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1、1301403-06 熊俊,结构选型分析-东方明珠塔,明珠耀东方东方明珠塔,东方明珠广播电视塔是上海的标志性文化景观之一，位于浦东新区陆家嘴，塔高约468米。该建筑于1991年7月兴建，1995年5月投入使用，承担上海6套无线电视发射业务，地区覆盖半径80公里。,看法,东方明珠, 是建筑还是结构? 它既是建筑又是结构。是建筑表现结构的美, 还是结构造就建筑的美? 应该是两者相辅相成。它没有建筑师硬贴上去的析架、悬索, 也没有工程师的胡须通遏、不修边幅。鉴于目前出现的建筑思潮, 用不合理的结构来形成,g 良睛一亮”的视觉冲击, 认为这是建筑的美, 我不得不强调一下, 合理的结构造就建筑的美。它就
2、像人一样, 有人好看有人难看, 但只要有模特儿的身材, 他大致就是美的, 这就是我想强调的东西。,结构：创新思维使混凝土塔获得新生,东方明珠突破了传统的单筒模式, 提出并采用了“ 带斜撑巨型空间筒体框架部分预应力混凝土结构” , 使之具有鲜明的标志性,独一无二地有别于其它混凝土电视塔。人们一看到这样的结构, 就会知道它是东方明珠, 它在上海。在结构上, 带来一个很大的好处, 就是它具有比单筒体更好的稳定性和抗震性能。因为它有一个很大的支面, 又是多次超静定结构, 不致因为某根构件的损伤造成整体结构的破坏。东方明珠通过合理的结构体系, 实现了建筑造型的突破。创新是社会进步的灵魂, 可以说, 正是
3、创新思维孕育了东方明珠这一具有震撼力和感染力的优美建筑。,结构：先进的结构技术使美贾的建筑成为现实,(1) 带斜撑的巨型空间筒体框架结构巨型空间框架结构由三个直径为g m的钢筋混凝土筒体、三个直径为7 m 的钢筋混凝土斜撑和七组共2 1 根大梁组成,结构的平面布置见图1, 是一个多次超静定空间结构。超静定结构在抗震方面的优越性, 除了表现在多重抗震设防外, 还在于设计者可以按强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则设计, 有意识地控制塑性出现的位置和顺序, 以达到增大延性,必要时丢车保帅的目的。为此, 我们在东方明珠的巨型框架横梁内, 设置了水平中圈6 巨型空间框架结构平面布t 圈缝。6 m 高
4、的横梁相对于g m 直径的竖直简体, 在比例上是合适的。,图1 巨型空间框架结构平面布置圈,但相对于筒体的壁厚7 0 0mm、5 0 0mm、3 5 0mm 则显得太大。虽然在设计中, 将横梁在平面上设计成双丫型, 以和筒壁有较和顺的连接, 但仍有强梁弱柱之嫌。为使大震下塑性铰出现在梁上而不是在筒体上, 并考虑到塔的刚度仍偏大的情况(T= 6.45,基底剪力/ 塔重= 2.1% ), 对横梁采取了弱化措施, 在横梁中部设水平缝(见图2 ), 一根6 m高的梁变形为2根3m 高的梁, 但保护层及最外一环钢箍仍照常通过, 以使得在一般情况下,按6m高的梁受力,刚度好, 而在大震下,中缝有错动, 按
5、二个3m高的梁计算。,图2 中部设缝的横粱,结构的抗侧体系除巨型框架外, 还在筒体夹角的平分面内布置了三根百米长的巨型支撑, 与地面呈60交角, 支撑和垂直筒体的中心在93m处交汇。巨型支撑的设置, 为整个塔体提供了一个直径100 m 的支承面, 并使塔身控制截面的弯矩减小了40%,使高塔从结构的观点上降低了93m。然而这三根巨型支撑在世界建造史上尚无先例, 施工的难题差点使本方案失标, 为此我们提出了两个可供选择的建议, 其一, 支撑原位垂直施工,待达到设计强度后, 转动到与地面60夹角的设计位置: 其二, 将通常采用的钢筋笼改为由型钢组成的劲性钢骨, 由劲性骨架悬挂模板, 承担施工荷载,
