南京绿地紫峰大厦结构合理布置分析

南京绿地紫峰大厦结构合理布置分析 徐强 皖西学院 建筑与土木工程学院 土木 1206 班级 学号 2012011081 摘要 随着国民经济的快速发展 人民生活水平的不断提高 高层建筑的结构体系是高层结构是否合 理 经济的关键 随着建筑高度和功能的发展需要而不断发展变化 在选型时 既要选择合理的结构型式 承受荷载 从总体上协调各部分受力 又要进行技术经济指标比较 研究分析影响造价的因素 寻求综合 经济效果最佳的方案 关键词 高层建筑 结构设计 合理布置 紫峰大厦 中图分类号 TU318 NanjingNanjing greengreen purplepurple peakpeak towertower structurestructure reasonablereasonable decoratedecorate Xuqiang West Anhui University Civil engineering of Civil Engineering College 1206 class student number 2012011081 Abstract with the rapid development of national economy The continuous improvement of people s living standards High rise building structure system is the key to high rise structure is reasonable economic with the development of building height and functional needs and evolving changes In the selection should select reasonable structure under load from the overall coordination of all parts of stress and technical and economic index comparison research analysis the influencing factors of cost seeking comprehensive economic effect is the best solution Key words high rise buildings Structure design Reasonable arrangement The purple peak tower 随着高层建筑高度 规模 投资与复杂性等逐步增大 选结构类型所面临的问题及 其所处环境 需要考虑解决的困难及所用的知识日趋复杂 结构选型的难度与重要性增大 时间增长 耗费的人力 财力 物力增加 高层建筑结构体系的选型通常要遵循一定的原 则 它不仅要考虑建筑设计 结构设计 建筑施工的要求 而且要从建筑设备安装 结构 选材方面进行考虑 最后还需要考虑各种结构体系的综合经济指标 选型不当带来的后果 严重且难以修复 选型风险增大 传统的结构选型设计思想与方法将面临新的困难和挑战 因此 现代高层建筑发展给结构选型是否合理变得十分重要 重新认识结构选型设计问题 的本质于规律 进一步明确结构选型的必要性与复杂性特征 即是现代高层建筑设计的要 求 也是全面认识结构选型问题的需要 1 结构布置的原则 1 1 全面考虑的原则 结构设计时 首先要对其所涉及的各个方面作全面考虑 它包括建筑 结构和施 工方面的考虑 使用 功能 美观 技术和经济方面的考虑 以及整体 局部和它们之间 关系方面的考虑 1 2 实际出发原则 结构设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题 例如认真考虑当地固有的自然 条件 当地历史形成的人文条件 当地当时的资源条件 当时当地的地址情况等 1 3 减轻自重原则 结构所承受的荷载就是两种 竖向荷载和横向荷载 竖向荷载 85 以上是建筑物自 重 水平荷载中的地震荷载与建筑物的自重直接相关 所以减轻自重是一条重要的结构设 计原则 1 4 合理受力原则 1 从受力和变形看 均匀受力比集中受力好 多跨连续比单跨简支好 空间作用比 平面作用好 刚性连接比铰连接好 超静定的受力体系比静定的受力体系好 传力简捷比 