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異形建筑結構設計(下)

  華潤深圳灣總部大樓采用密柱外框筒+勁性鋼筋混凝土核心筒結構體系,有效滿足了該超高層結構的設計要求。
  華潤深圳灣總部大樓異形建筑結構計算主要采用ETABS軟件,其中梁、普通柱采用桿單元,樓板、墻體及巨柱采用殼單元。
 
  整體結構性能
  模態分析
  第1,2階為結構45°方向平動主振型,第3階為扭轉主振型,第15階為豎向主振型,第1扭轉周期/第1平動周期=3.380/8.530=0.396<0.85,滿足規范的要求。
模態信息表
 
 
  剛重比
  因在樓層高度331.5m至393m高度處存在塔冠;分別考慮有無塔冠的整體計算,無塔冠模型質量計入混凝土頂層樓面,剛重比如表1所示。
表1剛重比
  其中G=1.2恒載+1.4活載,為重力荷載設計值,如上表1可見剛重大于1.4,小于2.7,因此結構整體第二十五屆全國高層建筑結構學術會議論文2018年穩定性滿足要求,但需考慮重力二階效應影響。
  大層間位移角
表2大層間位移角
 
  小震反應譜作用剪重比
  剪重比=本層剪力/本層及本層以上總重力荷載代表值,如圖1所示。底部樓層剪重比1.18%,少數樓層的剪重比略小于1.2%,滿足規范的要求。
圖1 剪重比
 
 
  小震反應譜作用內筒外框結構剪力分配
  小震反應譜作用下內筒外框結構樓層剪力分配如圖2所示。5層以下外筒為交叉網格結構,有較大的抗側剛度,承擔剪力約占同層總剪力的15%,占基底總剪力約12%;5層以上外筒承擔剪力約占同層總剪力的4%~20%,占基底總剪力3%~7%。
       a(X)方向小震       b(Y)方向小震
       內筒外框結構層剪力分布曲線
  小震反應譜作用內筒外框結構傾覆彎矩分配
  小震反應譜作用下內筒外框結構樓層傾覆彎矩分配如圖3所示。外框結構承擔的傾覆彎矩占總傾覆彎矩的15%。
內筒外框結構層傾覆彎矩分布曲線
 
 
  抗震性能指標
  內筒底部軸壓比0.5,內筒在中震作用的標準組合下僅高區局部樓層出現全截面受拉的情況,但是拉應力小于混凝土抗拉強度標準值,可以滿足預定的設計標準。工程主要由風荷載組合和中震作用組合控制,外框柱大應力水平0.85fy,外框梁大應力水平0.70fy;塔冠外側交叉網格大應力水平0.65fy,水平環桁架大應力水平0.55fy。
  對工程進行動力彈塑性分析的結果表明:
  外框鋼柱保持彈性,外框架鋼梁除與頂部錐形網殼相連部位的局部出現輕微的塑性轉角外,其它均保持彈性;
  頂部錐形網殼豎向構件均保持彈性,部分鋼梁出現了塑性轉角;
  核心筒墻體混凝土壓應變普遍不高,基本保持在混凝土應力應變曲線的線性階段,加強區及斜墻位置的墻體開洞雖有應力集中,但混凝土壓應變都不大,不會超過混凝土的峰值壓應變,頂部墻體由于要承擔頂部網殼在地震作用下的水平力,且墻體存在收進的情況。
  因此在局部與樓板相連位置出現混凝土超過極限應變的情況,設計中進行局部加強,同時對傳遞剪力的樓板予以加強;連梁在罕遇地震作用下充分進入塑性,起到耗能減震的作用,同時能夠滿足耗能構件中度破壞,部分嚴重破壞的性能目標。
  結構專項分析
  高位斜墻收進區受力分析
  核心筒在高區L48-L50層采用斜墻收進,針對該部位的受力和傳力進行了詳細分析,以確保結構設計的可靠性。在豎向荷載標準值的作用下核心筒墻體所受的水平拉應力大值為1MPa,豎向壓應力為1.5MPa,小于混<2.64Mpa混凝土開裂應力,墻體水平向不會開裂。
  中震荷載作用標準值下,除了墻體與連梁相交處有水平集中拉應力約為5Mpa,如圖4所示,其余大部分約為1.5Mpa<2.64Mpa混凝土開裂應力,實際設計時連梁內設置鋼板并深入墻肢一定深度用以抵抗拉應力;墻體在中震作用下,豎向拉應力約為3Mpa,局部大值約為5Mpa,但疊加豎向荷載標準值后,豎向基本無拉應力。
  在中震彈性組合工況作用下,由于墻體本身在豎向力及中震的應力水平并不高,設計壓應力約為13~16Mpa,小于混凝土受壓承載力,設計拉應力1~2Mpa,小于鋼筋混凝土的等效受拉承載力,因此可以滿足中震彈性的承載力性能目標。
圖4 墻體水平應力云圖(中震作用標準值)
  在豎向荷載標準值的作用下樓面梁板的傳力路徑如圖5所示,核心筒內混凝土梁拉力為335kN(約1.4Mpa)少于混凝土開裂應力,水平樓面鋼梁應力值約為6Mpa遠少于鋼材設計應力。
  L50層核心筒外樓板在與核心筒交界處拉應力,約為1Mpa,其余區域拉應力很小,核心筒內樓板的壓應力約為1.5Mpa;L48層核心筒外樓板的壓應力約為0.5Mpa,核心筒內樓板的拉應力約為1.8Mpa,均可滿足設計要求。
圖22L48-L50層斜墻收進區域傳力圖(1.0恒載+1.0活載)
  典型外框偏心節點分析
  由于建筑要求室內做到無柱的效果,結構外框梁柱節點采用全偏心的節點連接形式,即外環梁與外框鋼柱連接時,外環梁位于鋼柱的內側,典型節點構造分解圖如圖23所示。
 典型偏心節點構造分解圖
 
