津湾广场9号楼转换桁架结构设计.pdf

第 44 卷 第 2 期 2014 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 44 No． 2 Jan． 2014 津湾广场 9 号楼转换桁架结构设计 周德玲， 王毅， 赵华， 张伟 天津市建筑设计院，天津 300074 ［ 摘要］ 津湾广场 9 号楼超限高层建筑采用钢筋混凝土核心筒- 矩形钢管混凝土柱钢框架结构体系。结构底部布 置钢混凝土组合巨柱， 在第 8， 58 层设置转换桁架， 将其上部的 48 根外框柱转换为下部的 8 根巨柱和 4 根角柱， 且 转换桁架下部还悬吊了 3 层外框柱。鉴于第 8 层的转换桁架的重要性， 对转换桁架进行了性能化设计， 并分析了 施工分段安装顺序对转换桁架的影响。计算结果表明， 转换桁架达到了预期的性能目标， 施工过程中转换桁架的 安装是合理、 安全的。 ［ 关键词］ 津湾广场;超限高层结构;转换桁架;抗震性能设计;施工顺序模拟;铸钢节点 中图分类号 TU973．1文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2014 02- 0043- 05 Structural design of transfer truss of No． 9 building in Jinwan Square Zhou Deling，Wang Yi，Zhao Hua，Zhang Wei Tianjin Architecture Design Institute，Tianjin 300074，China Abstract Structural system of reinforced concrete corewall and concrete- filled steel rectangular tube frame was adopted for out- of- code high- rise No． 9 building in Jinwan Square． Steel- concrete composite huge columns were set at the structure bottom and transfer trusses were arranged on the 8th and 58 th floor． Transfer trusses convert 48 outer frame columns on its upper parts to 8 huge columns and 4 corner columns on its lower parts． Three floors of outer frame columns were hanged below the transfer truss． In consideration of the importance of the transfer truss on the 8th flow，perance- based design was used． The influence of construction sectional installation sequence on the transfer truss was analyzed． The results show that the transfer truss can meet the expected perance objectives and construction installation is feasible and safe． Keywords Jinwan Square;out- of- code high- rise structure;transfer truss;perance- based seismic design;construction sequence simulation;cast steel node 作者简介 周德玲， 硕士， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email zhoudeling63 eyou． com。 