乌鲁木齐宝能城1-02号楼超高层钢结构设计_袁林华.pdf

第 45 卷 第 18 期 2015 年 9 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 45 No． 18 Sep． 2015 乌鲁木齐宝能城 1-02楼超高层钢结构设计 袁林华， 伍炼红， 朱忠义， 周忠发， 王毅， 卜龙瑰， 张贺超， 齐五辉， 柯长华 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045 ［ 摘要］ 乌鲁木齐宝能城最高塔楼结构高度为 275. 4m， 采用框架- 支撑内筒的钢结构体系， 并采用防屈曲支撑、 连 梁阻尼器等消能减震措施。介绍了结构体系的特点， 针对结构的超限情况提出了相应的抗震加强措施。采用多种 软件分析结构在不同地震水准作用下的弹性或弹塑性响应。介绍了结构设计中的几个关键问题， 包括外框与内筒 的地震力分配比例、 中震附加阻尼比、 大跨度楼盖的舒适度。分析结果显示， 结构的各项指标均满足相关规范要 求， 能够实现 “大震不倒” 的设防目标。 ［ 关键词］ 超高层建筑;钢结构;消能减震;舒适度分析 中图分类号 TU375， TU318文献标识码 A文章编号 1002- 848X 2015 18- 0019- 06 Super high- rise steel structural design on Baonengcheng 1- 02 building in Urumqi Yuan Linhua，Wu Lianhong，Zhu Zhongyi，Zhou Zhongfa，Wang Yi， Bu Longgui，Zhang Hechao，Qi Wuhui，Ke Changhua Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China Abstract The highest tower of Baonengcheng project in Urumqi，which has structural height of 275. 4m，adopts structural system of steel outer- frame and steel corewall with brace with energy dissipation measures of buckling- restrained brace and coupling beam damper． The feature of structural system was introduced，and seismic strengthening measures were proposed for corresponding out- of- code conditions． Several programs were used to analyze the elastic and elastic- plastic responses of the structure under earthquakes of different levels．Some specialized analyses were introduced，including allocation proportion of the earthquake force between outer frame and corewall，additional damping ratio under fortification earthquake and comfort design of the large- span floor． The results show that all perances of the structure can meet the requirements