贵阳201大厦钢结构设计介绍

作者:李开伦 郑竹    
时间:2013-11-15 14:07:19 [收藏]
贵阳201大厦为钢结构超高层,本建筑采用创新结构形式:钢偏心支撑筒悬挂结构体系,塔楼高宽比较大,并率先在国内将悬挂结构应用于超高层结构,实现了建筑与结构的完美结合。本文主要介绍201大厦的钢
    关键词:贵阳201大厦钢结构设计

      要:贵阳201大厦为钢结构超高层,本建筑采用创新结构形式:钢偏心支撑筒悬挂结构体系,塔楼高宽比较大,并率先在国内将悬挂结构应用于超高层结构,实现了建筑与结构的完美结合。本文主要介绍201大厦的钢结构设计

    关键词:贵阳201大厦 偏心支撑 悬挂钢结构 超高层

    1工程概况

    贵阳201大厦(观光综合楼)位于贵阳市金阳区,属于贵阳国际会议展览中心城市综合体的一个子项,建筑总高度为201m,地上高43层,地下2层。结构大屋面高156m,高宽比为6.7,共有33层,其中裙房有2层,首层高8m,二层为5.5m 31层和32层层高为6m,其余各层均为4.5m。设防烈度为6度,抗震设防类别为标准设防类,设计地震加速度为0.05g,场地土类型为Ⅰ类。安全等级为二级,设计使用年限为50年,耐久性为50年。

    1为贵阳201大厦的建筑效果图,从图中可知,建筑底部为通透的视觉空间,塔楼分3个子结构段,每子结构段立面上沿四周螺旋上升,核心筒在建筑上部逐渐收缩,以供观光之用。

    为了不至于因建筑造型而破坏结构体系的完整性和合理性,本楼采用了创新结构形式:钢偏心支撑筒悬挂结构体系,在国内首次将悬挂结构应用于超高层结构,实现了建筑与结构的完美结合。

    本建筑结构各构件受力明确,可以看做是钢偏向支撑筒(“十”字形)加悬挂子结构的结合体(详图2)。竖向荷载传递:悬挂子结构的竖向荷载由吊挂构件传至核心筒,所有竖向荷载由核心筒12根钢管混凝土柱传至基础;水平荷载传递:风荷载或地震作用经由由楼板传至核心筒,由钢偏向支撑筒全部承担。在以上作用传递过程中,楼板都参与其中并扮演重要角色,因此,楼板的平面整体性就显示出来。

    2 结构体系

    2为典型标准层结构平面图,图中H区为由12根钢管混凝土柱及偏心支撑组成了结构整个结构的骨架:“十”字形偏心支撑筒,周边的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为子结构区域。这样的布置,即保证了建筑的外立面螺旋上升的需求,内部空间使用得以保证:H区主要为交通核心,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为办公空间;同时,结构不会因外立面的剧烈变化而影响的受力模式,更不会破坏整体性和合理性。

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    建筑效果图(贵阳201大厦钢结构设计)

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    典型标准层结构平面图(贵阳201大厦钢结构设计)

    2.1 偏心支撑筒

    “十”字形钢偏心支撑筒由12根钢管混凝土柱及钢偏心支撑组成(详图3),在单斜偏心支撑与柱的间隔处,恰可以作为建筑开门之用,为满足建筑交通功能,结构偏心支撑布置呈不同方向布置(倾斜);而八字形偏心支撑也能满足建筑外观立面的美学诉求(详图4),结构体系的力学特性也基本不变。

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    3 偏心支撑筒平面

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    4 偏心支撑立面(部分高度)

    为增加“十”字支撑筒的45oC斜向抗侧力性能和提高结构整体性,在支撑筒的楼层位置周边设置四根梁,与原来的偏心支撑的梁一起组成一个环形,而外围钢管混凝土柱近似“均匀”分布于圆环上,最大限度保证支撑筒在任何角度方向抗力水平大致相当。

    在结构上部,支撑筒逐渐收缩,直至最后只剩中心的4根柱组成的小筒,在满足建筑观光功能用途的同时,结构也不会因此而增加负担。

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    5子框架空间示意


    2.2子结构框架

    在支撑筒四个角部分别布置了15m×15m无柱办公空间(详图5,图6),第①、②吊挂段为每段8层,第③吊挂段为3层(详图8)。子结构柱在吊挂层以下处于受拉状态,吊挂层以上处于受压状态,根据外立面的螺旋上升布置,柱受拉与受压层数略有不同,由于子结构柱都采用钢柱,这个问题影响并不明显(除多验算柱的受压稳定外)。

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    6 子框架平面

    2.3悬挂体系的实现

    悬挂体系主要由吊挂桁架加上腰桁架来实现的(图7),具体来说,每个子结构3榀吊挂桁架,一道L型腰桁架,其中对角的吊挂桁架每2个子结构相互平衡,桁架构件贯通,其余两榀桁架与“十”字形支撑筒对齐,且也是两两子结构相互平衡。

    在子结构外围,吊挂桁架末端,用腰桁架将每两吊挂桁架连系起来,组成一个空间的吊挂层结构单元。图8所示为吊挂段的最高子结构和最低子结构的竖向位置,以及吊挂桁架,腰桁架位置。

