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广州塔结构设计doc
广州塔结构设计
书书书6月建筑结构BuildingStructureVol.42No.6Jun.,是国内成立最早的甲级勘察设计单位之一。
GZDI自成立以来一直注重建筑工程精品的设计和技术的创新。
建院60年来,经过几代人的开拓创新、励精图治,在建筑结构设计及科研方面取得了突出的成绩。
被评为“十五”全国建筑业技术创新先进企业,广东省自主创新标杆企业,已有五百多项(次)工程勘察设计获国家、部、省、市级的奖励,其中国家级奖近四十项(次),部、省级奖近二百多项(次),市级奖二百多项(次)。
建院60年来,GZDI完成了大量的具有时代意义的建筑,如代有广东科学馆、原广州体育馆;60年代有广东迎宾馆、友谊剧院、广州宾馆;70年代有广州出口商品交易会、广州火车站;80年代有白天鹅宾馆、中国大酒店、天河体育中心、深圳博物馆;90年代有广东电视中心、广州海洋馆、广东美术馆、天河城广场等;进入21世纪,GZDI以丰富的实践经验积累,先后完成了大批城市建设的标志性建筑设计,如广州体育馆、广州塔、珠江城、广州保利国际广场、广州大学城、正佳广场、中山大学附属第一医院门急诊大楼及手术大楼、广州殡仪馆、广汽丰田汽车工厂、广州地铁的部分车站、广州新图书馆、广州太古汇、珠海长隆海洋王国等。
为庆祝广州市设计院成立60周年,GZDI结构设计人员结合近年的工程经验及结构设计领域取得的新进展汇集出版本专栏,以供广大读者参考及借鉴。
广州塔结构设计周定,韩建强,杨汉伦,熊伟,余永辉,王伟明,罗沁(广州市设计院,广州51061月开始,至8月完成。
8月31日主塔核心筒封顶,12月28日钢结构外筒封顶,6月完成天线桅杆提升,12月进行了主体结构的验收。
11月广州塔在亚运会时投入使用,它以广州第一地标的形象展现在全国和世界人民面前,得到高度评价。
2结构体形特点广州塔为高耸结构,采用筒中筒体系。
结构体图1建筑效果图形具有以下特点。
2.1椭圆旋转体广州塔塔体体形为一个椭圆旋转体,底层平面、顶层平面与内筒的关系见图2。
外筒由24根钢管混凝土斜柱+46道圆环+46圈斜撑组成。
外筒柱形成的平面呈椭圆形,由-10m处的椭圆和450m处的椭圆旋转45°围合自然生成。
从底层平面到顶层平面,椭圆长短轴顺时针转45°,圆心同时沿X轴向西平移7.07m、沿Y轴向北平移7.07m。
1号柱从柱底定位到柱顶定位,顺时针转了135°(图2)。
图2定位图2.2“细腰”型-10m标高外筒椭圆为80m×60m,450m标高外筒椭圆为54m×40.5m,在塔身2/3高度处结构密集,收紧腰部,位于278.8m处腰部最小,为限100年,建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1,地基基础设计等级为甲级,防火等级为一级。
4.2荷载与作用4.2.1风荷载广州塔塔体高度454m,超过了规范的风荷载取值适用高度,同时体形特殊,因此进行了一系列的风工程研究,包括:
广州塔位置的工程气象分析、模拟计算;地形地貌风洞试验、整体模型测压试验;片段模型测压试验;片段刚体模型测力试验及随机风振相应分析;全塔气弹模型试验;行人区风环境试验。
经过专家论证和程序审查,根据广东省气候与农业气象中心报告数据及8月26日专家论证会上的专家组决议,广州塔按100年重现期的基本风压为0.55kN/m2,风压高度变化系数按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—期限内超越概率5%。
地震作用参数、地震作用加速度反应谱和时程曲线等以广东省工程防震研究院提供的《广州市新中轴线电视塔工程场地地震安全性评价报告》作为结构的设计依据,抗震设防烈度约7.6度。
地震作用参数及与7度地震作用对比分别见表1和图5。
4.2.3温度作用[2]电视塔温度采用广州日最高气温38.7℃,最低气温-2.6℃作为温度计算依据,同时考虑100年期全球气候变暖导致最高气温上升因素影响。
结构设3计计算时主要考虑结构整体升温工况(Ta)、整体降温工况(Tb)、结构构件最大温差工况(Tc)。
Tc工况根据CFD计算结果确定每根构件的温度。
对外筒和内筒外露部分的温度取值见表2。
