平安金融中心结构设计.ppt

1,PingAnIFC,平安金融中心,2,1、项目概述2、建筑结构体系发展与演变3、风工程研究4、地震工程5、结构设计6、巨型结构设计7、楼面结构设计8、节点设计讨论,1、项目概述,3,4,PROJECTGOALSCreateatowerformwhichisnotonlyiconic,butintelligentandenvironmentallyresponsible.Minimizetheuseofenergyandmaterialsbydesigninganaerodynamicformandefficientstructure.,PAIFCisapplyingforLEEDGoldstatus.,5,DesignoverviewSitelocation,6,Buildingareaandsectionorganization,7,PodiumroofterracePodiumatrium,8,Typicalofficelayout,9,TopofTowerobservationdeck,10,Towermassing:aerodynamicformtaperedtower,steppedandchamferedcorners,2、建筑结构体系发展与演变,11,KPF投标方案,12,13,室内庭院,结构方案,10层高室内庭院,14,SOM投标方案,15,FOSTER投标方案,16,早期方案,方案报建阶段建筑结构方案,低区建筑平面,高区建筑平面,3、风工程研究,17,平安金融中心风洞试验由RWDI完成,Toassessthewindenvironmentaroundthesiteintermsofsafetyandcomfort评估平安金融中心周围的风舒适性与风安全性Toprovidethewindloadsforstructuraldesign提供结构设计风荷载Toprovidethewindpressuresforcladdingdesign提供幕墙设计风压Toassessthewind-inducedtowermotionsintermsofserviceability评估塔楼风致振动舒适性品质,18,TestMethod试验方法High-FrequencyForceBalanceTechnique(HFFB)高频测力天平技术,19,High-FrequencyForceBalance,SwayFlexure,TorsionFlexure,ForceBalanceModel,BuildingModelinstalledontopofthebalance,TestMethod试验方法FullAeroelasticModelTests气动弹性模型试验,20,Spineandshelltogethertosimulatemassdistribution,Shelltosimulateaerodynamicshape,Metalspinetosimulatestiffness,RecommendedDesignWindSpeeds建议的设计风速,StrengthDesign强度设计62m/s(10-minutemean)at500mreferenceheightfora100-yearreturnperiod.一百年回归期，500米处参考风速为62m/s。ServiceabilityDesign使用阶段品质验算Forcheckingdeflection位移验算58m/s(10-minutemean)at500mreferenceheightfora50-yearreturnperiod(Chinesestandard);or五十年回归期，500米处参考风速为58m/s。（中国标准）Foroccupantscomfort(buildingmotion)居住舒适性验算1-yearreturnperiodspeedforeventsincludingtyphoon,and1to10-yearreturnperiodspeedforeventsexcludingtyphoon.