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1、Introduction of Guangzhou West Tower Structure Design,广州珠江新城西塔结构设计简介方小丹,工程概况,广州珠江新城西塔项目位于珠江新城，在广州新城市中轴线西侧，与广州新电塔隔江相望。项目占地31,085m2，总建筑面积约为448,736m2。其中，地下室4层，为商场，停车场，机电设备间，地下4层板面标高19.1米；主塔楼地面以上103层，高432米，73层以下为写字楼及酒店服务楼层，层高4.5米，以上为高级酒店客房，层高3.375米;主塔楼建筑面积约250000m2。工程于2005年12月26日动工，先进行基坑支护及土石方工程；2006年9月
2、完成施工图设计，2008年底主体结构封顶，2010年底竣工交付使用。,工程概况,工程概况,图3 办公标准层平面（23层）,办公标准层平面（23层）,工程概况,图3 办公标准层平面（23层）,酒店客房标准层平面（78层）,工程概况,项目发展商：广州越秀城建国际金融中心有限公司设计团队:WEA-ARUP 华南理工大学建筑设计研究院 联合体施工图审查及顾问总承包：广州市设计院结构专业顾问：广州容柏生建筑工程设计事务所施工总承包：中国建筑总公司广州建筑集团联合体钢结构制作：沪宁钢机、精工钢构风洞试验单位：汕头大学风洞试验室，美国cpp风 洞试验室节点试验单位：华南理工大学土木工程系振动台试验单位：中国
3、建筑科学研究院，同济大学风环境评估单位:广东省气象局。,结构体系,结构分析,1,2,振动台试验,3,设计难点及解决方案,4,1、结构体系/抗侧力结构体系,1.1、抗侧力结构体系采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。69层以上，由于建筑使用功能的需要，取消了核心筒的内墙，仅保留部分核心筒外墙并向内倾斜，电梯井道移至核心筒外，形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+剪力墙结构体系。水平荷载（包括风荷载和地震作用）产生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴力承担，基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。,1、结构体系/抗侧力结构体系,广州西塔修长挺拔，高宽比达6.5，平面为类三角形，
4、外周边由六段曲率不同的圆弧构成；立面由首层至31层外凸，31层至103层内收，剖面外轮廓也呈弧线。西塔外周边共30根钢管混凝土斜柱于空间相贯，节点层间距离27m；73层以下每节点层间分6层，层高4.5m；其余分8层，层高3.375m。,1、结构体系/抗侧力结构体系,广州西塔斜交网格外筒的组成包括：、竖向构件以一定角度相交的斜柱；、水平构件沿外周边布置、连接网格节点的环梁及沿外周边布置、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点，侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒，但竖向刚度比框筒稍差。水平力由斜柱的轴向力平衡，倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。,1、结构
