多塔与连体高层结构设计与施工1005.ppt

多塔与连体高层结构设计与施工 湖南大学沈蒲生 1 一 基本知识 1 多塔结构 在一个不设永久性变形缝的底盘上 设置两个或两个以上塔楼的结构 称为多塔结构 因此 多塔结构的组成为 一个大底盘 两个或两个以上的塔楼 1 多塔结构的组成 2 纽约世界贸易中心大楼 3 萨拉热窝多功能摩天楼 深圳国企大厦 4 迪拜风中烛焰 2 多塔结构的分类按塔楼数量分类 可分为双塔 三塔 四塔等 其中以双塔结构使用最多 按结构布置分类 双轴对称多塔结构 单轴对称多塔结构 不对称多塔结构 5 6 双轴对称单轴对称不对称 3 工程应用纽约世界贸易中心 110层 417m 双塔 大连期货大厦 53层 241m 双塔 厦门东方时代广场 32层 99 9m 3塔 杭州国际时代广场 30层 156 2m 4塔 深圳福田商城 39层 139m 5塔 更多实例见表1 1 7 4 受力特点在荷载和地震作用下 任何一部分的内力和变形都与其它部分有关 结构的内力与变形取决于下列因素 塔楼的结构形式 塔楼的对称性 塔楼刚度与底盘刚度之比 塔楼的间距 8 2 连体结构 1 连体结构的组成 两个或两个以上的塔楼 一个或一个以上的连接体 连体结构可以有底盘 也可以没有底盘 9 吉隆坡彼得纳斯大厦 10 厦门东方时代广场 湖南省广播电视中心 11 中央电视台新楼 北京当代MOMA工程 12 2 连体结构的分类按塔楼数量分类 可分为双塔连体 三塔连体 四塔连体等 其中以双塔连体结构使用最多 按结构布置分类 双轴对称多塔结构 单轴对称多塔结构 不对称多塔结构 13 3 工程应用吉隆坡双子塔 88层 452m 最高连体 中央电视台新楼 51层 234m 斜塔悬连 北京当代MOMA工程 21层 66m 9塔连体 杭州市民中心大厦 26层 110m 6塔连体 青岛海尔时空飞碟 100m 主塔倾斜80度 更多工程实例见表1 2 14 4 受力特点比连体结构更加复杂 影响因素有 塔楼的结构形式 塔楼的对称性 塔楼的间距 连接体的数量 刚度和位置 连接体与塔楼的连接方式 有底盘时 底盘层数 高度及楼面刚度 竖向地震作用及风荷载的影响等 15 二 多塔高层结构的动力特性及地震响应分析 1 分析模型 16 串并联质点系层模型 串并联质点系层模型 17 考虑底盘变形的串并联刚片系层模型 分段连续化串并联组模型 此外 还有应用最为广泛的三维空间动力分析模型 2 振动方程对于多自由度体系 无阻尼自由振动方程的基本形式为 18 3 双轴对称双塔结构特点 有五种基本振型 19 对称双塔结构的五种基本振型 在水平地震作用下 三种基本振型xL xL L L yL 的振型参与系数为零 即对内力和位移没有影响 与单塔结构的受力性能相近 以上结论对对称多塔结构具有适应性 20 例1 与单塔结构比较例题 21 平面图 底盘平面长115 2m 宽57 6m 塔楼平面轴线长28 8m 宽28 8m 22 正立面图 总共30层 裙房5层 设防烈度为7度 阻尼比0 05 二类场地土 其它条件见例3 3 23 单塔结构平面图与立面图 1 振型比较 24 单塔结构前12阶振型 双轴对称双塔结构前12阶振型 2 周期比较 25 3 内力比较 26 单塔结构各楼层地震力 对称双塔结构各楼层地震力 27 单塔各楼层剪力 对称双塔各楼层剪力 单塔各楼层弯矩 对称双塔各楼层弯矩 4 位移比较 28 单塔各楼层位移 对称双塔各楼层弯矩 通过上述比较可见 双轴对称双塔结构的受力性能与相应的单塔结构相似 例2 影响因素分析例题 1 塔楼间距影响 29 计算了以下四种情况 30 由表可见 塔楼间距对结构受力性能影响很小 2 底盘高度影响 31 对自振周期的影响 对顶层地震反应力的影响 32 对底盘顶层地震力的影响 对底盘底层剪力的影响 33 对塔楼顶部位移的影响 对最大层间位移的影响 上述比较表明 底盘高度对结构受力性能有较大影响 3 底盘刚度影响 34 为了考查底盘刚度对结构性能的影响 在底盘中增加少量的剪力墙 结果如下表 由表可见 底盘刚度对结构性能有较大影响 4 不对称双塔结构 例3 左 右塔楼高度不等时的算例 35 立面图 左塔逐渐由30层降至15层 右塔逐渐由0层增加至15层 每次变化一层 其它情况见例3 6 36 左 