1工程概述 天津津湾广场 9 号楼 ［1 ］下部需要大空间， 因此 第 1 ～8 层的外框架采用 8 根巨柱加 4 根角柱。在 第 8 层全层设置整层高的转换桁架， 完成立面收进 并作为建筑避难层［2 ］。在第 58 层沿结构外侧设置 腰桁架， 以承托上部楼层的立柱， 并且为控制整个结 构在侧向荷载作用下的变形提供刚度。结构平面布 置见文献［ 1］ 。 2转换桁架结构分析 加强层外筒柱通过环带桁架连接， 沿塔楼立面 共设两道整层高的环带桁架， 分别位于第 8 层、 第 58 层， 见图 1 a ， b ， 桁架与外框架的 8 根巨柱和 4 根角柱共同组成抗侧力体系以提高外围框架的整 体抗侧能力， 同时桁架还兼有转换层的作用。将第 8 层转换桁架上部的 48 根外框柱转换为其下部的 8 根巨柱和 4 根角柱， 由于角部结构立面收进的原因， 还设置了次转换桁架， 同时在下部吊柱处悬吊了 3 层外框柱。 转换桁架主要由箱形截面的下弦杆、 上弦杆以 及腹杆组成， 构成 X 形斜撑。第 8 层的桁架为双层 图 1转换桁架示意图 桁架， 上弦杆截面尺寸为□1 200 900 60 80， 下 弦杆截面尺寸为□1 200 900 60 100， 竖腹杆截 面尺寸为□900 900 45 45， 斜腹杆截面尺寸为 □900 900 90 90， 最大板厚为 100mm， 最大分 建筑结构2014 年 段质量为 27t; 第 58 层的桁架为单层桁架， 上弦杆截 面尺寸为□600 500 30 30， 下弦杆截面尺寸为 □600 500 30 30， 竖腹杆截面尺寸为□500 500 30 30， 斜腹杆截面尺寸为□500 500 30 30， 钢管混凝土柱截面尺寸为□900 500 14 20。 桁架位置的三维示意图见图 1 c 。 第 8 层的转换桁架是本结构中特别重要的部 分， 其抗震性能要求为小震及中震作用下弹性、 大 震作用下不屈服［3］。本次分析主要包含小震、 中 震作用下的弹性验证和大震作用下的不屈服验证 两个部分。考虑桁架的重要性， 桁架部分结构设 计时考虑竖向地震作用， 竖向地震作用按照建筑 抗震设计规范 GB 500112010 第 5. 3. 1 条所 提供方法计算。小震、 中震作用下采用 ETABS 软 件进行分析， 大震作用下采用 PEＲFOＲM- 3D 软件 分析。 转换桁架结构分析时， 楼板按弹性楼板计算， 转 换层上、 下层楼板不考虑其膜刚度， 即不考虑此处楼 板传递的水平力 ［4 ］， 且桁架及其上、 下层不参与框 架剪力的调整。为保证第 8 层转换桁架满足中震弹 性要求， 其部分构件采用强度较高的 Q345B 高建 钢， 高建钢的构件布置见图 2， 图 2 中粗线所示杆件 为采用高建钢的杆件。 图 2高建钢构件布置示意图 2. 1 小震作用下计算结果 小震作用下， 结构构件的抗震承载力［1， 5 ］应符 合下式 γGSGE γ EhSEhk γ EvSEvk ψ wγwSWk≤Ｒd /γ ＲE 1 式中 SGE为重力荷载代表值的效应; SEhk， SEvk分别为 水平地震作用、 竖向地震作用标准值的效应， 尚应乘 以相应的增大系数或调整系数; γG ， γ Eh ， γ Ev ， γ w分别 为重力荷载、 水平地震作用、 竖向地震作用、 风荷载 分项系数; Ｒd ， γ ＲE分别为构件承载力设计值和承载 力抗震调整系数; ψw为风荷载组合值系数。 通过计算可得到小震作用下的桁架应力比， 由 于结构平面规则对称， 各侧桁架应力比相近， 仅取半 侧桁架立面的计算结果， 见图 3。由图 3 可知， 第 8 层的转换桁架竖腹杆的最大应力比为 0. 397， 上弦 杆最大应 力 比 为 0. 196， 下 弦 杆 最 大 应 力 比 为 0. 436， 均小于 0. 85， 由此可以得出第 8 层的转换桁 架满足小震弹性要求。转换桁架的最大挠跨比为 1/2 881 ＜1/400， 满足正常使用极限状态要求。 图 3小震作用下桁架应力比 2. 