包括台风情况时考虑一年回归期；不包括台风情况时考虑一年至十年回归期。,21,Assumedstructuraldampingratios结构阻尼比假定,StrengthDesign强度设计2.0%and4.0%for100-yearwindsServiceabilityDesign(checkingdeflection)使用阶段品质验算(位移验算)2.0%for50-yearwindswithoutauxiliarydampers(ChineseStandard);ServiceabilityDesign(checkingoccupantscomfortlevel)使用阶段品质验算(居住舒适性验算)1.0%for1to10-yearwindswithoutauxiliarydampers;,22,KeyResults主要结果,SummaryofbaseoverturningmomentsandshearsSummaryofbaseover基底力矩和剪力归纳表,23,Allvaluescalculatedassuming2.0%damping.Allwindspeedsaboveare10-minutemeanvaluesat10mheightinopenterrain(ExposureC).,4、地震工程,工程场地地震安全性评价地震动设计反应谱强震记录和人工模拟地震加速度时程,24,地震动参数,场地地面小震设计地震反应谱场地地面大震设计地震反应谱,25,工程场地50年内阻尼比=0.035时三个概率水平的地面地震影响系数、特征周期T和反应谱衰减指数如下表所示:场地地面加速度峰值:,26,实际强震记录和人工模拟地震加速度时程,基岩和地面的大震、小震共12组记录，所有的记录均取自美国西部强震观测资料,基岩小震记录号为：A011、F087、Y370；基岩大震记录号为：A004、B024、B029；地面小震记录号为：N195、O210、T286；地面大震记录号为：C048、H115、Q233。人工模拟地震加速度时程大震、小震共12组。,27,中国建筑科学研究院工程抗震研究所提供实际强震记录、人工模拟地震加速度时程。小震和大震弹性时程分析与反应谱分析CQC的结构底部总剪力应在同一基础上进行对比。单向输入反应谱和单向输入地震波时程的结果比较，只要求水平主方向满足规范要求，不要求水平次方向也同时满足要求。每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，不大于135%；多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，不大于120%。,28,29,水平方向地震波转化后的场地运动反应谱（主方向），峰值加速度放大至220gal，5%阻尼比,30,水平方向地震波转化后的场地运动反应谱（次方向），峰值加速度放大至220gal，5%阻尼比,31,竖直方向地震波转化后的场地运动反应谱，峰值加速度放大至220gal，5%阻尼比,32,规范反应谱,规范反应谱在6秒以后长周期段为直线下降段。在小震、中震及大震反应谱分析中，所采用的反应谱在6秒以后为直线下降段而不是水平段。设计采用的反应谱应为规范反应谱与安评反应谱的较大值。由于规范反应谱较大，实际采用规范反应谱。