of codes，and the seismic perance target of“not collapse under the rare earthquake”can be fulfilled． Keywords super high- rise building;steel structure;energy dissipation;comfort analysis 作者简介 袁林华， 硕士， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email yuanlinhua126． com。 1工程概况 乌鲁木齐宝能城项目 图 1 地处乌鲁木齐市经 济技术开发区二期延伸区， 玄武湖路以东， 岳麓山街 以南， 天柱山街以北， 东邻高铁片区卫星路 在建 ， 由 4 座超高层办公楼 1- 01， 1- 02， 2- 01， 2- 02 、 1 座超高层酒店 2- 03 、 2 座超高层公寓楼及底部大 型商业裙房组成， 为集办公、 酒店、 商业和公寓等多 项功能于一体的超大型超高层综合体， 占地面积 18 万 m2， 总建筑面积 170 万 m2， 地上建筑面积 131 万 m2， 地下建筑面积 39 万 m2。 所有塔楼与裙房在地下室连为一体， 地上部分 以伸缩缝、 防震缝完全断开。超高层办公楼与超高 层酒店主体结构采用钢结构体系， 其中塔楼 1- 02 建筑总高度 285. 4m， 建成后将成为新疆第一高楼， 本文仅对塔楼 1- 02的结构分析与设计进行介绍。 工程设计使用年限为 50 年， 建筑结构安全等级 为二级， 建筑抗震设防类别为标准设防类 丙 类 ［1 ］; 乌鲁木齐抗震设防烈度为 8 度， 设计地震分 组为第二组， 设计基本地震加速度为 0. 20g， 场地类 别为Ⅱ类， 场地特征周期为 0. 40s［2， 3 ］。结构嵌固层 图 1乌鲁木齐宝能城建筑效果图 为地下室顶板; 根据建筑结构荷载规范 GB 500092012 ［4 ］ 简称荷载规范 ， 基本风压 50 年 一遇 取 0. 60kN/m2， 地面粗糙度为 C 类。 2结构体系 1- 02塔楼结构高度为 275. 4m， 建筑总高度为 建筑结构2015 年 285. 4m， 地上单体建筑面积约 13. 6 万 m2; 地上 64 层、 地下 4 层， 标准层层高 4. 2m， 共设置五个避难 层， 除 32 层层高为 8. 75m 外， 其他避难层层高均为 4. 8m。结构平面轮廓为带凹角的矩形， 外轮廓尺寸 为 52m 43. 6m， 核心筒尺寸为 23m 15m; 外轮廓 高宽比 X 向为 5. 2、 Y 向为 6. 2， 核心筒高宽比 X 向 为 10. 9、 Y 向为 15. 7; 平面四个角部的凹角随高度 变化， 从 20 层开始往上下楼层扩大， 屋顶最大凹角 尺寸为 4. 3m 4. 3m。塔楼结构平面布置图见图 2。 图 2塔楼结构平面布置图 2. 1 抗侧力体系 塔楼采用框架- 支撑内筒的钢结构体系， 外框为 钢管混凝土柱框架， 内筒为钢管混凝土柱- 支撑筒 体。核心筒在 X 向的轴、 轴， Y 向的③ ～ ⑥轴布 置中心支撑， 以形成框架- 支撑内筒的钢结构体系; X 向支撑均为非跨层的层间支撑， Y 向 1 ～6 层布置层 间支撑， 7 层至顶层布置跨层支撑。 为加强结构的整体抗侧刚度、 减小外框的剪力 滞后效应， 在 10， 32， 42， 53 层设置加强层， 其中 10， 图 3结构抗侧体系 32， 53 层设置伸臂桁架 环桁架， 42 层设置环桁架。 结构抗侧体系示意图见图 3。 2. 2 消能减震方案 为提高结构底部的耗能能力， 使结构在大震时 刚度有序地逐步退化， 保证关键构件的性能， X 向、 Y 向 1 ～6 层支撑均采用屈曲约束支撑 BＲB ; X 向 7 ～20 层内筒， 轴上④ ～ ⑤轴之间的框架梁均设 置连梁阻尼器。