传力曲折好 要避免不明确的受力状态 2 从受力和变形分析看 要尽可能利用结构的对称性 刚度的相对性 变形的连续 性和协调性 既要分析各部分构件的直接受力状态 也要分析整体结构的宏观受力状态 3 从抗力和材料看 要尽可能选用以轴向应力为主的受力状态 尽可能增加构件和 结构截面惯性矩和抗弯刚度 抗剪切能力和抗减刚度 并合理地选用材料和组织构件的截 面 4 从结构构件自身看 混凝土构件要避免剪切破坏先于弯曲破坏 混凝土压溃先于 钢筋屈服 钢筋与混凝土的黏结破坏先于构件自身破坏 以避免造成脆性失效 1 5 优化选型原则 1 优化结构体系 优化结构体系的前提是掌握各类基本构件的特征 根据环境 使 用 建筑和荷载实况优化选择合适的基本构件 确定它们间的联系 形成基本结构单元和 它的支撑做法 2 优化结构布置 在满足使用要求和建筑意向前提下 优化布置楼层盖水平系统 柱墙竖向支撑系统和基础系统 3 合理构造做法 重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致 结构的理论构造要 求和施工的实际构造做法相一致 2 工程概况 南京国资绿地紫峰大厦座落于南京市鼓楼区 与鼓楼大厦相邻 地块红线面积约为 18722m2 紫峰大厦屋顶高度 381m 天线顶尖高度 450m 是一幢地下 4 层 地上 70 层的办公 及酒店双用建筑 还包括一个 7 层的裙房和一个 24 层的办公副楼 建成后将成为南京的地标 建筑和江苏省第一高楼 紫峰大厦地下室为车库及设备用房 主楼的层 1 9 和裙房为商业 影院及会议中心用房 主楼的层 11 34 为办公空间 主楼的层 36 64 为酒店用房 包括地 下室的建筑总面积约为 261000m2 该建筑结构安全等级为一级 地基基础设计等级为甲级 结 构抗震设防烈度为 7 度 设计地震分组为第一组 建筑场地类别属 类 基本风压取 0 45kN m2 图 1 结构平面布置 图 2 伸臂及带状桁架布置 3 结构设计 3 1 结构体系 紫峰大厦采用了带有加强层的框架核心筒混合结构体系 采用型钢混凝土柱 钢梁和 钢筋混凝土核心筒 在层 10 35 60 处共设置了三个加强层 核心筒位 于结构三角形平面的 中心位置 见图 1 其面积大约占整个结构平面面积的 27 剪力墙厚度在 1500mm 到 400mm 范 围内变化 各片剪力墙通过连梁连接构成一个封闭的筒体 为结构提供了大部分的抗侧刚度 和抗扭刚度 见图 2 型钢混凝土组合柱的直径在 1750mm 到 900mm 范围内变化 外围抗弯 钢梁一般为 W600 180 10 16 在每个加强层处放置了高 8 4m 的伸臂桁架把周边型钢混 凝土柱与核心筒连接在一起 并且配合伸臂桁架还设置了周边带状桁架 把周边型钢混凝土 柱连接在一起 从而使柱子受力更加均匀 外伸桁架与带状桁架的设置显著增强了结构的抗 侧移能力 周边的型钢混凝土柱与周边钢梁刚性连接 构成抗弯矩框架 形成了主楼的第二 道抗侧力体系 从基础底面到层 22 的高度范围内 核心筒外围剪力墙厚度一般为 1m 核心 筒三角形顶部剪力墙厚度一般为 1 2m 最顶部的一片剪力墙厚度为 1 5m 从层 23 到层 60 高 度范围内 核心筒外围剪力墙厚度一般为 0 8m 核心筒三角形顶部剪力墙厚度一般为 110m 最 顶部的一片剪力墙厚度为 1 2m 在层 36 处 核心筒三角形底边内收一格减小 在层 61 以 上 核心筒外围剪力墙厚度一般为 0 4m 核心筒三角形顶部剪力墙厚度为 0 6m 紫峰大厦 的重力荷载抗力结构体系是钢筋混凝土核心筒支承筒内的钢筋混凝土楼板 外围组合柱 抗 弯钢梁 核心筒剪力墙和钢混组合梁支承着压型钢板混凝土组合楼板 3 2 框架 核心筒混合结构体系 框架 核心筒结构是利用楼梯建筑内的电梯井道 通风井 公共卫生间等构建中央核 心筒 同时采用外围框架形成框架核心筒结构 这一结构形式有利于结构的受力 以此提 高了楼体结构的抗震性 受力特点类似于框架 剪力墙 框架 核心筒结构是目前国际超高 层建筑中采用的主流结构形式 而且该结构还能够提高楼体内部的空间 提高空间利用率 框架 核心筒结构的应用利用了核心筒的抗侧向刚度以提高楼体的抗震性能 框架结构更多 的承担竖向荷载与少部分水平荷载 框架 核心筒的结构优势在现代超限高层设计中有着重 要的应用 这一结构能够利用自身优势在楼层增加的过程中减少框架水平荷载的承担比重 实现建筑使用面积的增加 