,33,5、结构设计,5.1结构体系5.2带状桁架的发展5.3巨型斜撑的发展5.4超限情况及超限高层建筑抗震设防专项审查5.5结构设计原则及相应措施5.6结构抗侧性能分析5.7结构分析主要结果5.8结构构件设计与验算5.9型钢混凝土剪力墙,34,结构体系：带外伸臂的巨型斜撑框架-型钢混凝土筒体,巨型柱斜撑框架：巨型柱、巨型斜撑、七道带状桁架、V形支撑伸臂桁架：四道伸臂桁架筒体：底部钢板混凝土剪力墙、上部型钢混凝土剪力墙,5.1结构体系,35,建筑与结构的和谐共存,5.1结构体系,36,巨型斜撑框架,单层带状桁架,单层带状桁架,单层带状桁架,单层带状桁架,双层带状桁架,双层带状桁架,双层带状桁架,7道带状桁架,5.1结构体系,37,伸臂桁架,二层高伸臂桁架,二层高伸臂桁架,二层高伸臂桁架,二层高伸臂桁架,4道伸臂桁架,5.1结构体系,Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6,Z7,38,型钢筒体,12层以下钢板混凝土剪力墙,13层以上型钢混凝土剪力墙,5.1结构体系,39,=,+,+,5.1结构体系,劲性混凝土核心筒+型混凝土巨柱+钢外伸臂+空间周边双桁架+巨型斜撑+V形支撑,40,5.1结构体系,巨型斜撑框架轴侧图,41,5.1结构体系,重力体系办公层,钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系重力荷载由八根超级型钢混凝土组合柱，钢筋混凝土核心筒和V形支撑传递到底部基础,42,5.1结构体系,设备/避难层,钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系周边桁架转换来自重力柱的荷载到八根巨柱,43,5.1结构体系,44,初步设计时带状桁架为单层带状桁架，上海中心初步设计时也为单层，由于为园形平面存在扭矩，审查时改为空间双层带状桁架。时间：2009.10.14地点：北京建研院抗震所专家提出：巨型桁架应做成空间桁架，形成巨型结构。角部钢梁尽可能也作成空间桁架，与巨型桁架共同形成封闭的环形空间桁架。与专家协调角部桁架进行加宽处理，宽度1500mm做单层带状桁架。北京专家建议在1、3区伸臂层巨柱内侧增加辅助桁架，顶部95、110层增设角部桁架，使带状桁架环通。以上意见对建筑、机电设计影响巨大，TT表示从结构专业考虑，没有必要设置以上桁架，KPF表示机电布置无法协调，也不同意此做法。,5.2带状桁架的发展,45,L48-L50层空间周边带状桁架,5.2带状桁架的发展,46,5.2带状桁架的发展,47,5.2带状桁架的发展,48,平安金融中心初步设计时未设置巨型斜撑，上海中心未设置巨型斜撑，由于上海中心巨柱不断倾斜，其巨型框架承担剪力1大于基地剪力的10%，金融中心由于中部为保持标准层相同，巨柱垂直因为巨型框架承担的剪力较小，专家提出巨型框架承担的剪力要大于10%，为改善巨型框架承担的剪力增加巨型斜撑。时间：2009.12.02地点：北京建研院,5.3巨型斜撑的发展,49,改善巨型结构承担剪力方案,SLOPEDMEGACOLUMN,DIABRACE,X-BRACE,5.3巨型斜撑的发展,50,增加巨型斜撑后，巨型框架承担的剪力相应增加约20%以上。,5.3巨型斜撑的发展,51,平安金融中心审查会,第一次会议时间：2009.08.29地点：北京中国建研院第二次会议时间：2009.10.14地点：北京中国建研院第三次会议时间：2010.02.05地点：北京中国建研院第四次会议时间：2010.03.22地点：北京中国建研院,第一次时间2009.8.29地点北京中国建研院,5.3巨型斜撑的发展,52,超限检查,5.4超限情况及超限高层建筑抗震设防专项审查,53,筒体设计,混凝土强度等级小于等于C60。底部加强区采用钢板混凝土剪力墙、上部型钢混凝土剪力墙。筒体角部及剪力墙相交出全高设置型钢。中震弹性设计。大震受剪弹性。部分连梁设置型钢。轴压比小于等于0.5。,5.5结构设计原则及相应措施,54,巨型柱设计,混凝土强度等级小于等于C70。采用型钢混凝土巨型柱。型钢含钢率大于等于4%。纵筋配筋率大于等于1.2%。箍筋体积配箍率大于等于1.0%。中震弹性设计。轴压比小于等于0.65。,5.5结构设计原则及相应措施,55,伸臂桁架设计,伸臂桁架贯穿筒体。伸臂桁架设计不考虑楼板的贡献。伸臂桁架与筒体连接在主楼施工完成后再连接，释放附加应力。中震不屈服设计。