Midas-building在超高层建筑结构设计中的应用

1、2012.03.12中信建筑设计研究总院有限公司Midas building在超高层建筑结构设计中的应用目录一、北京中信大厦项目概况二、Midas building在结构选型中的应用三、基于Midas building的波谱分析及地震波的选择四、利用Midas building对结构构件的优化分析五、Midas building在其它工程中的应用六、结语世界著名中央商务区一、北京中信大厦项目概况一、北京中信大厦项目概况一、北京中信大厦项目概况 Z15地块项目位于北京CBD核心区，东至金和东路，南至景辉街，西至金和路，北至规划绿地，占地面积1.1478公顷，集甲级写字楼、会议、顶级酒店、服务式公

2、寓、商业、观光等功能于一体。项目建设单位为中国中信集团公司，项目建成后中信集团总部将携中信银行总部入驻，同时将吸引国际金融机构、国际500强企业等公司进驻该项目。一、北京中信大厦项目概况 Z15地块项目建筑高度528米，地下七层，地上108层，将成为北京最高建筑，南观中央公园，北见央视新址，西享北京古城、东望新CBD延伸区，不仅成为新地标建筑，亦完整了北京城市天际线。二、Midas building在结构选型中的应用1.目前结构方案采用建筑方案4B几何尺寸2.嵌固端位于地下一层3.采用安评报告提供的小震反应谱4.场地的特征周期按类考虑，混合结构阻尼比取0.0355.巨柱采用4.2m，采用原始结

3、构方案的定位方法6.斜撑位于巨柱之间连接的直线平面内，与次框架在两个平面结构方案采用的主要技术条件 方案C Z1-Z5区大斜撑+Z6-Z8区密柱 方案D1 全高巨柱方案D2全高巨柱+角部单斜撑 方案E1 Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱 方案E2Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱 二、 Midas building在结构选型中的应用方案C：Z1-Z5大斜撑+Z6-Z8密柱模型结构平面模型轴测图模型正立图方案C：Z1-Z5大斜撑+Z6-Z8密柱（MIDAS计算结果）巨型斜撑巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x

4、900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200 x4200墙厚含钢率外框剪力分配比例层间位移角（双向地震）ABC3003004%7.17%1/5104005004%3.27%1/5244005004%13.02%1/5534006004%55.84%1/6714007006%57.58%1/8134007006%54.98%1/9914008006%52.88%1/121270011006%28.44%1/1594方案C：Z1

5、-Z5大斜撑+Z6-Z8密柱MIDAS计算结果ETABS计算结果周期7.415s7.648s总重量7154MN7108MN基底剪力151279kN 143500kN剪重比2.15% 2.0%位移角1/5101/648方案D1：全高巨柱模型正立图模型结构平面模型轴测图方案D1：全高巨柱(MIDAS计算结果)巨型斜撑巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22002700 x27003000 x30003400 x34004000 x40004200 x4200墙厚含钢率外框剪力分配比例层间位移角（双向地震）ABC3003004%3.52%1/5414005004%2.31%1/

6、5404005004%10.59%1/5604006004%14.92%1/6384007006%18.24%1/6654007006%17.83%1/7594008006%15.09%1/108970011006%10.94%1/1256方案D1：全高巨柱MIDAS计算结果ETABS计算结果周期8.100s8.607s总重量7252MN7432MN基底剪力139961kN 143300kN剪重比1.93% 1.9%位移角1/5401/624方案D2：全高巨柱+角部单斜撑模型轴测图模型结构平面模型正立图方案D2：全高巨柱+角部单斜撑(MIDAS计算结果)巨型斜撑巨型柱2200 x2200220

7、0 x22002200 x22002700 x27003000 x30003400 x34004000 x40004200 x4200墙厚含钢率外框剪力分配比例层间位移角（双向地震）ABC3003004%11.5914.47%1/5244005004%16.70%1/5404006004%19.25%16174007006%20.59%1/6414007006%13.86%1/6824008006%15.40%1/105870011006%12.66%1/1223方案D2：全高巨柱+角部单斜撑MIDAS计算结果ETABS计算结果周期8.356s8.553s总重量727