5、体系/抗侧力结构体系,斜柱中弯矩产生的原因：一是节间的竖向荷载，并与斜柱的交角和层高相关；二是网格节点的水平位移，相邻层间节点水平位移差越大，斜柱的柱端弯矩越大。网格节点水平位移的大小除取决于斜柱轴力、平面内的交角和平面外的折角外，还取决于网格筒环梁、内外筒间的拉梁和楼板的轴向刚度。节点的水平约束越强，斜柱截面的剪力和弯矩越小，同时，结构的竖向刚度越大。,1、结构体系/抗侧力结构体系,计算分析表明，西塔的层高不大，斜柱的交角也不大，由13.6334.09，自重引起的弯矩也不大；对各节点层施加了体外预应力，阻止了竖向荷载作用下网格节点的向外水平位移，大大减少了斜柱的柱端弯矩和剪力，提高了结构的竖
6、向刚度。不论是竖向还是水平荷载，斜柱的主要内力是轴力，剪力和弯矩均很小。,1、结构体系/抗侧力结构体系,钢管混凝土柱轴向刚度大，承载力高，延性好，以轴力的形式来抵抗风荷载和地震作用产生的水平力和倾覆力矩，正好发挥了钢管混凝土结构的优势，十分高效。此外，由于斜柱底端弯矩、扭矩很小，即使释放支座处X、Y、Z三个方向的转角约束，结构自振频率的变化甚微，即斜柱支座刚接或铰接对结构的侧向刚度和构件内力的影响很小，这就可以简化支座的设计和构造。,1、结构体系/抗侧力结构体系,钢管混凝土外筒斜柱断面尺寸：从基底开始，钢管直径1800mm，壁厚35mm，每一个节点层直径缩小50mm或100mm，至顶层钢管直径
7、700 mm，壁厚20mm。核心筒外墙厚：地下室1100mm，出地面1000mm，沿高度方向逐渐减薄至酒店层下层500mm；酒店层以上4层350mm，其余300mm；核心筒内墙厚：500mm。,1、结构体系/楼盖结构体系,1.2、楼盖结构体系首层以下及核心筒内采用钢筋混凝土梁板，板厚130200mm。内外筒之间采用钢混凝土组合楼盖，梁跨度约815m，工字钢梁高一般为450mm，跨度较大处加高至600mm；办公楼层板厚一般为110mm，酒店楼层板厚一般为130mm，板跨度较大处局部加厚。,1、结构体系/基础,1.3、基础主塔楼位置基础底板已到达中微风化泥质粉砂岩层。考虑到部分柱位下岩石裂隙较发育
8、，采用人工挖孔桩（墩）基础，持力层均为微风化粉砂岩或砾岩，设计要求岩样天然湿度单轴抗压强度不小于13MPa。桩径32004800mm，桩长约613m。单桩竖向承载力特征值为110000kN247000kN。部分桩有抗拔要求，单桩抗拔承载力特征值为5000kN15000kN。主塔楼位置基础底板厚2.5m。,1、结构体系/基础,1、结构体系/主要结构用料,1.4、主要结构用料钢材：Q345B除节点外的外筒钢管混凝土斜柱，楼盖钢梁及其他钢结构构件Q345GJC节点部分的钢管、椭圆拉板及加强环板1860级高强低松弛钢绞线节点层体外预应力索,1、结构体系/主要结构用料,1.4、主要结构用料混凝土：C50
9、桩及基础底板C80C50核心筒及剪力墙C70C60外筒钢管混凝土斜柱C90C60外筒钢管混凝土斜柱节点 C40C35楼板,结构体系,结构分析,2,1,振动台试验,3,设计难点及解决方案,4,2、结构分析/分析模型,2.1、分析软件ETABS ANSYS SAP20002.2、分析模型钢管混凝土斜交网格外筒空间杆单元由于实际节点尺寸较大，一般节点高度有815m高，而在结构整体计算中，节点一般也简化为杆件的连接点，故在结构整体计算中如何模拟节点是非常重要的。本节对节点分别采用实体单元（图1）和杆单元（图2）进行模拟，在相同的力和位移边界条件下通过比较位移可以判明结构整体计算的模型能否模拟实际节点的
10、刚度。,2、结构分析/分析模型,2、结构分析/分析模型,实体模型和杆件模型计算位移比较 竖向位移 径向位移 环向位移实体模型 0.508 1.773 1.029杆件模型 0.54 2.066 1.443两者比值 1.06 1.17 1.40 可以看出，实际节点模型的竖向和径向位移相比杆件模型的位移略小，节点刚度略大。,2、结构分析/分析模型,在节点处虽然两根钢管柱相贯，总截面面积减少，但由于节点区壁厚增加且增加了椭圆拉板，节点实际刚度比两根钢管柱刚度之和还略大。而对于环向位移,两者差异较大，但考虑到实际杆件相交处近乎圆形，基本轴对称，环向位移较小，对结构整体内力的影响非常小，故斜交网格外筒按杆