内筒支撑与耗能构件布置见图 4。 加强层与上下楼层存在较大的刚度突变， 采用“有 限刚度” 的加强层， 加强层伸臂桁架的斜腹杆采用 BＲB， 可减少刚度突变与内力剧增。BＲB 钢材采用 Q235， 屈服承载力为 8 000 ～15 000kN， 初始刚度为 1 000 ～ 3 000kN/mm;连 梁 阻 尼 器 钢 材 采 用 Q225LY， 屈服承载力为 2 500 ～ 5 000kN， 初始刚度 为 300 ～500kN/mm。 图 4内筒支撑与耗能构件布置 2. 3 楼面体系 楼面采用钢- 混凝土组合楼板， 梁跨度为 9 ～ 02 第 45 卷 第 18 期袁林华， 等． 乌鲁木齐宝能城 1- 02楼超高层钢结构设计 13m， 工字钢梁与外框、 内筒均为铰接， 梁高一般为 500mm; 板跨约3m， 板厚取120mm， 加强层上下楼层 板厚取 160mm。角部凹角处由于建筑要求无法布 置竖向构件， 采用双向悬挑的形式， 悬挑长度为 3. 5 ～7. 9m。 2. 4 主要构件尺寸与材料 外框柱柱距为 6. 0 ～7. 95m， 采用圆形钢管混凝 土柱， 可以充分发挥圆钢管的套箍作用与混凝土的 抗压能力， 外框柱之间采用工字梁刚接; 内筒由于建 筑的要求， 采用矩形钢管混凝土柱， 支撑采用矩形钢 管。构件截面尺寸与材料见表 1。 构件截面尺寸与材料表 1 构件截面尺寸材料 外框 钢管混凝 土柱 1 500 35 ～ 800 20Q345GJC C50 钢梁 H1 200 350 22 24 ～ H800 300 15 20 Q345B 内筒 钢管混凝土 角柱 □1 600 1 300 100 100 ～ □800 700 25 25 Q390GJC C60 钢管混凝土 其他柱 □1 400 1 300 60 60 ～ □800 700 25 25 Q390GJC C60 钢梁 H1 200 500 22 35 ～ H700 300 14 20 Q345B 支撑 □550 550 30 30 ～ □300 300 12 12 Q345B 3结构超限情况 图 5楼层剪重比与层间位移角 根据 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技 术要点 建质［ 2010］109 号 ［5 ］ 及超限审查报 告 ［6 ］， 工程存在以下超限情况 1 8 度 0. 20g 地区 筒体钢结构最大适用高度为 260m， 本项目结构总高 度超高; 2 Y 向底部 3 层位移比超 1. 2， 最大值为 1. 24; 3 首层顶板开大洞， 部分外框柱形成跃层柱， 且开洞面积大于 30; 4 10， 32， 42， 53 层设置加强 层， 存在竖向刚度突变。结构存在高度超限以及扭 转不规则、 楼板不连续和竖向刚度不连续三项一般 性规则超限。 超限审查的主要意见有 1 地震作用参数和楼 层最小剪力系数应进行阻尼比修正; 2 适当提高外 框承担的倾覆力矩; 3 适当控制内筒角柱应力与轴 压比。针对超限审查意见采取的应对措施分别为 1 计算整体指标时按抗规取值; 构件设计时考虑阻 尼比修正， 调整系数取 1. 268; 2 在 10 层 X， Y 向增 设伸臂桁架， 提高外框倾覆力矩的分担比例， 还可减 小内筒角柱的拉力; 3 底部 3 层内筒角柱采用 Q420 高强钢。 4结构计算分析 4. 1 小震反应谱分析 采用了 3 种软件 ETABS， YJK， MIDAS/Gen 进 行小震作用下的弹性计算， 分析时均采用振型分解 反应谱法计算地震作用， 同时考虑双向水平地震作 用和偶然偏心的影响， 阻尼比取 0. 02; 计算的主要 结果见表 2。由表 2 可知， 3 种软件计算的结构总质 量与周期基本一致。 小震作用下结构的剪重比和层间位移角如图 5 图 6软弱层与薄弱层验算结果 塔楼计算结果表 2 软件ETABSYJKMIDAS/Gen 结构总质量/t166 380 166 834166 792 结构自振周期/s T17. 