重慶萬豪國際會展大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計

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　　摘要：介紹了重慶萬豪國際會展大廈帶加強(qiáng)層的鋼結(jié)構(gòu)框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系風(fēng)荷載取值，結(jié)構(gòu)布置、抗風(fēng)抗震計算分析，主要抗震措施、節(jié)點構(gòu)造及結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，并對大廈的人體舒適度進(jìn)行了分析，以供同類工程參考。

　　關(guān)鍵詞：超限高層 框架一核心筒鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計 風(fēng)荷載 人體舒適度

　　structure design of Chongqing Marriott International Conference Center Building author： xue shangling1，hu chaohui1， meng yu1，et al. （Institute of Constructional Engineering， CISDI Engineering Co.，LTD.，Chongqing 400013， china）

　　Abstract： The structure design concept of Chongqing Marriott International Conference Center Building，which is framed tube-core steel structure with panting frame， was stated. The wind load on the building and the method of anti-wind analysis was introduced. The layout of structure， the aseismic measures and the joint structural was described. The occupant comfort of the building was calculated. The results can be reference for the similar structure……

　　Keywords： Super high-rise building， framed tube-core steel structure design， wind load， occupant comfort

　　一、工程概況

　　重慶萬豪國際會展大廈地處重慶市鬧市區(qū)，大廈所處地勢北高南低，相差5m.大廈地上69 層（含GF 層），地下5 層，建筑高度303.3m，地下22m，裙房7 層。地下5 層為停車庫和設(shè)備用房以及商業(yè)用房，負(fù)2層與城市輕軌的出入口連為一體，地上7 層裙房為商業(yè)用房，第7 層采用空中通廊與現(xiàn)有萬豪酒店相連，8 至68 層塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面為41×41m，8 至41層為公寓，42 至68 層為辦公樓，頂層設(shè)置直升機(jī)停機(jī)坪。在第7 層、第23 層、第41 層、第54 層、頂層設(shè)置避難層。地下室和裙房層高4.5m－5m，公寓層高3.7m，辦公樓層高3.9m.建筑用地面積9100 ㎡，總建筑面積182893 ㎡，其中地上建筑面積145348 ㎡，地下37545㎡.該大廈周圍有10余棟已建或規(guī)劃的高層或超高層建筑。

　　二、 地基與基礎(chǔ)

　　1.地質(zhì)情況該場地劃分為I 類場地。大廈以巨厚層的中（微）風(fēng)化泥巖為持力層，根據(jù)地勘，泥巖的地基承載力特征值為4.0Mpa，天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為12.4Mpa.后經(jīng)巖質(zhì)地基平板載荷試驗，極限荷載平均值為16.4Mpa，地基承載力特征值為5.2Mpa，該地基是修建高層建筑的理想場地。

　　2.基坑及基礎(chǔ)設(shè)計本工程地下5 層，因地勢北高南低。相差5m，具備完全嵌固條件有4 層22m，大廈埋置深度為房屋高度的1/13.8，滿足抗傾覆能力。塔樓的柱基礎(chǔ)采用擴(kuò)底樁（墩），塔樓內(nèi)筒采用平板式筏形基礎(chǔ)。我們采用美國ANSYS 公司編制的ANSYS 1 Mechanical 有限元分析軟件的SOLID72 單元對塔樓擴(kuò)底樁（墩）和塔樓筒體筏板及地基進(jìn)行了三維計算分析，塔樓擴(kuò)底樁（墩）采用D=4m，擴(kuò)底5.5m，筏板25.8×25.8×4.5m.為筏板基礎(chǔ)配筋提供可參考的數(shù)據(jù)。

　　三、風(fēng)荷載

　　高層超高層建筑中水平風(fēng)荷載計算是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的關(guān)鍵因素，但對于較高的特別是不規(guī)則的超高層建筑，加之建筑物風(fēng)荷載受周圍圍建筑影響較大，需對現(xiàn)行規(guī)范的風(fēng)荷載進(jìn)行核準(zhǔn)，為此，該大廈進(jìn)行了模型風(fēng)洞測壓和氣彈試驗和三維數(shù)值風(fēng)洞模擬，并與規(guī)范取值對比，進(jìn)行合理的風(fēng)荷載設(shè)計。重慶市100 年一遇基本風(fēng)壓為0.45 kN/㎡ 1.模型風(fēng)洞試驗本工程在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心進(jìn)行測壓風(fēng)洞試驗。采用1：250的有機(jī)玻璃模型，周圍500m范圍內(nèi)主要建筑物及環(huán)境采用泡沫塑料切成，模擬C類地貌大氣邊界條件。

