全钢结构及钢-混结构。根据结构抗震性能、施工速度、结构自重以及造价综合比较,本工程塔楼采用了全钢结构方案,裙房和地下室在塔楼的范围外,仍采用现浇钢筋混凝土结构。
塔楼采用了带加强层的钢框架-核心筒结构体系。外框架由钢柱、梁组成;核心筒由钢柱、梁组成的钢框架和钢支撑组成。利用建筑的设备-避难层设置钢结构的外伸桁臂及腰桁架,组成加强层(4 道)。
塔楼7F 以下为裙房、地下室共13 层,采用钢骨混凝土柱,这主要是为了解决钢结构塔楼与混凝土裙房能够连接协调,利于节点构造处理,同时充分利用高强度混凝土的抗压强度,减小了钢骨的断面.
7F 以下为钢骨柱,钢筋混凝土截面尺寸为1400x1400 及1500x1500,钢骨为带翼缘的十字形断面;8F 以上为箱形钢柱,柱断面尺寸为1200x1200mm 到600x600mm,钢柱板厚为80mm 到20mm.在内筒纵、横各设置三道支撑,采用中心支撑及八字形偏心支撑。支撑采用H 钢,断面为H400x400x25x30、H400x400x25x40 两种。
钢梁均为H 形钢梁。8F 以下外框梁高为700mm,8F 以上外框为满足建筑净高的要求,梁高为650mm;为保证结构整体侧向刚度,内筒的框架梁高均为900mm.次梁与框架主梁采用铰接,按组合梁计算。为了使角部框架梁的受力均匀,在角部增设次梁,并且隔层调换方向。
楼板以压型钢板作施工模板,采用现浇钢筋混凝土非组合楼板。
抗震及抗风设计
(1) 设计要求依据文献[3],本工程50 年超越概率63%、10%、5%、3%、2%所对应的基本烈度值分别为5.2、6.1、6.3、6.4、6.6,按重庆市地震局的批复,按照50年超越概率3%的设计地震动参数进行抗震设防。由于现有计算程序无法输入6.4度的地震动参数,在抗震计算时,取7 度的参数进行计算。
(2) 总体设计
1)使用及建筑要求设置的条件:
a. 塔楼部分平、立面非常规则,双向基本对称,建筑与结构结合较好,为结构抗震提供非常有利的条件。
b. 全钢结构,材质均匀,延性较好,能很好地满足抗震二道设防的要求。
2) 侧力构件的设计:
a. 内筒框架—支撑结构:在柱间均设置了钢支撑,部分为偏心支撑,有条件的框架柱间加设小柱,以加强框架支撑的侧向刚度。
b. 为提高内筒的框架支撑抗侧力体系的水平刚度,加高框架的高度,设计时权衡考虑梁承载力与增加水平刚度的要求。
c. 设置4 道加强层,在23、41、54及顶层由外伸桁架及外框腰桁架组成,加强层内筒的支撑均为中心支撑,设计中,比较了不同层设置加强层对水平刚度的效用程度,目前所设置的层数为最佳。
d. 裙房以下,采用钢骨混凝土柱、钢梁:考虑加强整体刚度及与裙房(钢筋混凝土框架结构)的连接,对提高结构整体的水平刚度起一定作用。
2) 按照《建筑抗震设计规范》8.2.3条“框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数,达到不小于结构底部总地震剪力的25%的要求,在本工程设计中考虑到这项要求并满足了规定的要求。
3)地上7 层以上地震效应比较大的层采用约束屈曲耗能支撑,可在罕遇地震作用下起到减震作用。
4) 薄弱部分的加强:
a.底层可能产生的薄弱部位:采用钢骨混凝土,是对结构抗罕遇地震时地震作用的加强,采用钢梁及钢支撑也可使塑性铰首先发生于支撑或梁而不是柱,以保证结构不致造成倒塌。
b. 加强层上下相邻的框架柱:由于坚强层的设置刚度有很大的突变,相连接的框架柱受力比较复杂,很可能成为薄弱部位。根据弹性计算的内力结果对截面要适当加强,留有相当储备量,再经弹塑性时程分析进行验算校核其受力与变形性能予以加强。
c. 通过弹塑性时程分析、检验上部结构首先产生塑性铰的层及构件,调整构件截面采用约束屈曲耗能支撑,使塑性铰发生移转到较次要构件,确保结构满足大震不倒的目标。
本工程进行了超限高层抗震专项审查,专家提出该建筑物高柔,要解决好舒适度问题。
气弹模型风洞试验结果由于重庆万豪国际会展大厦高而柔,又地处高层建筑密集的重庆市城区,其周边建筑物和地形对风场影响显着,因而其在强风作用下的风效应十分复杂,在强风作用下的动力效应不容忽视,为此进行了气动弹性模型风洞试验。通过对重庆万豪国际会展大厦1:250模型的气弹模型试验,取得了16 个风向角情况下大厦的的风致振动响应。经对试验结果分析,获得如下结论:
1)、在各风向角下,在设计风速范围内,万豪国际会展大厦均未发现涡激共振发生。
也未发生振动发散的驰振现象。结构屋顶处最大横风向振动位移(单边振幅)为b=0o 时,且为0.297m,最大顺风向振动位移(单边振幅)为b=270o 时,且为0.133m
2)、在各风向角下,10 年重现期风压时,大厦顶部最大振动加速度小于0.2m/s2,扭转振动角速度小于0.001rad/s,满足舒适度要求。
3)、当来流风向正对结构物某一面作用时,其横风向位移、加速度振动响应大于顺风向位移、加速度振动响应,因而对于该类高层建筑结构,其横风向荷载效应是不容忽略的。
4)、由于周边建筑物对气流的影响,大厦各面会有局部高风压现象的出现,因而在进行幕墙设计时对这一问题应引起重视。另外,周边建筑结构对大厦风压的影响,在其自身高度范围内较为显着,而对大厦顶部区域影响较小。
5)、大厦各侧面的最大负压大于最大正压。
5) 结构分析
1) 根据结构的特殊性,结构设计采用了三种软件分析计算,SATWE(中国建研院编)及MTS(中国同济大学编),ETABS(美国CSI 公司)主要计算结果相近。
2) 计算模型:按框架-支撑空间模型,地震力按X、Y两个方向风荷载还考虑135 度方向计算,并考虑藕联,共取45个振型的结果。
和CUZI-1 三条地震波,时程分析所用地震加速度时时程曲线的最大值为35cm/s2。
我国在计算建筑物加速度响应,特别是在横向风方面研究较少,在制定规程时参考了国外标准,结合我国实际情况进行了调整,为此,笔者用中国规程和加拿大规范分别进行了加速度计算。
五、结束语
1.通过对重庆万豪国际会展大厦动力特性分析可知,结构基本周期8s,属于高柔结构,在结构分析时需考虑P-Δ效应,结构布置基本对称,对结构抗震有利,由风荷载控制设计。
2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制结构层间位移的有效方法。通过多次试算可以找到较为理想的外伸桁架位置和道次,并非设置的越多越好。
3.超高层钢结构底部数层采用钢骨混凝土柱,既可节省钢材又可适当增加结构抗侧刚度,同时,可很好解决与裙房钢筋混凝土梁之间的连接问题。
4.超高层建筑的舒适度问题是设计人员考虑的重要因素,宜采用多种途径验算分析,采用气弹模型试验更为可靠。
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