天津高银117 大厦项目之方案和初步设计阶段资料.pdf

7 Building Structure 特别访谈 天津高银 117 大厦项目之方案和初步设计阶段 受访嘉宾 刘鹏 奥雅纳公司联席董事 奥雅纳北京公司结构负责人 天津高银 117 大厦项目方案和初步 设计阶段结构设计负责人 建筑结构 ARUP 公司近年来在国内参与了 多项重大的高层项目 在结构设计方面积累了丰富的 经验 请问对于一个超高层的项目 在权衡建筑功能 和结构方案可行性的关系方面 需要结构工程师具备 怎样的技术管理能力方能取得一个让各方都满意的 结果 刘鹏 结构是建筑空间的 骨架 支撑其内部功能 高层 和超高层建筑一般是把各种 功能空间在垂直方向叠合 并 通过共同的交通核连通 因此 超高层的结构设计需要把握 内与外 一般 楼层 与加强 楼 层 整体与局部之间的矛盾 和协调关系 在空间和功能的 限制下寻找最合理的传力途 径 保证结构的安全 本项目奥雅纳是由香港 北京和天津的团队共同参与 方案和初步设计前后历时三 年 期间历尽了多次方案调 整 深刻感受到超高层设计各 专业之间的相互平衡和制约 的关系 另外超高层设计周期 长 任务多 团队规模大 图 1 整体建筑效果图 而且本项目相关技术问题突破规范 不确定因素 较多 可能产生诸多的不确定性和变化 结构工程师 需要有丰富的经验 极高的责任心和良好的合作意 识 结构工程师需要有丰富的经验 极高的责任心和 良好的合作意识 且对技术难点有足够的敏感度和预 见性 建筑结构 在天津高银 117 项目方案阶段 结构工程师通过全力配合 最终实现结构平面和核心 筒的双轴对称的格局 能与大家分享一下这个艰辛的 历程吗 刘鹏 由于天津高银 117 项目本身的高度和高宽 比都已经超出常规 并且还处于中高烈度区 对于抗 震设计来说 结构平面的规则对称是整个结构体系经 济性的基础 为最终通过巨型结构达到侧向刚度的最 大化提供了条件 专业配合过程中 特别对于核心筒 建筑本身形 成 田 字形 即四个子筒通过 十 字形走道连接的布 局为结构创造了良好的前提 但初始阶段受到建筑和 机电专业的条件限制 楼电梯 设备 走道等形成的 门洞宽度和开口方向并不相同 结构工程师强调结构 需求的同时 积极协调各方 提供了不同的配合解决 方案 我们的良苦用心 使建筑师逐渐接受我们的意 见 进而微调了相关的建筑平面 相信最终规整对称 的协调成果也会有利于后续的深化设计 构件加工 施工管理等方方面面 达到多赢的局面 图 2 结构典型平面布置图 建筑结构 对于一个总高度将近 600m 的超 高层设计任务 结构体系的选型方面面临哪些挑战和 困难 请结合本项目介绍 谈谈结构方案最终确定的 各阶段性成果 刘鹏 为实现建筑布局并确保结构安全 结合工 程经济性 充分发挥钢与混凝土两种材料的优势 对 于外框筒在方案设计阶段依次考虑了几种不同的布 置方案 通过不断的演进形成了最终的结果 传统的密柱结构 即便增设含伸臂桁架和腰桁架 加强层 这种体系对于抗震区 400m 以上高层建筑主 要的问题是其刚度难以满足要求 同时中国规范对于 外框架作为第二道防线需满足一定的刚度和强度要 求 使得框架柱截面尺寸较大 柱间净距狭小 难以 8 特别访谈 Building Structure 满足建筑对公共空间布局及视野的要求 柱总体含钢 量偏高 多道伸臂桁架也增加了与核心筒连接的复杂 程度和造价 并产生刚度突变问题 因此在较早阶段 结合本项目高宽比较大的特点 我们就已经意识到 600m 级的超高层建筑 如果满足相应的技术指标要 求 需要在结构体系方面向含有巨型支撑的巨型框架 体系演进 在方案和初步设计早期 天津高银 117 大厦考虑 的是含有人字支撑或菱形撑的巨型框架体系 此方案 充分利用了巨型框架刚度大的特点 但重力由密柱传 递至地面层 其截面仍相当大 此外角部的巨型柱所 受的重力不能够平衡水平力产生的拉力 仍未能达到 建筑空间布置的要求 因此形成了巨型结构加次框架 