,5.5结构设计原则及相应措施,56,空间带状桁架设计,带状桁架采用空间带状桁架。考虑竖向地震。中震弹性设计。桁架上、下弦杆、腹杆地震作用效应放大1.5倍。杆件应力比小于等于0.85。带状桁架设计不靠虑巨型斜撑的作用。,5.5结构设计原则及相应措施,57,巨型斜撑设计,中震弹性设计。地震作用效应放大1.3倍。杆件应力比小于等于0.85。考虑模拟施工、混凝土收缩、徐变对其的影响。,5.5结构设计原则及相应措施,58,在50年风力作用下，以结构顶点位移为衡量标准每次仅去除抗侧力体系的一个组成部分采用刚性楼盖假定各模型的刚度变化皆为与初始模型相比,5.6结构抗侧性能分析,59,顶点位移,5.6结构抗侧性能分析,抗侧力体系各部分对侧向刚度的贡献,60,5.6结构抗侧性能分析,61,地震作用下结构性能,5.7结构分析主要结果,62,5.7结构分析主要结果,63,5.7结构分析主要结果,64,5.7结构分析主要结果,65,5.7结构分析主要结果,66,剪重比,剪重比不应小于规范规定最小剪力系数的0.85%(1.02)，小于规范规定的楼层不宜过多。,除下部25层以外，结构各层的剪重比基本均大于1.2%。底部剪重比为1.03%，,5.7结构分析主要结果,67,为满足剪重比1.2%的要求，比较10个模型，增大巨柱截面2倍才可满足剪重比1.2%的要求。,5.7结构分析主要结果,根据高规5.4.4条验算整体稳定,结构的刚度满足稳定性要求，需考虑重力二阶效应。,68,整体稳定计算,平安中心塔楼质量系下大上小，大部分质量分布在下部楼层。规范中的刚重比验算公式假设重力荷载是沿塔楼均匀分布的，这一假定不符合平安中心项目的楼层荷载分布。刚重比计算按规范公式乘以修正系数1.28。,5.7结构分析主要结果,69,型钢混凝土巨型柱型钢混凝土筒体关键节点设计,5.8结构构件设计与验算,巨柱截面尺寸及验算：,巨柱最大轴压比为0.65。,70,型钢混凝土巨型柱,5.8结构构件设计与验算,71,5.8结构构件设计与验算,72,5.8结构构件设计与验算,73,5.8结构构件设计与验算,74,5.8结构构件设计与验算,75,5.8结构构件设计与验算,76,5.8结构构件设计与验算,77,5.8结构构件设计与验算,78,5.8结构构件设计与验算,79,型钢混凝土巨型柱柱脚设计,5.8结构构件设计与验算,80,巨型柱是巨型结构中的最关键构件，目前已建与在建的巨型柱有型钢混混凝土与钢管混凝土巨型柱。上海中心、平安金融中心采用的是型钢混凝土巨型柱，天津117、东塔采用的是钢管混凝土巨型柱。平安金融中心对采用何种柱进行了一系列的讨论，对采用何种形式的巨型柱有不同的观点与看法。,5.8结构构件设计与验算,81,5.8结构构件设计与验算,82,型钢混凝土筒体,筒体底部加强区（12层以下）加入3.5%的钢板，墙体最大轴压比为0.49。,5.9型钢混凝土剪力墙,83,筒体钢板剪力墙平面布置图（基础顶面-5层）,5.9型钢混凝土剪力墙,84,钢板剪力墙立图（基础顶面-1层）,5.9型钢混凝土剪力墙,85,5.9型钢混凝土剪力墙,86,5.9型钢混凝土剪力墙,87,5.9型钢混凝土剪力墙,88,5.9型钢混凝土剪力墙,89,5.9型钢混凝土剪力墙,90,5.9型钢混凝土剪力墙,91,5.9型钢混凝土剪力墙,混凝土压应力15.7MPa,型钢Mises应力76.8MPa,钢筋Mises应力72.8MPa,92,5.9型钢混凝土剪力墙,曲线后期具有较好的延性,曲线形状饱满，具有良好的抗震性能,93,6、巨型结构设计,1、采用高强度钢材减少用钢量及工作量2、将厚板螺栓连接改为焊接3、将杆件通过连接板连接改为直接连接4、精细设计减少不必要的杆件,94,95,7、楼面结构优化设计,楼面H型钢次梁截面控制点如上图所示，将H型钢8号控制点对准楼板中心线，然后将H型钢向下偏移60mm（1/2楼板厚度），即得到钢梁与楼板的准确连接情况。从而计算出楼盖的真实刚度，组合楼板-组合梁结构。