11、系进行结构整体分析的结果是可以接受的。,2、结构分析/分析模型,外框钢管柱中混凝土的轴向刚度除了以上的节点刚度分析之外，必须保证钢管柱中混凝土没有承受拉力，或在拉力下不发生开裂，这样才可以合理地假定外筒柱可采用其弹性刚度。在竖向荷载、风荷载和地震作用的标准组合下，90层以下钢管混凝土柱没有出现拉力；90层以上，外框柱虽然出现拉力，但拉应变小于混凝土的轴心抗拉强度标准值下的拉应变，能确保不引起混凝土的开裂。,2、结构分析/分析模型,钢筋混凝土楼板壳单元核心筒中的楼板为刚性板。核心筒外的楼板为弹性板刚度折减（0,0.25,0.5)钢筋混凝土内筒壳单元楼盖钢梁梁单元连梁刚度折减系数为0.8计算嵌固部
12、位地下4层（底板顶面）,2、结构分析/分析模型,结构分析主要输入参数楼层层数：108层（包括地下室）风荷载：100年重现期基本风压 0.6kPa地震作用：单向/偶然偏心(5%)/双向地震作用计算：振型分解反应谱法/弹性时程 分析/动力弹塑性分析地震作用方向：结构平动基本周期方向及平行/垂直于三角形各边 地震作用振型组合数：30地震效应计算方法：考虑扭转耦连CQC法周期折减系数：0.85,2、结构分析/分析模型,活荷载折减：按规范折减自重调整系数：1.0楼板假定：核心筒内板为刚性板，筒外楼板为弹性楼板小震和中震结构阻尼比：0.04大震结构阻尼比：0.05重力二阶效应(P-效应)：考虑楼层水平地震
13、剪力调整：考虑楼层框架总剪力调整：考虑,2、结构分析/分析模型,结构设计预期目标结构耐久性：设计使用年限100年。正常使用状态结构、构件有必要的刚度；室内混凝土构件的裂缝宽度0.3mm；重现期10年的风荷载作用下，建筑物顶点加速度0.2m/s2。承载力及位移极限状态重现期100年风荷载、小震作用下，结构弹性；中震作用下，结构基本弹性；大震作用下，结构不倒塌，可修复。,2、结构分析/分析结果,2.3、分析结果周期及质量参与系数,2、结构分析/分析结果,层间位移角,2、结构分析/分析结果,水平位移,2、结构分析/分析结果,基底反力,混凝土内筒承担的竖向荷载约占总重的57；钢管混凝土斜交网格外筒承担
14、的竖向荷载约占总重的43。内筒承担的基底剪力约占总剪力的61%，而外筒承担约39%；内筒承担的倾覆力矩约占总倾覆力矩的39%，外筒约占61%。,2、结构分析/分析结果,竖向荷载作用下核心筒弹性变形图,2、结构分析/分析结果,竖向荷载作用下外筒弹性变形图,2、结构分析/分析结果,风荷载作用下侧向变形图,2、结构分析/分析结果,风荷载作用下外筒斜交网格柱轴力分布图,2、结构分析/分析结果,结构前三阶振型图,2、结构分析/分析结果,温度效应分析 结构合拢温度范围约为10-35。由于使用期间西塔的结构构件都处于室内环境，有空调控制温度，一般在20-28左右，因此，所有内部构件只需考虑10的温度变化。把
15、温度荷载施加于ETABS三维模型上进行分析，可得构件轴力最大内力设计值增加的百分比分别为：外框柱约1.1、楼面环梁约2.2、楼面拉梁约3.8，都可忽略不计。,2、结构分析/分析结果,徐变分析,图9 内筒的竖向压缩量(一年后),2、结构分析/分析结果,徐变分析,图9 内筒的竖向压缩量(一年后),结构体系,结构分析,3,2,振动台试验,1,设计难点及解决方案,4,3、振动台试验,2007年2月14日在中国建筑科学研究院振动台实验室进行了西塔结构模拟地震振动台试验.模型几何比尺1/50,满足动力和重力相似关系.试验表明,结构模型在7度罕遇地震作用后仍可保持弹性.,3、振动台试验,在振动台试验过程中，