    当然,在子结构工作过程中,与支撑筒相连的钢梁也会有悬挑作用,他们与吊挂桁架,腰桁架一道,完成了子结构竖向荷载的传递。

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            7吊挂层空间示意图

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    8吊挂段结构位置图



    2.4平面刚性楼板假定

    如前所诉,结构的大部分工作状态及关系已经交代,但保证要结构各构件稳定,子结构与支撑筒一起协调工作,则少不了平面内的荷载传递及位移协调。由图2所示,子结构与支撑筒间环梁处有约10.6m长的楼板且此处无开洞,可以满足刚性楼板假定。同时,楼板也为吊挂桁架的受压弦杆及腰桁架的弦杆提供了可靠的平面外稳定保证。

    3钢结构设计要点

    3.1钢管混凝土柱

    超高层建筑竖向荷载很大,本楼柱最大设计轴力约7kn,如此大的荷载对柱来说是个很大的考验。本楼柱采用钢管混凝土柱,由于其内部混凝土处于三向受压状态,可以大幅提高柱的受压承载力。

    26层及以下以及31~34层(为了与吊挂桁架相匹配)采用Φ1200×40-Z15钢管混凝土柱,27~30层采用Φ1200×32钢管混凝土柱,35层及以上采用Φ800×24钢管混凝土柱,钢管材质均为Q345B,钢管内混凝土强度等级为C50。在钢管混凝土外围包一定厚度(最薄处150)混凝土用于防腐及防火形成1500×1500方柱截面,外包混凝土为C30,不计入承载力计算。

    9为底层钢管混凝土柱的内力包络图,从图中可以看出,柱截面的选取是合适的。钢柱在节点区采用内环加劲肋;对角线的三角形挂桁架由于杆件钢板尺寸较厚,采用环板贯通,柱断开的节点设计方式,这样的设计方式既保证外包混凝土及节点板易于施工,也保证结构主要受力构件的传力明确。

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    底层钢管混凝土柱1200×40内力包络图(贵阳201大厦钢结构设计)

    3.2钢偏心支撑

    本楼偏心支撑有单斜偏心支撑和八字形偏心支撑两种(详见图3、图4),采用构件截面见下表1。由于本楼支撑数量相对较少,因此每个偏心支撑所承担的水平力相对较大,为保证风及小震下弹性设计,消能梁及支撑截面较大,由表1可以看出。由于消能梁段不能有对接焊缝及补强措施,单斜支撑处消能梁节点设计仍然采用传统的剪力板设计方式(详图10),剪力板与柱采用坡口T型焊缝,剪力板与消能梁腹板采用双面角焊缝,三面围焊,焊脚高16mm。由于角焊缝焊角高度较大,施工是应特别注意质量控制。梁的对接接头则位于消能梁段外侧,这样既保证了施工及运输方便,又使消能节点区有很好的施工质量及延性保证。而八字形消能梁节点则完全工厂加工,现场用支撑拼接及梁拼接(消能区外侧)。

    1   偏心支撑主要构件尺寸

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    10  消能梁节点设计

    3.3悬挂结构及附属部分

    本结构的另一个设计重点是悬挂结构,悬挂结构分为吊挂桁架,腰桁架及被吊挂子框架,由于子框架为普通钢框架结构,此处就不多做叙述。

    ①、②吊挂段对角线的三角形挂桁架由于负荷大,采用王字行截面,截面(斜拉杆及下弦受压杆)尺寸为800(325)×700×50×50(50),③吊挂段为H800x700x30x40。桁架下弦受压,在受压稳定验算时,不考虑楼板的约束作用,仅当板约束作为安全储备,桁架高度2层楼高,即9m高。

    与支撑筒对齐的吊挂桁架构斜拉杆为H800×400×40×40(①,②掉挂段)H400×300×24×30(③吊挂段),下弦受压杆为H600×400×40×40(①,②掉挂段),H600×300×32×32(③吊挂段),桁架高度2层楼高。腰桁架弦杆为H400×400×20×24H400×400×16×24两种截面,腹杆为H400×400×32×32, H400×400×24×24两种截面,桁架高度为一层高,及4.5m高,利用

    楼板恰可保证桁架的整体稳定性。

     

    3.4楼板设计

    本楼楼板主要采用压型钢板楼板,压型钢板仅作模板使用,主要受力由其上混凝土板承担,楼板用栓钉与钢梁保持连接, 以保证能满足刚性楼板假定。

    对于吊挂桁架下弦层,由于下弦杆受压力较大,会对楼板产生比较大的应力。故本层楼板采用后浇的施工方式,减小重力荷载对本层楼板产生应力,并将加厚为150mm,配筋为Φ[email protected]双层双向拉通,以防止楼板开裂。

    4结语

    1)建筑与结构的完美结合,结构体系并未因建筑体型新颖而遭受破坏。

    2)在重力荷载作用下结构能实现自平衡。

    3)楼板在本结构中的重要性不容忽视。

    4)结构体系还有创新空间。

    参考文献

    [1] JGJ 99-98 高层民用建筑钢结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,1998

    [2] GB50017-2003钢结构设计规范 [S]. 北京:中国计划出版社,2003

    [3] GB50011-2001(2008年版)建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2008

    [4] 贵阳201大厦(观光综合楼)结构超限设计可行性报告. 深圳:法国欧博建筑与城市规划设计公司,2009

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