地震作用参数表1地震特征周期Tg/sαmax(水平向)αmax(竖直向)加速度峰值/gal小震0.40.17340.112775.51中震0.60.445风荷载值计算4风荷载SAP风荷载SAP风荷载(0.3kN/m2)0.2390.244的塔顶最大加速度,如表7所示。
6外筒结构设计6.1主要构件截面及材料广州塔外筒结构构件有钢管混凝土斜柱、环杆、斜撑、牛腿。
24根钢管混凝土斜柱截面一样,底为直径试验结果见文[4]。
6.2.2外筒稳定广州塔塔体沿高度方向存在与楼板不相连的透空区,采用ANSYS软件对整体结构进行线性和非线性屈曲分析,其中第1透空区(亦称底部透空区)和第3透空区(亦称腰部透空区)是整个结构的最薄弱位置。
在166.4m高度范围内设了4道内外筒之间的水平支撑构件,使腰部透空区分成了3-1,3-2,3-3,3-4,3-5五个部分,每段长度约35m,通过水平支撑将内外筒体连接起来,以此来减小钢外筒的径向无支撑高度,并协调二者的变形趋势。
透空区的水平支撑布置见图9。
图9腰部透空区水平支撑布置在结构透空区段,仅靠环杆提供径向约束,需要认真确定环杆的径向约束的有效性,在设定的荷载作用下,不发生沿径向的片状群柱失稳。
因此除进行节点有限元分析、整体有限元分析、线性和非线性屈曲分析外,还通过钢管柱节点试验、底部群柱试验、细腰整体试验对设计进行验证,提出适用于透空区的群柱稳定设计方法。
经试验研究,透空区的斜柱按照清华大学提出的等效计算长度进行强度计算和稳定验算,最大的计算长度为30m,位于底部透空区。
稳定分析见文[5]。
6.3外筒应力外筒斜柱为钢管混凝土柱,受拉不考虑钢管内混凝土,受压按照《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:
90)[6]计算轴力比N/Nu,比值小于1,满足承载力要求,其中N为轴向压力设计值,Nu为钢管混凝土单肢柱的承载力设计值。
柱的计算长度在功能层为10.4m,透空区根据试验研究结果确定计算长度。
斜撑和环杆为钢管,按照钢结构设计,计算长度取构件的几何长度。
6.3.1风控组合工况构件应力比按照32个方向角作用取包络值,控制工况=1.1×[1.2(不利时1.0)恒载+0.98活载+1.4风]。
斜柱最大轴压比为0.78,位于高度89m,沿高度的轴压比见图10。
在高度170m最大压应力比为0.56,高度440m最大拉应力比为0.2,沿高度应力比见图11。
环杆在高度240m最大压应力比为0.68,高度315m最大拉应力比为0.65,沿高度应力比见图12。
斜撑在高度280m最大压应力比为0.50,高度300m最大拉应力比为0.85,沿高度应力比见图13。
图10风控组合工况下斜柱轴压比统计图11风控组合工况下斜柱应力比统计图12风控组合工况下环杆应力比统计图13风控组合工况下斜撑应力比统计6.3.2中震组合工况的应力比按照32个方向角作用取包络值,控制工况为1.2恒载+0.6活载+1.3水平中震+0.5竖向中震。
斜柱最大轴压比为0.8,位于柱底-10.0m,沿高度的轴压比见图14。
在高度7m最大压应力比为0.68,高度218m最大拉应力比为0.26,沿高度应力6图22内筒钢骨布置图图23桅杆承接段钢管布置30mm,内侧取20mm。
外墙墙厚在标高168.0m以下以每级收进100mm,从底1000mm收到600mm,标高168.0~339.6m透空区墙厚为500mm,以上墙厚为400mm。
混凝土强度等级C80~C40,混凝土强度等级沿高度变化见表8。
内筒混凝土强度等级表8标高/m混凝土强度等级标高/m混凝土强度等级-10~38.0C80126.4~230.4C6038.0~95.2C75230.4~308.4C5095.2~126.4C70308.4以上C407.2内筒受力特性7.2.1内筒的抗震等级及裂缝控制参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)[8],内筒抗震等级为特一级,53.2m以下为底部加强区,重力荷载下轴压比<0.5。
外墙露天部分裂缝宽度<0.2mm,室内部分裂缝宽度<0.3mm。
7.2.2内筒、外筒的剪力、弯矩分配内筒比外筒抗侧刚度小很多,因此抗水平力主要由外筒承担。