6、这一施工方案被施工单位采纳, 确保了施工的顺利进行, 见图3。,图3 劲性骨架代粉钢筋骨架,(2)短桩和薄板基础,在深厚的软土地基中, 怎样保证高塔建筑不至于倾斜? 这是一个沉降控制的问题,目前通用的方法是“ 抗” 的办法, 例如处于同一场地条件的金茂大厦(高4 2 3 m ), 把中9 0 0 x 2 0 的钢管桩, 打入地下7 9 m , 以获得尽可能小的沉降, 这对于当时只有2 亿元概算的东方明珠来说是不能接受的。我们走的是另一条路, 即“ 放” 的办法, 允许它有稍大但较均匀的沉降, 因此只打了4 2 3 根5 0 0 x 5 0 0 m m 的混凝土桩, 入土深度4 8 m。我们充分
7、估计到, 塔的中央荷载大, 斜撑下荷载较小, 但在静荷载下是对称的。因此,设计了较浅的桩基, 但加强箱基和斜撑, 使之构成很强的基座, 可以有效地调整中心和边缘的沉降差。实测表明, 从施工到士0.0 0 算起, 到塔建成后3 年, 基础中心的沉降为9 c m , 周边6 c m , 呈盆状变形, 高塔始终保持铅垂状态。仅有3 c m 的沉降差,1 = 1 / 20, 所增加的结构内力是不大的。来访者往往对这样高的塔, 其底板厚度仅有1.5m 难于置信, 因为它和一般高层建筑基础2 3 m 相比显得太薄了(北京某大楼基础板厚, 原设计13.5 m , 后改为9.5 m )。其实诀窍只是在于合理布
8、置结构。在和建筑设计协调并尽量不影响使用的情况下, 我们在箱基内设计了环向和径向的混凝土墙, 而将绝大部分桩布置在墙下, 基础底板主要承受均布的水土反力。设计技巧的合理运用, 为建设节约了大量资金。,(3)钢天线的顶升设计,作为电视塔, 东方明珠的顶部设计了一根1 1 Om 的天线杆, 而钢天线杆的施工从来就是电视塔建设的难题, 无论用直升飞机起吊(多伦多塔) 还是用拔杆安装(北京塔) 都遇到过很大的困难。考虑到这点, 我们设计了顶升法施工的钢桅杆, 把11 Om长的钢桅杆, 分成11节, 在地面上组装, 用20束钢绞线从35Om 高空(混凝土桅杆顶) 吊下,2 0个机器人(计算机控制的千斤顶
9、) 沿着它攀升, 同时把天线杆带上去(见图4), 仅花10天的时间, 就完成了攀升和安装。,图4 机器人沿铜绞线攀升, 并提升天线杆,(4)悬挂结构和愚挑结构同时应用,许多人问两个漂亮的大球是怎样做出来的。东方明珠上球45m 直径,9层1万平方米, 采用双重悬挂结构, 犹如一把张开的巨伞, 单筒内埋设钢环, 筒内楼板作横隔, 钢环伸出12个耳朵, 安装悬挑钢屋架, 吊挂柱子, 支承楼板(见图5)。关键技术是尽可能使构造简单, 析架和钢环梁的连结以及柱与析架的连结, 都仅使用一个销子(见图6), 使施工安装非常方便, 半个多小时就可安装一福析架。另一关键技术是充分考虑受拉的吊柱和受压的筒体间的变
10、形差, 在静荷载下的变形完成后, 再连结吊柱和它底下的斜撑, 使得结构变形协调, 减少次应力, 并避免楼板倾斜。十二福悬挑析架, 吊九层楼板,是我国目前最多层最高的悬挂结构。5Om直径的下球, 下端和三个竖及三根斜撑相交, 上端和三个竖筒及中筒相交, 支承条件十分复杂。我们在球的底部设计了一个锥形的混凝土碗, 碗底和6 个筒体整浇在一起, 解决了复杂的支承关系, 碗边支承4 8 根折线形柱子, 支托析架和楼板.在受力复杂的地方, 加大安全度以覆盖一些难于预料的问题。初步设计时, 它是一个截球碗壳, 在大量的内力分析之后, 施工图改成为锥壳, 使得复杂的内力变得简单。为减少碗边沿的水平位移, 通常的作法是沿环向加预应力箍, 我们在此基础上, 对锥壳顶面的楼板施加法向预应力, 它的受力更加直接而明确, 取得了很好的效果。,图5 悬挑12榀钢屋架,图1 200的销子连接析架、钥环粱和柱,结语：,技术创新意味着突破常规, 走前人没有走的路, 必然承担着一定的风险, 这就要求技术创新具有严格的科学态度。,