的结构方案 即巨型柱仅布置于四角 塔楼边柱在各 区形成次框架柱 仅承受重力荷载 并将重力通过机 电层的巨型转换桁架传递到两端的巨型角柱 边柱截 面得以缩小 建筑空间较为开敞 结构也可以获得更 大的抗侧刚度 在超限审查过程中 专家组提出了诸 如要控制自振周期和最小初始剪重比的严格要求 要 求结构整体刚度进一步提高 最终经过与业主及建筑 师协调 除底部节间考虑建筑主入口的要求为人字支 撑外 其余节间采用交叉撑的形式 此外 由于外框 架刚度显著提高以至在大部分楼层超过了钢筋混凝 土内筒的刚度 分析结果表明 伸臂桁架对于提高结 构整体刚度的作用不明显 最终予以取消 结构最终 采用的多重结构抗侧力体系如图 3 所示 分别由钢筋 混凝土核心筒 带有巨型支撑筒 巨型框架构成的周 边结构构成了多道设防的结构体系 提供了强大的侧 向刚度 共同抵抗水平地震及风荷载 由于建筑方面弱化交叉支撑的视觉效果要求 设 计中采取了将斜撑与周边次框架在平面上错开的方 案 两者相对独立 如图 4 所示 建筑结构 请介绍一下本工程结构体系的各 项控制性因素 刘鹏 天津高银 117 大厦从结构高度 高宽比 所处的烈度等方面都给结构工程师提出了非常严峻 的设计挑战 由此造成了对于结构整体刚度及其指标 控制的难度 如剪重比 层位移 风载下舒适度 刚 重比等指标同时成为该项目的控制性技术因素 之后 的相应调整都可能对以上指标造成不同程度的影响 在结构设计调整过程中 需要不断平衡和关注以上因 素 此外关键设计和分析参数的合理选取 主要抗侧 构件选型和性能目标恰当确定 包括结构自重的控制 等方面都是本项目重要的因素 图 3 多重抗侧力体系示意图 图 4 巨型框架与巨型支撑连接空间示意 双层桁架 建筑结构 由于本项目结构体系的复杂性 结构计算模型既要考虑与实际相符 又要进行必要的 简化 能和同行分享一下这方面的经验总结吗 刘鹏 天津高银 117 大厦整体结构分析模型由于 体量大 构件数量多 考虑运行时间对工作效率的影 响以及软件技术条件限制等因素 需要作出相应简化 和假定 例如 对于多腔体复杂截面的钢管混凝土柱和组 合钢板剪力墙这样的钢和混凝土形成的组合构件 由 于构件内部通过构造 如栓钉 等措施 钢与混凝土 之间实现协同变形 因此在模型中按照等刚度的原则 9 Building Structure 特别访谈 对不同组合构件按均质材料假定对弹性模量 容重及 局部坐标等进行了对应调整 再如 由于巨型柱截面巨大 在其连接节点部位 在杆单元上附加无质量的 刚臂 并与巨型斜撑和桁架 连接 以模拟巨型柱的构件尺寸效应 需要注意的是 这样形式的巨型柱本身已经是一个小型的结构体 其 节点域远小于整个截面 因此在详细设计中要考虑外 力如何从节点向全截面扩散的问题 这样的简化也经 过了试验的验证 以确保其满足平截面假定以及强度 和刚度上的设计假定 建筑结构 本项目在专家论证和超限审查阶 段 应当与各方均有充分的技术交流与协调 能介绍 一下这方面的信息吗 刘鹏 本项目初步设计时正处新老规范交替阶 段 本项目本身的挑战性也使得设计面临很多不确定 性因素 我们和施工图设计方华东建筑设计院和结构 顾问容柏生事务所方面有很多的沟通和交流 吸收了 他们的很多宝贵的意见 本项目在正式通过审查前 在方案和初步设计阶段共组织了 4 次抗震专家研讨会 和风工程专项审查会议 期间全国以及天津市组成的 超限审查专家组对本工程先后提出了 60 多条主要意 见和建议 绝大部分意见融入了最终的设计中 各方 主要探讨的部分内容如下 1 加速度反应谱 6s 后超长周期段的选取问题 现行规范对此没有给出明确意见 需要单独研究 经 专家审议 由于本工程自振周期达约 9s 可将规范反 应谱第二衰减段沿同样斜率延伸 2 位移反应谱对于高柔建筑结构应用可行性 问题 理论上 高柔结构超长周期地震动采用位移反 应谱更为合理 但经专家审议 由于位移反应谱理论 和工程实践发展还不成熟且暂无成熟软件进行分析 和支持 