提高城市土地利用率 提高建筑工程建设投资效益 框架 核心 筒结构的优势使得其在现代超限高层建筑中有着极为重要的应用 是目前超高层建筑设计 的主流结构形式 4 安全性方面 4 1 荷载和地震作用 结构承受重力荷载 风荷载和地震作用 加拿大 RWDI 工程顾问公司进行了紫峰大厦的 风洞试验工作 风洞试验按照每 15 一个方向施加风荷载 得到最不利风向角为垂直于结构 平面三角形腰的方向 根据场地地震安全性评价报告 场地特征周期取为 0 36s 代替规范 的 0 35s 地震影响系数最大值取为 0 12 阻尼比为 0 05 时 代替规范的 0 08 主楼结构 抗震等级为特一级 抗侧力结构按照小震进行设计 特一级构件内力放大 并且进行中震弹 性的复核 不考虑构件内力放大 核心筒的抗剪强度和伸臂桁架及周边带状桁架的强度要进 行大震作用下的校核 小震作用下的地震作用参数按照安全评估报告选取 中震和大震作用 下的参数按照规范选取 大震作用下结构计算时使用荷载标准值和材料强度标准值 层间 位移角还是采用小震作用下的结果来满足规范要求 4 2 风荷载和地震作用下结果 风荷载和地震 作用下结构的侧向 力计算是结构设计 中的重要内容 图 3 4 分别为风荷载 和小震作用下紫峰 大厦的 x 向楼层剪 力和倾覆弯矩沿高度的分布 可以看 出 风荷载作用下 图 3 风和小震下剪力分布 图 4 风和小震下倾覆弯矩分布 一般楼层的剪力略大于小震作用下的结果 中震作用下地震影响系数按照规范取值为 0 225 小震的地震影响系数根据工程的安全评估报告取为 0 12 中震地震影响系数是安全 评估小震的 1 875 倍 大震作用下地震影响系数按照规范取为 0 50 是安全评估报告中小震 的 4 17 倍 因为结构是弹性多自由度体系 所以在小震 中震和大震作用下 结构的楼层剪 力反应比值大约也是 1 1 875 4 17 由于紫峰大厦抗侧力构件要按照中震弹性设计 因 此一般情况下结构构件的设计由中震控制 4 3 钢结构外伸臂桁架与带状桁架的设置 为了尽量减少建筑在风及地震作用下的位移 在整个建筑高度内 利用建筑设备层在层 10 层 35 层 60 处设置了 3 组高 8 4m 的钢结构外伸臂桁架与带状桁架 将周边的组合柱与内部 的钢筋混凝土核心筒连接 伸臂与带状桁架的杆件断面尺寸较大 结构在风荷载作用下的顶 点水平位移减小了 33 除了控制变形及位移 外伸桁架也减少了核心筒所受的荷载 导致 墙的尺寸减少 减小了建筑体量及地震作用 另一方面 外伸和带状桁架的设置也导致加强 层附近的内力突变 为此 约束边缘构件将被用于外伸桁架层及其上下一层的核心筒剪力墙 外伸和带状桁架弦杆所在楼层的楼板加厚 配筋加强 加强层及附近楼层的组合柱 剪力墙 钢梁也按照内力组合的最不利结果进行设计 4 4 转换柱的设置 图 5 层 36 37 结构平面墙 柱布置 图 6 轴 TG 上转换柱及其支承结构 在紫峰大厦的层 36 之上 结构立面收进 存在于三角形平面底边和相邻处的七根柱子 C80 C96 C101 C109 C111 C113 C107 不再向上延伸 见图 5 从层 36 处的三角形核心筒底边 剪力墙和该剖面伸臂桁架向上伸出五根型钢混凝土柱 作为新的三角形结构平面的底边 见 图 6 核心筒剪力墙也向内退进一格 形成新的缩小的核心筒 立于伸臂桁架上的从层 36 起 向上延伸的两根型钢混凝土组合柱成为转换柱 在转换柱下的外伸桁架中设置了交叉支撑 并将其连接到下面的核心筒 为了减小交叉支撑的应力水平 在交叉支撑的外面包围设置了 钢筋混凝土 对外包钢筋混凝土与主核心筒墙的连接进行了大震作用下抗剪强度的验算 搭 接部位的外包钢筋混凝土斜裂缝最大值为 0 146mm 小于限值 0 3mm 大震作用下验算时采 用了荷载标准值和材料强度标准值 不使用内力放大系数 为了增加转换柱底端在弱轴方 向的连接 所有转换柱内型钢经过外伸桁架延伸至层 35 的下弦杆处 并且层 35 及 36 的结构 梁板在每个转换柱的位置都有梁与外伸桁架弦杆的弱轴刚接 梁端的钢筋接头器被焊接在 节点板与外伸桁架弦杆上 使厚 275mm 的楼板及梁内的钢筋能直接与外伸桁架的弱轴连接 4 5 竖向变形差异问题 紫峰大厦作为超高层结构 核心筒剪力墙和周边组合柱存在着竖向变形差异 研究表 明 核心筒和组合柱的最大竖向变形差大约为 12mm 发生在结构中部偏上高度部位 为了避 免竖向变形差导致在伸臂桁架中产生过大的内力