上海国际设计中心不对称双塔连体结构设计研究

1 工程概况 上海国际设计中心为一立面呈 h 形的不等高双塔
连体结构 (图 1) 。主塔位于基地西侧 ,地上 24 层 ,副塔 位于东侧 ,距主塔 1715m ,地上 12 层 ,主 、副塔楼层高均 为 4m。层 11～12 主楼 、副塔楼连成整体 ,形成 h 形不等 高双塔连体结构 。主楼从首层地面至主要屋面的结构 高度为 96m ,副楼为 48m。主 、副塔体型 、平面 、层数均相 差较大 ,副塔高度 、层数仅为主塔高度的一半 。主塔体 型方正 ,平面 30m( 东西) ×24m( 南北) 矩形 ; 副塔立面 为一上宽下窄的梯形 ,层 1 平面为 1215m( 东西) ×30m (南北) 矩形 (见图 2) ,屋顶 (层 12 顶) 平面为 2511m( 东 西) ×30m(南北) ,从层 2 楼面开始 ,副塔东侧楼层每层 楼面相对其下一层向东挑出 1105m ,层 12 挑出 1216m。 副塔特殊的立面造型 ,导致其在重力荷载作用下发生 向东侧的倾覆 ,并通过连体带动主塔发生侧向变形 。
结构主要构件尺寸见表 1 。材料选用 : 型钢及钢 板均为 Q345B 。墙体混凝土强度等级 :层 1～16 混凝土 为 C40 ,层 17～屋顶为 C30 。
楼层 筒体 X 向外墙 筒体 Y 向外墙
框架柱 框架梁
斜柱
结构主要构件尺寸
表1
主塔
副塔
1～14
15～24
1～12
300
300
300
Hale Waihona Puke Baidu
400
300
48
(6) 结构防倒塌措施 主副塔核心筒外角设置型 钢混凝土角柱 ,从地下一层至顶层通高设置 ,以有效增 强核心筒 ,尤其是核心筒底部加强区和连体楼层筒体 的强度和延性 ,确保结构大震不倒 。 3 结构体系布置及特点 311 结构抗侧力体
主塔结构筒体外墙中到中的平面 尺 寸 为 2114m (东西) ×816m(南北) 。该核心筒东西向长 ,可以显著 提高主塔结构东西向的抗侧刚度 ,从而提高整个结构 东西向的抗倾覆能力 。钢框架采用方钢管框架柱 , H 型钢框架梁 ,框架东西向柱网 715m , 南北向柱网 6m。 为了增加主塔框架的抗侧刚度以及主塔结构的抗扭刚 度 ,外围框架梁柱采用刚接 。楼面 H 型钢梁与框架柱 刚接 ,与核心筒铰接 。
副塔采用南 、北两端两个筒体的平面布置亦是东 西向长 (1215m) 、南北向短 (3～6m) ,以加强副塔东西向 的抗侧能力 。南北两个筒体之间设置钢框架 ,副塔东 侧设置斜柱 , 每层斜柱上端相对于其下 端 向 东 偏 移 1105m ,在每层楼面处设置钢框架梁与内部框架柱刚性 连接 ,形成斜柱框架作为楼层出挑处的竖向承重结构 。
图 1 结构效果与南立面 (m)
工程属平面 、立面均特别不规则的不等高连体复 杂高层建筑[1 ,2] 。结构设计使用年限为 50 年 ,抗震设 防烈度为 7 度 ,设计基本地震加速度值为 0110 g ,抗震 设防类别为丙类 。设计地震为第一组 ,场地土为上海 Ⅳ类场地 ,场地特征周期按 019s 。 2 结构概念设计与分析计算原则 [ 123]
(5) 结构抗震等级的确定 工程为 7 度区高度不 超过 130m 的钢框架2钢筋混凝土筒体结构 ,按《高层建 筑混凝土结构技术规程》(J GJ3 —2002) ,钢筋混凝土筒 体的抗震等级为一级 。鉴于结构为复杂连体结构 ,主 、 副塔连体楼层及连体上下相邻各 1 层 ,即层 10～13 核 心筒 (墙体) 的抗震等级按特一级设计 。
第 38 卷 第 9 期
建 筑 结 构
2008 年 9 月
上海国际设计中心不对称双塔连体结构设计研究
何志军 丁洁民 吴宏磊
(同济大学建筑设计研究院 上海 200092)
[ 摘要 ] 上海国际设计中心为一呈 h 形不等高双塔连体结构 ,采用钢框架核心筒结构体系 。详细介绍了该结构分 析与设计的有关内容 ,包括主 、副塔楼结构抗侧力体系 、连体结构体系选型与概念设计 、相关的特殊构造措施 ;并对 多遇地震下主副塔结构响应的对比分析 、连体结构中震分析 、副塔倾覆效应分析 、结构的弹塑性时程分析进行了重 点介绍 。分析结果表明 ,大震作用下 ,在其他构件进入塑性的情况下 ,连体部位依然保持弹性 。 [ 关键词 ] 连体结构 ; 框架核心筒结构 ; 中震弹性分析 ; 弹塑性时程分析