0627. 1137. 092 T26. 6546. 7146. 860 T34. 4734. 4284. 700 T42. 1442. 1922. 297 T52. 1422. 1812. 219 T61. 6071. 6351. 711 周期比 Tt/T1 0. 6330. 6220. 663 基底剪力/kN 剪重比 X 向 38 436 2. 31 39 259 2. 3538 288 2. 29 Y 向 37 275 2. 24 37 306 2. 2438 219 2. 29 倾覆力矩 / kN m X 向 8 520 7348 668 2798 597 326 Y 向 8 298 0288 381 8478 557 326 12 建筑结构2015 年 图 7时程分析楼层剪力 图8 荷载规范与风洞试验楼层剪力与倾覆力矩比较图 9风荷载作用下位移角 所示， 仅底部 10 层小于抗规限值， 按抗规要求进行 放大调整; X， Y 向以及斜向的最大层间位移角分别 为 1/332， 1/302 与 1/338， 满足抗规要求。 加强层周围存在竖向刚度突变， 根据高层建 筑混凝土结构技术规程 JGJ 32010 ［7 ］ 简称高 规 第 3. 5. 2， 3. 5. 3 条， 软弱层及薄弱层的验算结果 如图 6 所示 图中 62 层以上为出屋面局部机房 层 。由图 6 可知， 结构刚度连续性较好， 仅避难层 的下层略小于限值， 为软弱层， 设计中按高规要求调 整放大这部分楼层的剪力; 层间受剪承载力比值见 图6 b ， 由图 6 b 可知， 均满足高规要求。 4. 2 小震弹性时程分析 本工程选取 5 条天然波和 2 条人工波进行时程 分析， 7 条波的峰值加速度均为 70gal， 地震波持续 时间均超过 40s， 大于结构基本周期的 5 倍; 单条地 震波计算的基底剪力均大于规范反应谱计算值的 65， 7 条波计算的平均值大于规范反应谱计算值 的 80; 由于高阶振型的影响， 时程计算的高区楼 层剪力平均值大于规范反应谱计算值， 如图 7 所示， 根据该比值对反应谱计算进行调整; 时程计算的平 均层间位移角最大值为 1/336， 满足抗规要求。 4. 3 中震分析 中震弹性计算不考虑普通构件屈服引起的内力 减小和能量吸收， 仅考虑 BＲB 与连梁阻尼器的耗能 作用， 因此计算结果偏于保守; 计算得到的附加阻尼 比为 1， 对塔楼进行中震不屈服计算时阻尼比取 3， 验算主要抗侧构件是否满足受弯、 受剪不屈服。 计算结果表明， 外框柱、 内筒柱以及内筒支撑等均能 满足中震不屈服的性能目标。 4. 4 风洞试验复核 根据高规第 4. 2. 7 条， 塔楼高度超过 200m， 委 托中国建筑科学研究院进行了风洞试验［8， 9 ］， 风洞 试验报告给出了塔楼的楼层等效静力风荷载， 并对 舒适度进行了评估， 风洞试验与荷载规范计算的楼 层剪力与倾覆力矩对比见图 8 1 ～ 4 层为裙房， 无 风荷载， 因此， 图 8 从 4 层开始计算 。风洞试验得 到的大部分楼层剪力与倾覆力矩在两个方向均小于 按荷载规范计算的值， 仅 Y 向底部 5 层的楼层剪力 小于规范值， 本工程风荷载按风洞试验与荷载规范 进行包络设计。 荷载规范风荷载作用下 X， Y 向最大层间位移 角分别为1/465， 1/379， 如图 9 所示， 满足高规要求。 根据风洞试验报告与建筑工程风洞试验方法标 准 JGJ/T 3382014 ， 考虑风向折减之后， 顶部加 速度见图 10， 约为 0. 24m/s2; 荷载规范计算值见表 3， 顶部加速度约为 0. 233m/s2， 均满足高层民用建 筑钢结构技术规程 JGJ 9998 ［10 ］关于舒适度的 要求。 4. 