　　以模型屋頂高度的氣流風(fēng)壓為參考風(fēng)壓，測壓試驗來流風(fēng)速7.5m/s.本試驗在主體結(jié)構(gòu)各表面布置，沿高度布置在23 個截面，共457 個測壓點，試驗?zāi)M了0o到360o的風(fēng)向角，間隔22.5o，定義模型的正門法向方向為0o，轉(zhuǎn)盤逆時針為正。

　　本風(fēng)洞試驗給出了16個風(fēng)向角下各面各測壓孔的風(fēng)壓系數(shù)。試驗結(jié)果看出：各面正迎風(fēng)面的正壓沿橫向其邊緣處的風(fēng)壓均小于中間處的風(fēng)壓，沿高度方向平穩(wěn)變化，到4/5 高度處（距頂部15-30m）達(dá)到最大值，上部沿高度逐漸減少；背風(fēng)面及兩側(cè)面負(fù)壓較為均勻，沿高度變化較小。由于大廈周圍高層建筑對氣流的影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是周圍高層建筑物高度以下區(qū)域，有放大作用也有減少作用，有時甚至?xí)霈F(xiàn)壓力系數(shù)反號。當(dāng)風(fēng)向角為1350和900時X向、Y向基底總剪力達(dá)到最大值。

　　數(shù)值風(fēng)洞模擬本工程委托同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬。數(shù)值風(fēng)洞模擬與一般實驗室風(fēng)洞類似，需設(shè)置一個風(fēng)洞，風(fēng)洞有入口、出口、地面、壁面，大廈和周圍建筑物數(shù)值模型建立于風(fēng)洞中，數(shù)值模型按原型尺寸（1：1）建模，屬剛性模型。建模、計算和后處理由國際上領(lǐng)先的計算流體動力學(xué)軟件CFX5.5完成。

　　報告提供了16 個風(fēng)向下的各層沿X、Y 向的平均風(fēng)合力及繞Z軸總合力矩，結(jié)果表明X 向基底總剪力最大者為135o風(fēng)向；Y 向基底總剪力最大者為90o；繞Z軸總合力矩最大者為0o.同時給出了各不同風(fēng)向下大廈各表面最大風(fēng)壓等值線分布云圖，為玻璃幕墻設(shè)計提供了依據(jù)。風(fēng)壓等高線圖分布來看，各面正迎風(fēng)面中部絕大部分區(qū)域為正，而由于分離流的原因在邊緣附近小部分區(qū)域為負(fù)壓，背風(fēng)面一般為負(fù)壓且大小比較均勻。

　　風(fēng)荷載比較與取值我們將三種方法得出的正迎風(fēng)面靜風(fēng)荷載和考慮動風(fēng)荷載進(jìn)行對照，見圖3 及圖4.風(fēng)洞試驗表明，在37層以下受周邊建筑的影響，風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規(guī)范值有放大作用，而在37層以上風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載值比規(guī)范值小。按荷載規(guī)范計算的總風(fēng)荷載比風(fēng)洞試驗試驗的風(fēng)荷載大約9％。

　　數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果基本一致，風(fēng)壓沿高度最大值約在建筑物的4/5 高度處；各層風(fēng)荷載規(guī)范計算值最大，數(shù)值模擬值其次，風(fēng)洞試驗值最小。規(guī)范計算的風(fēng)壓最大值在建筑物頂部，規(guī)范計算的頂部風(fēng)荷載偏大且不盡合理，風(fēng)壓合力作用點較高，總風(fēng)荷載較數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗值大， 因而在整體計算時，按規(guī)范計算偏于保守。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗結(jié)果揭示了風(fēng)向角為135o和90o時X 向、Y 向基底總剪力最大，這是現(xiàn)有高層計算軟件不易實現(xiàn)的。從風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)果看，大的負(fù)壓出現(xiàn)在塔樓較低處或建筑物邊緣處，構(gòu)的整體計算雖沒有大的影響，但對玻璃幕墻設(shè)計安全影響很大，應(yīng)引起重視。

　　在總體計算時，分別對0o、90o、135o來風(fēng)進(jìn)行了計算。風(fēng)荷載取值按現(xiàn)行規(guī)范，但建筑物頂部按照模型風(fēng)洞試驗結(jié)果取用，并適當(dāng)考慮了由數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗測出的扭矩。

　　四、上部結(jié)構(gòu)

　　1. 結(jié)構(gòu)方案本工程上部結(jié)構(gòu)共69 層，其中裙房范圍7 層，塔樓總建筑高度303.3m，目前是我國已建和在建鋼結(jié)構(gòu)高層中最高的。高寬比為7.34，屬超限高層。大廈結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬少有的長周期高層建筑。