16、结构在各工况地震作用下，振动形态基本为平动，结构整体基本无扭转效应。模型在经历了7度小震、7度中震、7度罕遇地震作用后，自振特性有微小变化，结构基本处于弹性状态。模型在经历了8度罕遇地震作用后,自振特性又有微小变化，核心筒剪力墙未见明显裂缝，外围铜管混凝土构件未见明显屈服，说明模型结构稍有损伤，模型最大层间位移角为1/133。试验说明，原型结构设计在8度罕遇地震作用下满足规范要求。,结构体系,结构分析,4,2,振动台试验,3,设计难点及解决方案,1,4、设计难点及解决方案,4.1、楼层平面内拉力问题西塔建筑造型独特，由钢管混凝土柱组成的斜交网络外框筒分为16个节，每个节27M，钢管混凝土柱在每
17、个节间为直线段，相邻节段的柱于节点层形成一个折点，并于节点层平面内产生向外的推力，如下图所示,从而在楼层梁板中产生了拉力。抵抗该拉力是本工程设计中的技术难点之一。,4、设计难点及解决方案,通过分析可知，由外筒斜柱竖向力传递转折而产生的向外的推力可由钢管混凝土柱本身的剪力、外环梁的拉力、连接柱与核心筒的拉梁及楼板的拉力来平衡。一般说来，钢管混凝土柱的优势在于承受轴向力，过大的剪力和弯矩会降低钢管混凝土柱的承载能力；而钢筋混凝土楼板则有裂缝宽度的限制。因此，本工程采取了外框筒环梁+拉梁+核心筒内闭合环梁构成的独立的平面内抗拉体系，如下图所示。,4、设计难点及解决方案,4、设计难点及解决方案,4.2
18、、外框筒斜柱相贯节点问题本工程的第二个主要技术难点是组成斜交网格外框筒的钢管混凝土柱“X”形相贯节点。建筑师要求两根钢管混凝土柱空间相贯。在柱轴线交点处截面面积最小，所受轴力最大。因此,必须设计一个特殊节点以满足既不加大节点的截面尺寸，又能满足承受更大内力的要求。,4、设计难点及解决方案,我们研究设计了一个新型节点，利用竖向放置的椭圆形拉板连接四根相贯的钢管，节点区内钢管壁适当加厚，细腰处设置水平加强环。(如图所示)。该节点形式简洁，受力明确，方便管内混凝土的浇灌。目前已完成两个阶段的试验，试验证明该节点承载力及刚度均能满足要求。,4、设计难点及解决方案,节点模型,4、设计难点及解决方案,节点
19、局部,4、设计难点及解决方案,弹性阶段 钢管环向应力 钢管竖向应力,4、设计难点及解决方案,弹性阶段 椭圆拉板横向应力 椭圆拉板竖向应力,4、设计难点及解决方案,弹塑性阶段 钢管环向应力 钢管竖向应力,4、设计难点及解决方案,弹塑性阶段椭圆拉板横向应力 椭圆拉板竖向应力,4、设计难点及解决方案,弹塑性阶段外加强钢环板环向应力 外加强钢环板环向应力,4、设计难点及解决方案,B1试件（20度）承载力位移曲线,4、设计难点及解决方案,B3试件（35度）承载力位移曲线,4、设计难点及解决方案,节点试验,4、设计难点及解决方案,节点试验,4、设计难点及解决方案,节点试验,4、设计难点及解决方案,节点试验
20、,4、设计难点及解决方案,节点试验,4、设计难点及解决方案,节点试验结论从试验现象来看，角节点的最终破坏现象主要表现为节点区钢管鼓起，没有达到“强节点”设计原则，边节点的最终破坏现象主要表现为非节点区钢管鼓起，实现了“强节点”设计原则。但试件的非节点区杆件长度较短，尤其是角节点，考虑实际结构杆件有较大长细比以及受弯矩作用，实际结构的角节点和边节点均可以实现“强节点”设计原则。,4、设计难点及解决方案,4.3、设计风荷载问题广州西塔建筑造型修长挺拔，高宽比超过6.5，风荷载为结构设计中的控制荷载。毗邻拟建东塔的干扰，使西塔的风反应更为复杂。本工程通过风气象分析确定了本区域的风况及设计风参数，并通
21、过大气边界层风洞刚性模型同步测压试验确定大楼的等效风荷载。,4、设计难点及解决方案,风洞试验及结构的风致响应分析结果表明：结构的动力性能包括阻尼比、自振频率等对结构风反应影响很大；结构横风向风荷载效应远大于顺风向风荷载效应。对于此类截面接近圆形的超高层建筑，易引起跨临界强风共振。周边环境特别是拟建的东塔对西塔的风反应也有一定影响。,4、设计难点及解决方案,以下为西塔385米高度处的气动力功率谱，气动力Fx,Fy为根据该楼层风压时程积分的结果，相应坐标系见右图。,4、设计难点及解决方案,0度风向角 Fx Fy,4、设计难点及解决方案,120度风向角 Fx Fy,4、设计难点及解决方案,240度风