右塔楼高度不同时底盘顶层地震力的变化 左 右塔楼高度不同时底盘底部剪力的变化 水平坐标表示右塔楼高度与左塔搂高度之比 三 连体高层结构的动力特性及地震响应分析 1 分析模型 37 串并联质点系层模型 38 串并联刚片系层模型 39 考虑底盘和连接体变形的串并联刚片系层模型 40 质量集中于节点系模型 41 分段连续化的串联模型 2 振动方程对于多自由度体系 无阻尼自由振动方程的基本形式为 42 3 双轴对称连体结构 例4 与单塔结构比较算例 43 44 1 位移比较 45 地震作用下x方向最大位移 地震作用下y方向最大位移 2 内力比较 46 地震作用下楼层剪力 地震作用下楼层弯矩 3 振型比较 47 单塔结构振型 双轴对称双塔结构振型 4 周期和振型方向比较 48 单塔结构周期和振型 双向对称双塔连体结构周期和振型 由上表可见 双向对称双塔连体结构的扭转效应增大 3 非对称连体结构 49 例5 非对称双塔连体结构性能算例 左塔楼为框架 核心筒结构 右塔楼为纯框架结构 30层 顶部采用桁架做连接体 其它条件见例4 5 50 地震作用下x方向最大位移 地震作用下y方向最大位移 51 地震作用下楼层剪力 地震作用下楼层弯矩 52 刚度对称双塔振型 刚度不对称双塔振型 四 连接体及其对结构性能的影响 1 连接体的分类 53 1 按连接体的结构形式分类 普通桁架式连接体 空腹桁架式连接体 旋臂式连接体 吊梁 托梁式连接体 2 按连接体与塔楼的连接方式分类连接体与塔楼必须具有可靠连接 54 55 刚性连接 铰接连接 56 滑动连接限位装置 57 橡胶垫支座 带阻尼器的橡胶垫支座 3 按连接体与塔楼的相对刚度分类可分为 强连接 弱连接 4 按连接体的跨度分类可分为 大跨度连接体 小跨度连接体 5 按连接体的位置分类可分为 高位连接 中位连接 低位连接 58 2 连接体位置对结构受力性能的影响 59 例6 连接体位置对结构受理力性能影响例题 某塔楼左塔45层 右塔30层 底盘4层 连接体按下列四种情况布置 情况1 连接体布置在矮塔1 4处 第9 10层 情况2 连接体布置在矮塔1 2处 第16 17层 情况3 连接体布置在矮塔3 4处 第23 24层 情况4 连接体布置在矮塔顶部 第29 30层 60 前18阶周期 1 周期 振型对比 61 连接体位置对周期的影响 连接体位置对Tt T1的影响 62 63 64 2 位移比较 65 66 3 内力比较 3 连接体数量对结构受力性能的影响 67 正立面图 例7 连接体数量影响例题 左塔45层 右塔30层 裙房4层 连接体情况如下 情况1 无连接体 情况2 矮塔顶设一道 情况3 矮塔顶 1 2处 共两道 情况4 矮塔顶 3 4 1 2处 共三道 情况5 矮塔顶 3 4 1 2 1 4处 共四道 其它条件见例5 17 68 各算例前18阶周期 1 周期对比 69 X方向最大位移 Y方向最大位移 2 位移对比 70 X方向层间最大位移角 y方向层间最大位移角 71 X方向楼层最大剪力 y方向楼层最大剪力 3 内力对比 72 楼层扭矩 塔顶扭转角 4 连接体与塔楼连接方式对结构受力性能的影响 73 塔楼平面 裙房平面 例8 连接体与塔楼连接方式比较例题 5 对称双塔结构 28层 裙房5层 三种连接方式 1 两端刚接 2 两端铰接 3 左端铰接 右端刚接 其它条件见例5 19 74 五 工程实例 实例1 长沙市S住宅小区大底盘6塔高层结构设计复核 塔楼平面布置及墙柱平面布置示意 75 1 概述 原设计的主要问题 1 高宽比超限 未设地下室 基础埋设深度不符合要求 结构在大震下是否会发生倾覆和失稳 2 按单塔结构计算 与按多塔计算差别有多大 3 只用一个软件计算 不符合规范要求 76 2 对原初步设计计算复核 表1 1塔W8 1按Midas与Satwe计算的周期对比分析 77 续前表 78 表1 6单塔Midas与Satwe结构总质量对比分析 79 表1 7单塔Midas与Satwe风荷载下底部剪力对比分析 80 表1 8单塔Midas与Satwe地震下底部剪力对比分析 81 表1 9单塔Midas与Satwe顶点位移对比分析 82 表1 10单塔Midas与Satwe层间位移角对比分析 83 由表1可见 1 按SATWE的计算结果与按MIDAS的计算结果相近 