此外 ,为了解罕遇地震作用下结构薄弱层的弹塑 性变形 、塑性铰发展规律以及连体结构的受力性能 ,还 对双塔连体结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程 分析 。
(4) 连体结构分析与设计原则 鉴于连接结构的 重要性 ,按中震弹性分析连接体楼板和钢桁架 、钢梁的 内力 ,并按中震不屈服设计连接体钢构件和相邻钢框 架 。此外 ,考虑到中震和大震作用 ,连体楼板开裂失效 将不可避免导致连体钢结构内力增加而破坏 ,因此连 体钢结构设计还考虑了楼板失效导致连体钢结构内力 增大效应 。
沿 X 向的承载强度高和刚度大的特点减少副楼的基 底弯矩 。
图 3 连体楼层立面图 (m)
图 4 连体纵剖面 (m)
轴 Ψ～ Ξ 和轴 ⊥ ～ _ 连体楼面外挑 3m ,为承担悬 挑楼面的竖向荷载 ,采用斜撑加吊杆的形式 ,将悬挑楼 面的荷载传递轴 Ψ和轴 ⊥ 的连体桁架 (图 4) 。 313 连体楼层主塔西侧悬挑处理
连体楼层主塔楼面向西侧挑出 715m ,设置两层高 画廊 。南北两侧外各挑出 3m ,这样连体楼层主 、副塔 楼的南北向的宽度都是 30m。连体层 11 楼面至层 12 顶轴 Ζ ～ ] ,轴 ⑥～ ⑧置平面尺寸为 12m ×1715m 的露 天内庭院 ,轴 ] ～ ⊥ ,轴 Ψ～ Ζ 设置设备平台 。整个连 体层 12 楼面和层 12 顶楼板几乎全部缺失 。
□550 ×550 ×25 □500 ×500 ×20
H600 ×200 ×11 ×17
300 □400 ×400 ×16 H500 ×200 ×10 ×16
—
□400 ×400 ×20 □400 ×400 ×24 (层 7～9)
312 连体结构 结合该部位建筑的功能特点 ,并考虑到连体跨度
小 、层数少 ,连体结构在层 12 采用整层高钢桁架 (图 3 , 4) ,并采用吊杆吊住层 11 连体楼面钢梁 。连体桁架弦 杆与主楼 、副楼框架柱 、核心筒劲性混凝土角柱均刚性 连接 。在轴 Ψ , Ζ , ] 和 ⊥ 共设置 4 榀桁架 。桁架弦杆 采用 H700 ×300 热轧型钢 ,斜腹杆采用直径 70mm、强 度为 G550 的高强度钢拉杆 ,吊杆采用 <245 ×10 热轧 圆钢管 。在连接体楼层平面内设置平行 Y 方向 、间距 为 218m 次梁与主结构连接 。连体采用这样的结构体 系 ,从连体结构自身的竖向承载的角度 ,可以有效确保 其自身沿竖向的承载强度和刚度 ; 从协调主塔楼和副 塔楼协同工作的角度 ,在防止连接体相邻上下楼层侧 向刚度和楼层承载力产生较大突变前提下 ,利用主塔
(3) 结构整体抗震分析计算原则 水平多遇地震 作用下反应谱分析 ,考虑偶然偏心的影响 ,以准确分析 结构的扭转效应 ,且计算振型数的振型参与质量不小 于结构总质量的 90 %。为弥补反应谱分析可能带来的 误差 ,采用时程分析法作补充验算 ,并按反应谱分析和 时程分析结果的包络值对构件进行验算 。
结构分析与计算采用 ETABS 完成 。结构分析模型 采用三维空间有限元模型 ,楼板采用平面内刚性板模 型 ,连体结构楼板采用弹性板模型 ,梁柱单元刚度计算 时考虑了刚域的影响 。这样整个结构的分析模型为主 塔 、副塔两根糖葫芦串加连体弹性连接模型 。结构分 析结果中的层剪力 、层位移均分塔单独统计分析 。 411 结构的自振特性[ 4]
Design of Asymmetry Double2Tower Connected Structure of Shanghai International Design Center He Zhijun ,Ding Jiemin ,Wu Honglei