22、向角 Fx Fy,4、设计难点及解决方案,0度为典型的风荷载谱，体现在Fx和Fy有非常不同的特征：Fx为顺风向湍流作用的结果，在其谱中没有明显的峰值，脉动力各个频率分量的分布和脉动风谱类似，而横风向Fy的谱则有非常明显的峰值，这个峰值所对应的频率值即为漩涡脱落频率，图中的3条红线分别对应于结构的前3阶固有频率，由图中可见，结构的前两阶固有频率基本和漩涡脱落频率一致，这意味着会有潜在的涡激共振问题。,4、设计难点及解决方案,西塔的风振基本是横风向控制的，且在横风向响应和荷载中，平均量一般都很小，而共振分量又远远超过背景部分占有相当大的成分，因此，最终结构的峰值响应或等效静风荷载还要很大程度地取决
23、于峰值因子和结构阻尼比的选取。,4、设计难点及解决方案,峰值因子和结构阻尼比对等效风荷载的影响：,4、设计难点及解决方案,结构顶部加速度随阻尼比的减少而增加：,4、设计难点及解决方案,设计时风荷载参数的取值为：考虑到西塔的设计荷载是根据100年基本风压进行计算而得到的，这种情况下，采用跨越一次结构即告失效的峰值因子g=3.5作为设计参数将偏于保守。因此，在结构构件承载力设计中，根据实际计算的峰值因子的分布情况，采用比国家荷载规范略高的g=2.5作为峰值因子；100年一遇极大风作用下的结构阻尼比取3.5%；舒适度验算采用重现期10年的基本风压，结构阻尼比取1%，峰值因子取3.5%，同时考虑风速玫
24、瑰的影响,4、设计难点及解决方案,4.4、体外预应力问题为进一步提高节点层抗拉体系的安全储备，于节点层周边设置体外高强钢绞线预应力索。张拉索使得节点层平面内产生沿径向的压力，大大减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力，还可降低楼板中的拉应力水平，有效地控制楼板的裂缝宽度。,4、设计难点及解决方案,与此同时，体外预应力的施加减小了钢管混凝土斜柱的向外水平位移，相应减少了柱端弯矩，从而提高了柱的竖向承载力。体外预应力施加的方法、施加的大小及时机、预应力索的维护及与主结构的连接方式成了本工程的另一个技术难点。,4、设计难点及解决方案,根据施工时恒荷载施加的顺序，本工程各节点层预应力最多分三次施加，以达到
25、在恒荷载及预应力共同作用下楼板内基本无拉力的目的，并控制施工时各结构构件在预压力作用下保持弹性工作状态，不致产生过大的压力。体外预应力在此类超高层建筑的应用尚属首次，实际施工时尚应与专业公司进行协调与配合，才能更好地实现设计的意图,4、设计难点及解决方案,预应力索布置图,4、设计难点及解决方案,预应力索大样,4、设计难点及解决方案,4.5 负一层和首层核心筒外墙开洞由于建筑使用功能的要求，于核心筒外墙开了一个宽10米的电梯门洞。其在竖向荷载作用下的受力模式是典型的拉杆拱。在详细分析的基础上，采取了以下措施：门洞周边增设型钢门架，传递主压应力和主拉应力范围做了加强；此外，在门洞顶部拉应力区加设了有粘结预应力拉索。门洞两侧的混凝土墙也适当加厚。,4、设计难点及解决方案,小结,广州西塔建筑造型独特，结构形式新颖。巨型钢管混凝土斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒构成的筒中筒体系是一种侧向刚度大，承载力高的新型结构体系，外筒主要以轴力来抵抗水平荷载引起的倾覆力矩，适合用于超高层建筑结构。设计过程中，华南理工大学建筑设计研究院与ARUP设计公司组成的结构设计团队，通力合作，解决了相关的技术难题，最终完成了整个结构设计工作。,谢谢！,