仍然采用现行加速度反应谱和两阶段动力时 程的方法进行抗震分析 3 高强混凝土在超高层建筑中应用问题 提 高混凝土强度等级可以起到增加结构刚度 减小结构 构件截面和自重的作用 但混凝土强度等级超过 C60 后 材料脆性以及延性降低问题明显突出 应用在超 高层建筑中应给予限制 经过专家审议 本工程所采 用的混凝土强度等级 考虑延性要求 对于核心筒剪 力墙不应超过 C60 巨型混凝土柱不应高于 C70 4 最小初始剪重比的控制和地震作用的调整 问题等 高柔建筑按照现行抗震规范要求 初始剪重 比一般难以满足要求 如何合理确定或限定最小地震 作用 保证结构安全是一个重要课题 经专家审议 初始剪重比不能小于规范限值的 85 结构的内力和 变形均需要根据规范最小剪重比要求进行相应放大 调整 建筑结构 抗震性能目标的选择和制定方面 有何特色 刘鹏 抗震性能目标是结构初步设计和专家审查 需要确定的一项重要内容 从子系统的性能目标 如 框架体系分担剪力 到构件的性能目标 根据其受力 特点 重要性等方面具体设定 就天津高银 117 大厦 而言 由于巨型框架体系构件数目较少 而且重力在 每个区均形成了转换 专家对构件均提出了中震或大 震下的性能要求 由于基于弹塑性分析的性能化设计 方法仍未完全成熟和被广泛接受 目前基本上是在近 似弹性分析结果的基础上进行构件的性能化设计 而 使用弹塑性分析进行大震下整体结构性能的复核 建筑结构 超长自振周期反应谱的问题是近 年来超高层建筑结构计算分析中一个基础性的必须 解答的问题 本工程作为典型的长周期结构 是如何 考虑和确定的 刘鹏 限于客观条件等因素 在现行规范框架下 加速度反应谱和两阶段时程分析仍然是超长自振周 期超高层建筑抗震分析的基本手段 本工程自振周期 达 9s 而加速度反应谱在 6s 后的超长周期段没有明 确规定 根据超限专家意见 本工程将规范第二衰减 段沿同一斜率从6s延伸至10s并进行相应计算分析研 究 而实际上 超高层建筑反应谱分析所得的底部剪 力往往不能满足规范最小剪重比的要求 因而对初始 剪重比的控制便成为了该类工程最核心和处理难度 最大的问题 为满足要求 除了努力降低结构自重 增加构件截面或配钢率等一般手段外 需要通过调整 优化结构自身抗侧体系和构件布置的方式来实现 而 天津高银 117 塔楼在初步设计阶段 从优化体系 降 低自重等方面均采取了很多实质手段 满足了各项要 求 得到了专家组的认可 建筑结构 由于本工程结构体系的复杂性 弹塑性分析的工作量相当巨大 起到对结构体系方案 可行性的验证和揭示结构体系薄弱部位的重要作用 请谈谈该方面的设计成果 来自第三方的弹塑性分 析验证工作起到了哪些补充作用 刘鹏 弹塑性分析是我司初步结构设计的重要内 容 数值分析采用了 LS DYNA 软件 主要关注了整 体结构响应 如位移 关键构件性能 如巨柱 巨 10 特别访谈 Building Structure 撑 剪力墙 楼板等及其材料的应力 应变 以及结 构薄弱部位等 通过弹塑性分析 进一步验证了结构 整体指标以及在相应地震水准条件下构件的性能目 标 此外在设计分析过程中 也暴露了一些在弹性分 析过程中无法发现的相对薄弱部位 并采取了针对性 的加强措施 例如 由于结构顶部巨型支撑收停 其上楼层由 于内外筒刚度分配的显著变化 高阶振型的鞭梢效应 对内筒钢筋混凝土剪力墙的不利作用更为明显 核心 筒分配内力突然增大 构件剪切破坏严重 层位移显 著增大 显示出了明显的薄弱部位 虽然在弹性分析 过程中亦采取了诸如增加型钢暗柱和配筋率等的加 强措施 但弹塑性补充分析的结果让我们下定决心采 取了在墙体内部增设钢板 形成了组合钢板剪力墙结 构 分析表明 结构性能得到了显著的改善 由于结构超高 本工程进行了第三方弹塑性分析 和相应的比对研究工作 该工作由容柏生事务所完 成 期间和我司设计团队进行了密切的沟通 双方主 要分析结果总体比较接近 找到了相似的薄弱部位 为我们弹性分析工作提供了。