　　根據(jù)建筑功能、建筑布置、建筑高度的情況，曾考慮過采用兩類結(jié)構(gòu)方案，即全鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能、施工速度、結(jié)構(gòu)自重以及造價綜合比較，本工程塔樓采用了全鋼結(jié)構(gòu)方案，裙房和地下室在塔樓的范圍外，仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

　　塔樓采用了帶加強(qiáng)層的鋼框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系。外框架由鋼柱、梁組成；核心筒由鋼柱、梁組成的鋼框架和鋼支撐組成。利用建筑的設(shè)備－避難層設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的外伸桁臂及腰桁架，組成加強(qiáng)層（4 道）。

　　塔樓7F 以下為裙房、地下室共13 層，采用鋼骨混凝土柱，這主要是為了解決鋼結(jié)構(gòu)塔樓與混凝土裙房能夠連接協(xié)調(diào)，利于節(jié)點構(gòu)造處理，同時充分利用高強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度，減小了鋼骨的斷面．

　　7F 以下為鋼骨柱，鋼筋混凝土截面尺寸為1400x1400 及1500x1500，鋼骨為帶翼緣的十字形斷面；8F 以上為箱形鋼柱，柱斷面尺寸為1200x1200mm 到600x600mm，鋼柱板厚為80mm 到20mm.在內(nèi)筒縱、橫各設(shè)置三道支撐，采用中心支撐及八字形偏心支撐。支撐采用H 鋼，斷面為H400x400x25x30、H400x400x25x40 兩種。

　　鋼梁均為H 形鋼梁。8F 以下外框梁高為700mm，8F 以上外框為滿足建筑凈高的要求，梁高為650mm；為保證結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度，內(nèi)筒的框架梁高均為900mm.次梁與框架主梁采用鉸接，按組合梁計算。為了使角部框架梁的受力均勻，在角部增設(shè)次梁，并且隔層調(diào)換方向。

　　樓板以壓型鋼板作施工模板，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土非組合樓板。

　　抗震及抗風(fēng)設(shè)計

　?。?） 設(shè)計要求依據(jù)文獻(xiàn)[3]，本工程50 年超越概率63％、10％、5％、3％、2％所對應(yīng)的基本烈度值分別為5.2、6.1、6.3、6.4、6.6，按重慶市地震局的批復(fù)，按照50年超越概率3%的設(shè)計地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。由于現(xiàn)有計算程序無法輸入6.4度的地震動參數(shù)，在抗震計算時，取7 度的參數(shù)進(jìn)行計算。

　　（2） 總體設(shè)計

　　1）使用及建筑要求設(shè)置的條件：

　　a. 塔樓部分平、立面非常規(guī)則，雙向基本對稱，建筑與結(jié)構(gòu)結(jié)合較好，為結(jié)構(gòu)抗震提供非常有利的條件。

　　b. 全鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均勻，延性較好，能很好地滿足抗震二道設(shè)防的要求。

　　2） 側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計：

　　a. 內(nèi)筒框架—支撐結(jié)構(gòu)：在柱間均設(shè)置了鋼支撐，部分為偏心支撐，有條件的框架柱間加設(shè)小柱，以加強(qiáng)框架支撐的側(cè)向剛度。

　　b. 為提高內(nèi)筒的框架支撐抗側(cè)力體系的水平剛度，加高框架的高度，設(shè)計時權(quán)衡考慮梁承載力與增加水平剛度的要求。

　　c. 設(shè)置4 道加強(qiáng)層，在23、41、54及頂層由外伸桁架及外框腰桁架組成，加強(qiáng)層內(nèi)筒的支撐均為中心支撐，設(shè)計中，比較了不同層設(shè)置加強(qiáng)層對水平剛度的效用程度，目前所設(shè)置的層數(shù)為最佳。

　　d. 裙房以下，采用鋼骨混凝土柱、鋼梁：考慮加強(qiáng)整體剛度及與裙房（鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)）的連接，對提高結(jié)構(gòu)整體的水平剛度起一定作用。

　　2） 按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》8.2.3條“框架部分按計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%的要求，在本工程設(shè)計中考慮到這項要求并滿足了規(guī)定的要求。