5 大震弹塑性时程分析 采用 Per- 3D 软件进行了大震作用下的弹 塑性时程分析， 选取 2 条天然波和 1 条人工波， 考虑 了三向地震作用， 主方向、 次方向和竖向的地震波峰 值加速度按照 1∶ 0. 85∶ 0. 65 的比例输入， 阻尼比取 图 10风洞顶部加速度 结构顶部最大加速度/ m/s2表 3 顺风向横风向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 限值 0. 1130. 1330. 2330. 2150. 28 22 第 45 卷 第 18 期袁林华， 等． 乌鲁木齐宝能城 1- 02楼超高层钢结构设计 0. 02; 3 条地震波计算得到 X， Y 向的基底剪力最大值 分别为小震规范反应谱计算值的4. 53 倍和3. 98 倍。 图11 为大震作用下 X， Y 向层间位移角， X 向主 输入作用下最大层间位移角为 1/83， 出现在 17 层; Y 向主输入作用下最大层间位移角为 1/98， 出现在 48 层， 均满足抗规限值 1/50 的要求; 消能减震装置 耗能效果明显， 主要抗侧构件损伤较小， 基本处于 “立即运行 IO” 性能水准， 仅少数构件达到“生命安 全 LS” 性能水准， 且使用率较低， 能够满足“大震不 倒” 的抗震设防目标。 图 11大震作用下 X， Y 向层间位移角 5结构设计的关键问题 5. 1 外框、 内筒楼层剪力与倾覆力矩的分配 根据 “二道防线” 的设计思想以及超限审查专 家意见， 控制外框与内筒的楼层剪力与倾覆力矩的 分配比例， 外框部分承担的楼层剪力需满足抗规第 8. 2. 3 条规定。图 12， 13 分别为地震作用下 X， Y 向 楼层剪力与倾覆力矩的统计 仅统计至 62 层结构 主屋面 ， 图中各参数含义见高规 8． 1． 4 条。 由图 12 可知， 外框承担的剪力均大于结构基底 剪力的 10， 比值小于 25的小部分楼层按高规要 求进行调整; 由图 13 可知， 底部外框与内筒承担的 倾覆力矩基本相当。 5. 2 中震附加阻尼比 结构底部采用 BＲB， 能够在保证结构刚度的情 况下控制支撑的耗能机制与承载力， 使支撑不发生 屈曲， 能够充分变形耗能， 并保护相连的钢管混凝土 柱; 连梁阻尼器采用软钢， 耗能能力优于普通钢材。 BＲB 与连梁阻尼器进入中震后开始耗能， 为结构提 供附加阻尼比。主要竖向构件的性能目标均为中震 不屈服。 计算耗能装置在中震下的附加阻尼比， 反应谱 图 12楼层剪力分布 图 13楼层倾覆力矩分布 分析时耗能装置按弹性构件输入， 采用折减截面刚 度来模拟刚度退化， 并进行迭代， 根据抗规第 12. 3. 4 条公式， 计算得到 X， Y 向的附加阻尼比分别 为 1. 27， 1. 84。 为了更准确地评估耗能装置在实际地震中耗能 情况， 采用非线性动力时程分析进行复核， 耗能装置 按非线性连接单元输入， 本构采用双折线模型; 选取 2 条天然波与 1 条人工波， 通过基底剪力逼近的方 式计算附加阻尼比。 图 14 为中震作用下典型连梁阻尼器与伸臂桁 架 BＲB 的滞回曲线， 非线性动力时程分析的 X， Y 向 附加阻尼比平均值分别为 1. 14， 1. 54， 与按抗 规公式计算的值较为接近。中震构件承载力验算时 附加阻尼比偏于保守地取 1。 5. 3 大跨度楼盖舒适度 楼盖采用组合楼板， 跨度最大约 13m， 楼面梁根 据功能要求梁高最大为 500mm， 跨高比达到 26， 需 32 建筑结构2015 年 图 14典型连梁阻尼器与伸臂桁架 BＲB 滞回曲线 要对楼盖的舒适度进行分析; 采用 MIDAS/Gen 建立 楼盖有限元分析模型， 计算得到其竖向振动频率如 图 15 所示， 自振频率均大于 3Hz， 根据高规附录 A 计算楼盖结构竖向振动加速度， 角部楼面梁加速度 最大， 为 0. 038m/s2， X， Y 向楼面梁为 0. 025m/s2 ， 均 满足高规要求。 注 竖向振动频率为图中数据倒数。 