证明两个程序计算的结果均可信 其中 按SATWE计算的各振型的周期比按MIDAS计算的略长 变形略大 扭转振型出现略晚 顶点位移偏小 底部剪力偏小 按MIDAS计算时 塔楼W8 6的第2振型便为扭转振型 2 塔楼W8 6有33层 宽度较小 高宽比大 在风荷载的作用下 横向的整体刚度较弱 抗扭刚度也较弱 宜采取加强措施 84 3 用MIDAS软件按单塔与按多塔计算结果的比较 我们采用MIDAS软件不但进行了各塔楼的单塔分析 而且进行了多塔分析 按单塔与按多塔地震作用下的分析结果对比见表2 2 85 表2 2单塔与整体地震剪力对比分析 86 表2 3按单塔与按多塔第2层地震弯矩对比分析 87 表2 4按单塔与按多塔地震下顶点位移对比分析 88 按多塔结构计算时的整体周期结果 89 第1振型Y向平动第2振型Y向平动 第3振型X向平动第4振型扭转 90 第5振型X向平动第6振型X向平动 第7振型X向平动第8振型Y向平动 91 第9振型Y向平动第10振型Y向平动 第11振型X向平动第12振型X向平动 92 由表2可见 1 按整体分析的底盘底部和第2层底部的地震剪力比按单塔分析的略大 2 从结构Z向扭转因子看出整体分析第一扭转主振型的出现比单塔计算时要滞后 但第1振型下塔楼W8 6的变形较大 第2振型下塔楼W8 3的变形较大 第4振型为扭转振型 塔楼W8 6的反应很大 3 按整体分析时 塔楼W8 2沿X方向 塔楼W8 3与W8 5沿Y方向的最大层间位移角较大 宜采取措施加强 93 4 关于结构的稳定性问题 本工程各塔楼的高宽比很大 需对稳定性进行复核 高规 中有关结构稳定性是通过刚重比控制 对于剪力墙结构 当刚重比小于1 4时 结构失稳 当刚重比为1 4 2 7时 要考虑二阶效应 当刚重比大于2 7时 结构稳定 原设计采用SATWE程序计算得到各塔的刚重比均在4以上 表明结构不会丧失稳定 我们采用MIDAS软件计算的结构稳定性如表3 由表3可见 各塔楼均稳定 94 W8 6 塔SHEARWALLSTRUCTURESTABILITYCHECKRESULT Unit m kN EJd LateralStiffnessofStructure H HeightofStructure SigGi Summationof 1 2 DeadLoad 1 4 LiveLoad frombasetoroofstory P DeltaCheck if EJd 2 7 H 2 SigGi then NotRequired StructureCheck if EJd 1 4 H 2 SigGi then Stable 表3塔楼W8 6稳定计算结果 95 5 关于结构的抗倾覆问题 本工程的基础埋置深度很浅 只有1 2m 1 8m 需对抗倾覆问题进行复核 我国结构抗震设计的原则是 小震不裂 中震可修 大震不倒 我们对各塔在大震下的抗倾覆问题进行了计算 96 各塔楼抗倾覆验算结果 由上面的计算可见 塔楼W8 1A W8 1B W8 2和W8 6四个塔楼在罕遇地震 即大震 下存在抗倾覆问题 不安全 需要采取适当措施 97 6 关于桩的抗剪与桩顶水平变形问题 表4风荷载和地震荷载作用下各塔楼桩的平均剪力单位 kN 98 根据单桩水平静载报告 其水平极限承载力为250kN 位移10mm对应的荷载为190kN 据此类推 水平剪力为38 33kN时的水平位移为2mm左右 因此 本桩在水平荷载下的承载力和水平位移均可靠 99 7 几点建议 1 各塔楼的刚度 特别是塔楼W8 6的刚度偏弱 可通过加长剪力墙或加厚剪力墙等措施加强 2 为加强结构的整体性 各层平面开口处的边缘均应采用刚度较大的拉梁拉结 3 塔楼W8 1A W8 1B W8 2 W8 6在罕遇地震下底部将出现拉应力 不满足抗震规范和高规有关抗倾覆的要求 需采取设地下室或设置较宽的刚性底座加锚杆等措施加强 100 实例2 中央电视台新主楼工程 66 101 CCTV主楼由塔1 塔2 裙房及基座组成 地下3层 塔1 塔2分别为51层和44层 建筑面积40万平方米 塔1 塔2均呈60倾斜 在37层部分用14层高的L形悬臂结构连为一体 屋面高度 m 最大悬挑长度 m 102 新CCTV主楼结构分区示意图 103 塔楼1典型结构平面图 104 外筒典型结构单元 主楼采用钢支撑