8、5MN7449MN基底剪力141608kN 143900kN剪重比1.97% 1.9%位移角1/5241/605方案E1：Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱模型正立图模型结构平面模型轴测图方案E1：Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS计算结果）巨型斜撑巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200

9、 x4200墙厚含钢率外框剪力分配比例层间位移角（双向地震）ABC3003004%2.40%1/5334005004%3.38%1/5314005004%12.01%1/5494006004%22.07%1/6144007006%67.23%1/7894007006%56.31%1/9984008006%52.90%1/122370011006%28.49%1/1596方案E1： Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱MIDAS计算结果ETABS计算结果周期7.633s7.961s总重量7182MN7122MN基底剪力151898kN 143600kN剪重比2.14% 2.0

10、%位移角1/5311/635方案E2： Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱模型正立图模型结构平面模型轴测图方案E2： Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS计算结果）巨型斜撑巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200 x4200墙厚含钢率外框剪力分配比例层间位移角（双向地震）ABC3003004

11、%2.47%1/5104005004%3.67%1/5084005004%8.02%1/5264006004%48.2%1/5794007006%63.80%1/8124007006%59.73%1/9824008006%60.59%1/124770011006%30.99%1/1633方案E2： Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱MIDAS计算结果ETABS计算结果周期7.586s7.867s总重量7218MN7130MN基底剪力155051kN 143300 kN剪重比2.17%2.0%位移角1/5081/634方案比较项目方案C方案D1方案D2方案E1方案E2周期7

12、.415s8.100s8.356s7.633s7.586s总重量7154MN7252MN7275MN7182MN7218MN基底剪力151279KN139961KN141608KN151898kN155051KN剪重比2.15%1.93%1.97%2.14%2.17%层间位移角1/5101/5401/5241/5311/508方案比较方案C 方案D 方案E1 方案E2各方案的优点和存在的问题一、方案C结构在5区6区存在外框剪力分担突变，且7、8区分担比例较低。二、方案D1结构周期大于8s，剪重比小于2.0%， 7、8区分担比例较低。三、方案D2结构周期大于8s，剪重比小于2.0%，外框剪力分担

13、比例较合理。四、方案E1有过渡层，外框剪力分担变化较均匀， 7、8区分担比例较低。 五、方案E2有过渡层，外框剪力分担变化较均匀， 7、8区分担比例较低。 三、 Midas building的波谱分析及地震波的选择1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析2 地震波的波谱分析及选择 工程场地设计地震动加速度反应谱按下式确定： Amax 为设计地震动峰值加速度，(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱，max为地震影响系数最大值。 1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析小震反应谱曲线比较（3.5%阻尼比）地表（绝对标高38.0）处竖向地震反应谱（50年超越概率63%阻尼比3.5%） 地表（绝对标高38.0

14、）处水平地震反应谱（50年超越概率63%阻尼比3.5%） 1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析 根据地表（绝对标高38.0）处水平地震反应谱（50年超越概率63%阻尼比3.5%）曲线可以看出周期为3秒时规范反应谱与安评反应谱相交，3秒之后规范地震影响系数大于安评震影响系数，9.5秒时在次相交，计算时应充分比较规范反应谱与安评反应谱的计算结果。1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析地表（绝对标高38.0）处水平地震规范反应谱比较（50年超越概率63%）地表（绝对标高38.0）处竖向地震规范反应谱比较（50年超越概率63%）1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析中震反应谱曲线比较（3.5%阻尼比）地表

15、（绝对标高38.0）处竖向地震反应谱（50年超越概率10%阻尼比3.5%） 地表（绝对标高38.0）处水平地震反应谱（50年超越概率10%阻尼比3.5%） 1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析大震反应谱曲线比较（3.5%阻尼比）地表（绝对标高38.0）处竖向地震反应谱（50年超越概率2%阻尼比3.5%） 地表（绝对标高38.0）处水平地震反应谱（50年超越概率2%阻尼比3.5%） 1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析反应谱计算操作界面1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析不同反应谱计算结果的比较规范反应谱安评反应谱采用安评最大系数的规范反应谱周期7.414s7.414s7.414s总重量7108