图 15不同位置楼盖的竖向振动周期/s 6结语 本工程为位于高地震烈度、 高风荷载地区的超 限高层钢结构， 结构体系为框架- 支撑内筒结构。经 分析可知， 结构各项指标均满足相关规范要求; 消能 减震装置在中震下开始耗能并提供附加阻尼比， 降 低地震作用， 减小构件尺寸。大震弹塑性分析结果 表明， 主要竖向构件损伤较小， 消能减震装置可有效 减小地震作用， 提高结构抗震性能， 实现大震不倒的 设防目标; 大跨度楼盖竖向自振频率与加速度均满 足舒适度的要求。 参考文献 ［1］ GB 502232008 建筑工程抗震设防分类标准［S］ ． 北 京 中国建筑工业出版社， 2008． ［2］ GB 500112010 建筑抗震设计规范［ S］ ． 北京 中国建 筑工业出版社， 2010． ［3］ 宝能城项目工程场地地震安全性评价报告［Ｒ］ ． 乌鲁 木齐 新疆防御自然灾害研究所， 2014． ［4］ GB 500092012 建筑结构荷载规范［ S］ ． 北京 中国建 筑工业出版社， 2012． ［5］ 建质［ 2010］ 109 号 超限高层建筑工程抗震设防专项 审查技术要点［ S］ ． 北京 中华人民共和国住房和城乡 建设部， 2010． ［6］ 宝能城项目 1- 02办公楼超限高层抗震审查报告［ Ｒ］ ． 北京 北京市建筑设计研究院有限公司， 2015． ［7］ JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］ ． 北 京 中国建筑工业出版社， 2011． ［8］ 宝能乌鲁木齐高铁超高层项目风洞测压试验报告 ［ Ｒ］ ． 北京 中国建筑科学研究院， 2014． ［9］ 宝能乌鲁木齐高铁超高层风致振动分析报告［Ｒ］ ． 北 京 中国建筑科学研究院， 2015． ［ 10］ JGJ 9998 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． 建筑结构 杂志社 荣获 “中国电子商务最具突出贡献行业门户” 殊荣 9 月 8 日， 2015 中国电子商务行业门户大会在北京国 际会议中心隆重召开。电商行业领袖、 垂直门户代表、 行业 专家等 3 000 人齐聚一堂共享此次盛会， 分享电子商务行业 门户发展心得， 交流电商门户创新之路， 让电商门户实现共 赢的局面。本次大会作为中国国际电子商务大会的重要分 会场， 坚持 “创新 ” 、 “变革” 为主题， 围绕 “行业门户创新商业 模式 ” 、 “行业门户产品技术创新 ” 、 “行业门户如何更好地接 轨资本市场 ” 、 “大数据时代下的电商之路 ” 、 “垂直门户的中 国生存式法则” 等议题展开讨论。大会中易观智库副总裁 李智带来中国电子商务现状及未来 2014 年上半年， 中国网 上零售市场交易规模达 12 272 亿元， 环比增长 9． 8。移动 网购市场规模达 3 053． 8 亿元， 环比增速达 71． 6， 在网上 零售中的占比达 24． 9， 移动网购渗透率进一步提高。 本次大会的又一亮点无疑是 2014 中国电子商务年度颁 奖盛典。本次大会的奖项从行业影响、 技术创新、 公信力、 创 新模式等角度出发， 在推动行业正面发展等方面发挥了重要 作用 。建筑结构 杂志社凭借在建筑行业突出的影响力和 公信力， 应邀作为此次大会的合作伙伴， 荣获“中国电子商 务最具突出贡献行业门户” 的殊荣。 大会上的种种议题、 大佬们的各种分享都将为电子商务 行业门户带来正能量， 行业的发展还在继续， 相信本次大会 将会给我国电子商务的发展带来深刻的变化。2015 中国电 子商务行业门户大会已顺利闭幕， 大会为电商行业的发展提 供了种种借鉴、 为门户的更好发展给予了诸多的思考。行业 的进步还在继续， 本次大会为中国电子商务发展的发展提供 了更多、 更新、 更丰富的经验， 相信本次大会将会给中国电子 商务的发展揭开新的篇章。 42