,96,1、楼面钢梁32种，每种型号钢梁应力比在0.90.98之间。2、楼面钢梁500高的截面共5种。3、楼面钢梁600高的截面共6种。4、楼面钢梁700高的截面共6种。,为了增加楼层的净高，采用了尽量加宽钢梁，而不增加梁高的方法。最大限度的满足了净空的要求。采用组合梁的设计方法，将钢梁的应力比用到了极限，优化23%的楼面钢梁用钢量。,8、节点设计讨论,97,8.1、节点种类a.形式一（垂直板贯通）b.形式二（水平板贯通）c.形式三（铸钢节点）8.2、节点计算分析a.应力分析b.内隔板补充分析,98,形式一（垂直板贯通）形式二（水平板贯通）形式三（铸钢节点）,8.1、节点种类,99,形式一形式二形式三）（垂直板贯通）（水平板贯通）（铸钢节点）,8.1、节点种类,100,形式一（垂直板贯通）,优点：1.巨柱在节点区保持连贯性。,不足：1.对厚钢板的Z向性能要求较高。2.零件数较多，焊接长度较大。,8.1、节点种类,101,形式二（水平板贯通）,优点：1.由于水平板贯通，可改善厚钢板层间撕裂特性。,不足：1.巨柱在横隔板位置需要断开。2.巨柱在横隔板上下拼接精度要求高。,8.1、节点种类,102,形式三（铸钢节点）,优点：1.整体性好。,不足：1.构件自重较大，成本高。,8.1、节点种类,103,应力分析-模型介绍,形式1轴侧图形式2轴侧图,分析模型混凝土部分型钢部分,角桁架,带状桁架,X型支撑,带状桁架节点共有11根主要杆件与巨型柱相连，其中巨型柱为约6525x3200mm大小的异形截面，X支撑为方钢管，其他杆件为工字型截面，钢板厚度65100mm，节点区混凝土材料强度等级C70，钢骨材料强度等级Q390GJC，屈服强度370Mpa,8.2、节点计算分析,104,应力分析-节点选取与建模原则,形式1轴侧图形式2轴侧图,（1）考虑到边界条件、荷载施加等的合理性，取巨柱周边桁架节点类(区域)作为有限元分析对象，按照实际设计真实建模；（2）钢的本构关系为两折线模型，采用实测屈服强度值。混凝土采用弹塑性损伤模型,该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。（3）由于带状桁架及X型支撑各杆件截断了部分巨柱外围钢筋，故偏安全的假设在节点区没有钢筋贡献。钢骨嵌入混凝土中。（4）考虑到节点各部(构)件间等强连接，有限元建模时未考虑焊缝、螺栓等细部构造处理；,8.2、节点计算分析,105,应力分析荷载施加,形式1轴侧图形式2轴侧图,8.2、节点计算分析,各杆件在小震、中震和大震下的内力取自ETABS模型。下表中列出了杆件号以及大震工况对应的内力，各杆件均取对应工况的包络内力值。,106,应力分析分析结果小震型钢,形式1轴侧图形式2轴侧图,8.2、节点计算分析,小震工况下，节点区型钢没有出现屈服。由于巨柱处于双向受弯状态，故在巨柱的一个角点两个方向弯矩均在此产生压力，加上巨柱本身巨大的竖向荷载，所以最高应力发生在巨柱顶部的一个肢上，应力约196N/mm2。节点内隔板应力较小，约为60N/mm2，节点区承载力高于巨柱，能够保证“强节点弱构件”。,107,应力分析分析结果小震混凝土,形式1轴侧图形式2轴侧图,8.2、节点计算分析,除顶部加载区域角点应为应力集中应力较大外，小震作用下混凝土受力较小，核心区混凝土应力约27N/mm2，外围混凝土应力最大约32N/mm2。混凝土筋在外围受压较大侧及与X型支撑有接触的部分存在部分损伤，最大等效塑性应变值0.00034发生在与X支撑相连处。,（Mises应力）（垂直向应力）（混凝土损伤）,108,2.1应力分析分析结果中震型钢,形式1轴侧图形式2轴侧图,中震工况下，节点区型钢没有出现屈服，由于巨柱处于双向受弯状态，故在巨柱的一个角点两个方向弯矩均在此产生压力，加上巨柱本身巨大的竖向荷载，所以最高应力发生在巨柱顶部的一个肢上，应力约311N/mm2。节点内隔板应力较小，约为70N/mm2，节点区承载力高于巨柱，能够保证“强节点弱构件”。