　　3）地上7 層以上地震效應(yīng)比較大的層采用約束屈曲耗能支撐，可在罕遇地震作用下起到減震作用。

　　4） 薄弱部分的加強(qiáng)：

　　a.底層可能產(chǎn)生的薄弱部位：采用鋼骨混凝土，是對結(jié)構(gòu)抗罕遇地震時地震作用的加強(qiáng)，采用鋼梁及鋼支撐也可使塑性鉸首先發(fā)生于支撐或梁而不是柱，以保證結(jié)構(gòu)不致造成倒塌。

　　b. 加強(qiáng)層上下相鄰的框架柱：由于堅強(qiáng)層的設(shè)置剛度有很大的突變，相連接的框架柱受力比較復(fù)雜，很可能成為薄弱部位。根據(jù)彈性計算的內(nèi)力結(jié)果對截面要適當(dāng)加強(qiáng)，留有相當(dāng)儲備量，再經(jīng)彈塑性時程分析進(jìn)行驗算校核其受力與變形性能予以加強(qiáng)。

　　c. 通過彈塑性時程分析、檢驗上部結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生塑性鉸的層及構(gòu)件，調(diào)整構(gòu)件截面采用約束屈曲耗能支撐，使塑性鉸發(fā)生移轉(zhuǎn)到較次要構(gòu)件，確保結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的目標(biāo)。

　　本工程進(jìn)行了超限高層抗震專項審查，專家提出該建筑物高柔，要解決好舒適度問題。

　　氣彈模型風(fēng)洞試驗結(jié)果由于重慶萬豪國際會展大廈高而柔，又地處高層建筑密集的重慶市城區(qū)，其周邊建筑物和地形對風(fēng)場影響顯著，因而其在強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，在強(qiáng)風(fēng)作用下的動力效應(yīng)不容忽視，為此進(jìn)行了氣動彈性模型風(fēng)洞試驗。通過對重慶萬豪國際會展大廈1：250模型的氣彈模型試驗，取得了16 個風(fēng)向角情況下大廈的的風(fēng)致振動響應(yīng)。經(jīng)對試驗結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論：

　　1）、在各風(fēng)向角下，在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)，萬豪國際會展大廈均未發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生。

　　也未發(fā)生振動發(fā)散的馳振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)屋頂處最大橫風(fēng)向振動位移（單邊振幅）為b=0o 時，且為0.297m，最大順風(fēng)向振動位移（單邊振幅）為b=270o 時，且為0.133m

　　2）、在各風(fēng)向角下，10 年重現(xiàn)期風(fēng)壓時，大廈頂部最大振動加速度小于0.2m/s2，扭轉(zhuǎn)振動角速度小于0.001rad/s，滿足舒適度要求。

　　3）、當(dāng)來流風(fēng)向正對結(jié)構(gòu)物某一面作用時，其橫風(fēng)向位移、加速度振動響應(yīng)大于順風(fēng)向位移、加速度振動響應(yīng)，因而對于該類高層建筑結(jié)構(gòu)，其橫風(fēng)向荷載效應(yīng)是不容忽略的。

　　4）、由于周邊建筑物對氣流的影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，因而在進(jìn)行幕墻設(shè)計時對這一問題應(yīng)引起重視。另外，周邊建筑結(jié)構(gòu)對大廈風(fēng)壓的影響，在其自身高度范圍內(nèi)較為顯著，而對大廈頂部區(qū)域影響較小。

　　5）、大廈各側(cè)面的最大負(fù)壓大于最大正壓。

　　5） 結(jié)構(gòu)分析

　　1） 根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了三種軟件分析計算，SATWE（中國建研院編）及MTS（中國同濟(jì)大學(xué)編），ETABS（美國CSI 公司）主要計算結(jié)果相近。

　　2） 計算模型：按框架-支撐空間模型，地震力按X、Y兩個方向風(fēng)荷載還考慮135 度方向計算，并考慮藕聯(lián)，共取45個振型的結(jié)果。

　　和CUZI-1 三條地震波，時程分析所用地震加速度時時程曲線的最大值為35cm/s²。

　　我國在計算建筑物加速度響應(yīng)，特別是在橫向風(fēng)方面研究較少，在制定規(guī)程時參考了國外標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國實際情況進(jìn)行了調(diào)整，為此，筆者用中國規(guī)程和加拿大規(guī)范分別進(jìn)行了加速度計算。

　　五、結(jié)束語

　　1.通過對重慶萬豪國際會展大廈動力特性分析可知，結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬于高柔結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)分析時需考慮P-Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)布置基本對稱，對結(jié)構(gòu)抗震有利，由風(fēng)荷載控制設(shè)計。

　　2.采用外伸桁架及外框腰桁架是控制結(jié)構(gòu)層間位移的有效方法。通過多次試算可以找到較為理想的外伸桁架位置和道次，并非設(shè)置的越多越好。

　　3.超高層鋼結(jié)構(gòu)底部數(shù)層采用鋼骨混凝土柱，既可節(jié)省鋼材又可適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，同時，可很好解決與裙房鋼筋混凝土梁之間的連接問題。

　　4.超高層建筑的舒適度問題是設(shè)計人員考慮的重要因素，宜采用多種途徑驗算分析，采用氣彈模型試驗更為可靠。