(Architectural Design and Research Institute of Tongji University ,Shanghai 200092 ,China) Abstract :Shanghai international design center is a h2shape asymmetry double2tower connected structure ,which is designed as steel frame2core wall structure. The structural analysis and design are presented ,including structural system selection and concept design of lateral resistant system of the dual towers ,connected structures and some special seismic fortification measures. The contrast analysis of the single tower structure and dual towers connected structure under frequently occurred earthquake action ,moderate earthquake elastic analysis of the connected structure , elasto2plastic dynamic time history analysis of the whole structure under seldom occurred earthquake and overturning action of the minor tower are introduced. Analysis results show that the connected structures remains elastic under the action of seldom occurred earthquake while the other members have turned into inelastic. Keywords: connected structure ; frame2core wall structure ; elasticΠelasto2plastic analysis ; moderate earthquake ; dynamic time history ; analysis
层 11～12 主塔左侧悬挑 715m ,根据该部位建筑功 能的布置特点 ,在层 12 设置钢斜撑 ,斜撑上端撑于层 13 挑梁外端点 ,下端撑于结构层 12 框架柱节点上 ,斜 撑与层 12 ,13 挑梁形成悬挑桁架 ,桁架下弦端节点设 置钢管吊杆 ,悬吊住层 11 楼面梁 。 4 结构抗震分析与计算
塔为单筒居中布置形成核心筒 ,副塔南 、北两端结合建 筑楼电梯间布置剪力墙 ,并分别围合成筒 ,这样主 、副 塔三个筒体的平面布置形成三足鼎立 ,可以有效地增 加结构的抗扭刚度 。
(2) 主副塔楼抗侧刚度的确定原则 鉴于主 、副塔 的层数 、平面 、体型 、刚度均相差较大 ,为减少地震作用 下双塔结构扭转位移比过大以及连体楼面体系应力集 中 ,在主 、副塔单独分析满足规范要求的基础上 ,调整 主副塔的抗侧刚度 ,使主塔和副塔连体部位的对应楼 层 ,地震作用下 X 向和 Y 向的层位移相近 。从抵抗副 塔倾覆效应的角度 ,加大主 、副塔沿 X 向的抗侧刚度 , 以提高结构沿 X 向抗倾覆的能力 。
(1) 结构抗侧力体系的选择 综合考虑该建筑主 、 副塔楼的平面功能布置特点 、副塔的立面造型以及结 构的高度情况 ,主副塔楼均采用钢框架2筒体结构 。主
作者简介 :何志军 (19722) ,博士 ,高级工程师 ,从事大型复杂结构设 计研究 。
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图 2 层 1 结构平面 (m) (构件具体尺寸见表 1)