从图24可以看出,除标高330m第3透空区上楼层由内筒承担的剪力占1/3、承担的弯矩在25%外,其他部位内筒承担的剪力和弯矩都不图2422.50°风荷载下内筒剪力与弯矩图超过20%。
7.2.3内筒顶部承接桅杆的受力状况广州塔在标高428.8~448.8m处,内筒钢骨由H型钢转变为圆钢管,由内筒14根钢管柱与天线桅杆底的8根钢管柱相贯连接,重力荷载直接传到内筒的钢管柱和剪力墙上。
天线桅杆底的倾覆力矩除由448.8m平面传递约20%到外筒外,内筒顶承担了80%的倾覆力矩通过楼面逐步传到外筒,通过顶部8层降低接近到25%,到360m内筒仅承担20%的天线桅杆倾覆力矩,而原桁架转换方案在该标高,天线桅杆的倾覆力矩也从由外筒承担通过楼面逐步传递20%到内筒上。
内筒顶部承担天线桅杆倾覆力矩比例见图25。
天线桅杆底的剪力由448.8m楼面传递20%到外筒,内筒承担的80%桅杆水平剪力通过顶部楼层逐步传递到外筒,到390m桅杆水平剪力大部分传到外筒。
在320m以下承担剪力的比例基本与原采用桁架转换方案一样。
内筒承担剪力比例见图26。
图25内筒顶部承担天线桅杆倾覆力矩比例图26内筒承担剪力比例7.2.4内筒工况拉应力整体升温(Ta)内筒最大拉应力为6.5MPa,在标高150m处(图27);整体降温(Tb)最大拉应力为6.5MPa,在标高平台层(图28)。
从剪力墙应力大小及沿高度分布看,透空区的应力较小,楼层平面的应力较大,主要原因为:
1)在楼层室内外的温差大,有楼面梁的约束;2)楼面层外墙开洞的部位比透空层少。
而风控拉应力最大在第3透空区(图29)。
7.2.5内筒配筋设计内筒墙钢骨按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)设计暗柱截面的配钢率,除1000mm厚墙(基础~12.4m)在3.8%外,其余均在4%~5%之间。
墙厚1000~800mm采用4排钢筋,纵筋和水平筋为16(外)/14(内)@200。
外墙墙厚700~500mm采用3排钢筋,168m以下纵向、水820120427000301周定第42卷第6期周定,等.广州塔结构设计图27整体升温Ta时内筒最大拉应力图28整体降温Tb时内筒最大拉应力图29风控时内筒最大拉应力平钢筋采用16(外)/14(内)@200;168m以上透空层500mm厚外墙,暗柱配钢率为7.8%,墙身纵筋采用3排[emailprotected]100,水平筋采用[emailprotected]100。
天线桅杆承接段下方的内筒外墙是关键构件,墙与钢管混凝土柱连接,提高了承接段的刚度,但也使受力复杂,因此将448.8~438.4m两层设计为钢板混凝土剪力墙,在楼层标高设置三层闭合水平钢梁,墙内钢板分别为20,16mm,由钢板承担全部拉力,并加强墙身钢筋(图30)。
8天线桅杆设计8.1截面尺寸天线桅杆总高146m,分格构段和实腹段(图31),格构段标高454~540.5m,高86.5m,分4段,平面为正八角形,内切圆直径分别为12~7m,7,5.7,3.5m,平面见图32。
格构柱采用Q390GJC,钢管截面沿高度分别采用1000×50(45),900(850)×40;斜撑布置仅到518.7m,截面沿高度采用600×30,400×20,H400×300×16×20,外水平杆沿高度采用600×30,H400×300×16×20,不设斜撑段为H600×400×30×30;内水平杆采用H型钢,沿高度分别为H600×300×16×20,H400×300×16×20,在天线桅杆插入段的上下平面采用箱形1200×300×35×35和H1200×300×25×30。
斜撑、内外水平杆采用Q345GJC。
实腹段标高540.5~600m,高59.5m,分4段,断面尺寸分别为:
正方形2.5m×2.5m,板厚60(50)mm;正八角形1.5m×1.5m,板厚50~70mm;1.2m×1.2m,板厚40~60mm;正方形0.75m×0.75m,板厚30~40mm,见图33。
实腹段采用宝钢研制的新材料Q415NH可焊接耐候钢。
550.5~578.2m边长5.7m的格构段是天线桅杆采用顶升施工的插入段,平面见图34,插入长度原设计为10m,后调整为20m。
图30钢板混凝土剪力墙大样图31天线桅杆立面图图32格构段平面图图33实
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