16、MN7108MN7108MN基底剪力145602kN 151270kN 168521kN剪重比2.08% 2.16% 2.24%1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析1 规范反应谱与安评反应谱的比较分析规范谱与安评谱层剪力曲线比较规范谱与安评谱倾覆弯矩曲线比较 从层剪力曲线中可以看出，根据安评反应谱计算的基底剪力比规范反应谱计算的剪力要大，但15层至90层规范反应谱计算的层剪力要大。 从倾覆弯矩曲线中可以看出，根据规范反应谱计算的倾覆弯矩比安评反应谱计算的倾覆弯矩要大，但75层以上安评反应谱计算的倾覆弯矩要大。 建议计算时应该采用规范反应谱和安评反应谱同时计算，取大值进行设计。 1 规范反应谱与

17、安评反应谱的比较分析2 地震波的波谱分析及选择 正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定。 频谱特性可用地震影响系数曲线表征，依据所处的场地类别和设计地震分组确定，也就是选择的实际地震波所处场地的设计分组(震中距离、震级大小)和场地类别(场地条件)应与要分析的结构物所处场地的相同，简单的说地震波反应谱的特征周期与场地的特征周期Tg值应接近或相同。输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止，有效持续时间取结构基本周期的510倍。 地震波波谱分析操作界面2

18、 地震波的波谱分析及选择A1天然波反应谱和规范安评反应谱比较曲线 A1天然波加速度时程曲线 2 地震波的波谱分析及选择A2天然波加速度时程曲线 A2天然波反应谱和规范安评反应谱比较曲线 2 地震波的波谱分析及选择A9天然波加速度时程曲线 A9天然波反应谱和规范安评反应谱比较曲线 2 地震波的波谱分析及选择天然地震波特征参数 从上表中可知A9天然波特征周期与规范安评场地特征周期相差较大；A1和A2波持时较短； 根据抗震规范时程分析用加速度最大值为70（cm/s2）,三条波基本满足要求。2 地震波的波谱分析及选择 多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数曲线相比，在对于结

19、构主要振型的周期点上相关不大于20% 结构周期对应地震影响系数比较 从上表中可以看出，结构第六周期天然波所对应的地震影响系数平均值与安评相比相差较大。2 地震波的波谱分析及选择 根据建筑抗震规范（GB50011-2010）第5.1.2条规定每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法(CQC法)计算所得结果的65%，同时三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法(CQC法)计算所得结果的80%。2 地震波的波谱分析及选择地震波作用下结构指标比较2 地震波的波谱分析及选择 地震波的波谱分析及选择主要结论： 1 A9天然波特征周期与规范安评场地特征周期相差较大，不合适

20、本场地； 2 A1和A2波持时较短，不合适本结构； 3 根据建筑抗震规范（GB50011-2010）时程分析用地震波加速度最大值为70（cm/s2） ，三条波基本满足要求； 4 多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用的地震影响系数曲线相比，在对于结构主要振型的周期点上相关不大于20%，三条波基本满足要求； 5 根据建筑抗震规范（GB50011-2010）第5.1.2条规定每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法(CQC法)计算所得结果的65%，同时三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法(CQC法)计算所得结果的80%，三条波基本满足要求。 6

21、 建议安评单位提供符合本场地和结构特性的天然和人工三向地震波。2 地震波的波谱分析及选择四、利用Midas building对结构构件优化分析1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析2 斜撑截面变化对结构的影响分析3 巨柱截面变化对结构的影响分析4 E方案顶部取消次框架对结构的影响分析 支撑不跃层示意 支撑跃层示意1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析斜撑与楼面梁相连接斜撑与楼面梁不相连接 斜撑在不同平面内对方案C（Z1-Z5大斜撑+Z6-Z8密柱）的结构影响分析1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析 斜撑在不同平面内对方案E1（Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱

22、过渡+Z6-Z8巨柱）的结构影响分析1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析 斜撑在不同平面内对方案E2（Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱）的结构影响分析1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析 斜撑在不同平面内对结构影响主要结论： 1 大斜撑与框架梁柱连接后，相比斜撑跃层的结构形式周期增加，但基底剪力也增加，剪重比增加。 2 环状桁架是否跃层或者被楼层梁打断对结构影响不大。 1 斜撑与次框架同平面和不同平面对结构的影响分析2 大斜撑截面变化对结构影响分析 C方案大斜撑截面变化的结构指标 从上表可以看出C12方案和C11方案比较，总质量增大，周期减小较多

23、，层间位移角略为增大，剪重比略为增大，框架承担的剪力比例有所提高，大斜撑应力减小，结构较合理 。3 巨柱截面变化对结构影响分析巨柱截面尺寸变化 方案巨柱截面尺寸变化结构指标比较 巨柱截面尺寸变化对结构影响主要结论： 1 各方案巨柱截面变化均能满足规范对柱轴压比的要求；随着柱子截面收进幅度增加，结构刚度减小，结构周期相应增大； 2 方案3和方案4柱子截面尺寸收进较大，在顶层部分楼层的位移角不满足规范要求； 3 综合比较4个方案，方案2采用的截面尺寸既能在减小建筑物重量的情况下，又能满足规范对剪重比和层间位移角等各项指标的要求，建议采用方案2的巨柱载面形式。3 巨柱截面变化对结构影响分析E11方案

24、：（Z1-Z4大斜撑+Z5八字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱）构件截面尺寸说明 角柱尺寸：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2 中柱尺寸： 1.6-1.6-1.6 环状桁架尺寸：1x0.6x0.08 大支撑尺寸：1.6x1.0 x0.08 桁架支撑跃层 内部钢梁尺寸：HN692x300 x13/20 钢梁采用Q420E12方案：去掉6-8区次框架小柱子 E13方案：去掉6-8区次框架小柱子，改梁截面 ，1-5区HN692x300 x13/20；6-8区H1000 x700 x40/50E14方案：去掉6-8区次框架小柱子，改梁截面，6-8区主框架柱钢骨混凝土柱改为箱型

25、截面钢柱 4 E方案顶部取消次框架对结构影响分析各方案结构指标比较4 E方案顶部取消次框架对结构影响分析 E1方案取消次框架结论： 1 E12方案和E11方案比较，总质量略为减小，周期略为增大，层间位移角略为增大，但删除小柱子后内部框架梁抗弯不够，框架承担剪力比例变化不明显。 2 E13方案和E12方案比较，总质量增加较多，周期减小，层间位移角减小，改大钢梁截面后能满足抗弯要求，68区框架承担剪力比例明显提高。 3 E14方案和E13方案比较，总质量减小，周期略为减小，剪重比略为增大，框架承担剪力比例变化不明显。 4 根据计算可以看出E1方案取消顶部次框架柱各项指标均能满足规范要求，此结构方案

26、基本可行。4 E方案顶部取消次框架对结构影响分析4 E方案顶部取消次框架对结构影响分析E21方案： （Z1-Z4大斜撑+Z5人字形巨型斜柱过渡+Z6-Z8巨柱）构件截面尺寸说明 角柱尺寸：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2 中柱尺寸： 1.6-1.6-1.6 腰部桁架尺寸：1x0.6x0.08 大支撑尺寸：1.6x1.0 x0.08 桁架支撑跃层 内部钢梁尺寸：HN692x300 x13/20 钢梁采用Q420E22方案：去掉6-8区次框架小柱子 E23方案：去掉6-8区次框架小柱子，改梁截面 1-5区HN692x300 x13/20；6-8区H1000 x700 x40/50E24方案：去掉6-8区次框架小柱子，改梁截面， 6-8区主框架柱钢骨混凝土柱改为箱型截面钢柱 各方案结构指标比较4 E方案顶部取消次框架对结构影响分析 E2方案取消次框架结论： 1 E22方案和E21方案比较，总质量略为减小，周期略为减小，层间位移角略为增大，但删除小柱子后内部框架梁抗弯不够，框架承担剪力比例变化不明显。 2 E23方案和E22方案比较，总质量略为增加，周期略为减小，层间位移角略为增大，但删除小柱子后内部框架梁抗弯不够，框架承担剪