 
  該偏心節點與常規中心梁柱節點相比,環梁偏出外框鋼柱的范圍,節點的連接構造需要針對此特殊的建筑條件進行設計。
  需要考慮的主要問題有:1)偏心節點可能導致節點區應力分布不均勻,節點構造設計應確保各板件之間的連續性,如圖5所示,鋼柱伸出牛腿并使用折形水平加勁板局部加大節點,以保證構件的可靠連接,有限元分析表明如圖6所示,大震不屈服的工況作用下節點區應力分布相對均勻,應力集中區域較小,可以滿足等強節點的設計要求;
典型節點大震不屈服工況下應力云圖
 
 
  2)由于梁偏心布置,梁對柱的約束條件與常規中心梁柱節點有所不同,需要對此偏心節點對柱的穩定性進行分析[3],采用殼單元模擬構件及樓板,第一屈曲模態圖所圖7所示,偏心節點的連接構造不會引起柱的板件局部失穩,屈曲形態仍為整柱的的失穩;
局部全殼模型第一屈曲模態
  3)由于塔樓全樓節點均采用此偏心節點,而偏心節點與常規中心節點相比,節點剛度有所削弱,故在塔樓的整體分析時,需要考慮節點剛度對塔樓整體指標的影響,依次調整節點6個自由度的剛度,分析表明,除了繞梁柱平面內的轉動自由度外,節點的其余5個自由度與完全剛接節點相比,對整體指標(周期、位移)折減約在2%以內,可忽略這5個自由度的影響,設計中對整體指標計算考慮梁柱平面內轉動自由度剛度退化,對構件驗算中則考慮節點完全剛接以吸收更大的水平力。
  外環梁的軸力
  塔樓體型為曲線,結構分析表明,外環梁在豎向力標準作用下的軸拉力發生在頂部和底部的折型外環梁上,其中頂部軸力接近300kN,底部軸力軸拉力接近500kN,中部外環梁受拉樓層的環梁拉力較小,外環梁設計時需要考慮軸力產生的應力比。
  減振阻尼器研究
  本項目采用伸臂阻尼器系統(粘滯阻尼器的一種),這種阻尼器體積小,出力較大,占用空間少,為了安裝油阻尼器,在47-48層特別設置了8道伸臂,阻尼器布置在伸臂桁架與框架柱的連接節點處,利用柱和伸臂端部相互錯動時產生的豎向變形差使阻尼器具備足夠的行程,從而提供阻尼力,如圖8、9所示。
伸臂阻尼器平面布置示意
伸臂阻尼器立面示意圖
 
 
  本工程對剛臂阻尼器布置的樓層數量進行了分析,在有可能設置伸臂阻尼器的樓層(機電/避難層)62、47~48和23~24層三處進行不同的組合布置。如表7所示,在只布置一道伸臂阻尼器的情況下,布置在47~48層效果優,加速度峰值可控制在15milli-g;如果設置兩道以上的伸臂,效果不會隨伸臂的增加而成比例增加,加速度峰值僅比一道伸臂阻尼器略微減少,因此采用采用一道伸臂阻尼器方案。
表7風荷載作用下伸臂阻尼器的減振效果
  華潤深圳灣中心從方案到施工圖設計,歷時兩年多,經過超限審查委員會多次論證,和顧問單位、建筑專業的多次溝通討論,在結構體系、設計標準、抗震性能目標、節點形式和核心筒收進等各方面不斷改進與完善,完成設計,并于2017年底主體峻工通過。
  工程設計研究主要成果如下:
  (1)通過斜交網格在高區和低區加強形成密柱外筒,是可靠的二道防線,與勁性筋混凝土核心筒共同工作形成筒中筒的結構體系,是有效的多重抗側力結構
  (2)核心筒在高區采用新穎的斜墻收進方案,即滿足了建筑的使用功能,也保證了結構傳力的安全有效性,避免了剛度的突變。
  (3)通過節點和整體有限元精細分析提出了新型外框鍽心節點,摸清了偏心節點受力性能和對整體結構的影響,實現了建筑的無柱空間要求。
  (4)分析了曲線型體型導致環梁產生的軸力,并在環梁設計考慮軸力產生的應力。
  (5)比較分析了伸臂阻尼器數量對舒適度的影響,根據塔樓的實際情況選用經濟有效的一道伸臂阻尼器形式。
  (6)此外通過不同材料阻尼比的影響、樓板局部有限元分析、樓板剛度退化影響分析、交叉柱節點有限元分析、抗連續倒塌分析、屈曲穩定分析、凝土長期收縮徐變和結構抗震動力彈塑性分析等計算分析,有力地保證了工程的安全性、合理性。
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點擊次數:2159  更新時間:2019-10-30