2 中震作用下计算结果 中震作用下， 不考虑风荷载作用组合， 结构构件 的抗震承载力 ［1， 5 ］应符合下式 γGSGE γ EhS * Ehk γ EvS * Evk≤ Ｒd /γ ＲE 2 式中 S* Ehk， S * Evk为水平、 竖向地震作用标准值的构件 内力， 不考虑与抗震等级有关的增大系数。 通过中震分析计算， 得到中震作用下的应力比 图 4 ， 由图 4 可知， 第 8 层的转换桁架竖腹杆最大 应力比为 0. 511， 上弦杆最大应力比为 0. 265， 下弦 杆最大应力比为 0. 691。第 8 层的转换桁架的杆件 应力比均小于 0. 85， 因此第 8 层的转换桁架可满足 中震弹性要求。 图 4中震作用下桁架应力比 2. 3 大震作用下计算结果 大震作用下， 不考虑风荷载作用组合， 结构构件 的抗震承载力 ［1， 5 ］应符合下式 SGE S* Ehk 0. 4S* Evk≤ ＲK 3 式中 ＲK为截面承载力标准值， 按材料强度标准值 计算。 在大震作用下结构会产生较大的变形， 部分构 件进入塑性， 结构的动力响应呈现出非线性［6 ］。计 算中考察各结构构件的性能状态， 其中转换桁架的 性能目标为 IO 构件屈服， 发生轻度破坏 ［7 ］。通过 PEＲFOＲM- 3D 软件分析可以得出转换桁架构件均 处于 IO 状态。 44 第 44 卷 第 2 期周德玲， 等． 津湾广场 9 号楼转换桁架结构设计 铸钢 GS20Mn5V 化学成分表 1 钢号材料号 质量比例/ CSiMnPSCrMoNi GS20Mn5V1. 1120. 17 ～0. 23≤0. 61. 00 ～1. 50≤0. 02≤0. 015≤0. 3≤0. 15≤0. 4 铸钢 GS20Mn5V 力学性能指标表 2 钢号材料号处理状态 铸件壁厚 /mm σ0. 2 / N/mm2 Σσb / N/mm2 抗拉、 抗压、 抗弯强度 f/ N/mm2 断面伸长率 δ5/ 冲击吸收功 Akw/J GS20Mn5V1. 112调质 ≤50 50 ～100 100 ～160 360 300 280 500 ～650 324 270 252 24 24 22 70 50 40 2. 4 第 8 层的转换桁架下悬吊部分的深化计算分析 第 8 层的转换桁架不仅承担其上部荷载作用， 还悬吊了 3 层外框柱， 因此结构悬吊构件安装情况 的模拟是否准确是模型正确与否的关键步骤， 所以 有必要对转换桁架下部的悬吊结构进行深化计算分 析。为保证转换桁架悬吊构件的受力安全， 分别以 考虑施工模拟和不考虑施工模拟两种情况分析转换 桁架悬吊构件的受力， 并考虑竖向地震作用。采用 ETABS 软件自带的施工顺序模拟功能进行桁架施 工模拟。 通过计算可知， 考虑施工模拟时吊柱的应力比 与不考虑施工模拟相比减小， 减幅在 0. 3 左右; 此时 转换桁架的应力比增大， 增幅在 0. 02 左右， 增幅不 大。图 5 为考虑施工模拟时吊柱及桁架的应力比 图。不 考 虑 施 工 模 拟 时 吊 柱 的 最 大 应 力 比 为 0. 966， 考 虑 施 工 模 拟 时 吊 柱 的 最 大 应 力 比 为 0. 607， 说明吊柱满足设计要求。 图 5考虑施工模拟时吊柱及桁架应力比 3第 8 层的转换桁架的施工方案分析 3. 1 转换桁架施工方案及难点概述 考虑到第 8 层的转换桁架对于本工程的重要 性， 在设计过程中， 不但要对于正常使用过程进行分 析， 还要考虑施工安装过程对转换桁架的影响， 以保 证施工的可行性， 并针对其中的难点提出解决方案。 第 8 层的转换桁架安装的主要难点如下 1 由于建筑立面收进， 桁架角部采取了主、 次 桁架结合的形式来完成上部外框柱的转换。因此加 大了节点施工难度， 即单个节点所连接的杆件过多， 最多处为 9 根杆件; 个别杆件之间的夹角过小， 最小 为 23， 施工难度大。 2 单品桁架跨度大、 自重大， 若在地面拼装、 整体吊装， 虽然能减少高空焊接量， 但对吊装提出的 要求太大， 成本太高; 若采取散件高空焊接拼装， 虽 然吊装难度降低， 但高空焊接量太大， 对于如此重要 的桁架， 其焊接质量的控制难度就更大。如何权衡 上述 2 个方案， 找到两者的平衡点， 在保证结构安全 的同时降低施工难度， 成为本工程的重点问题。 3 转换桁架既承托上部外框柱， 又悬吊下部 吊柱， 同时还要考虑主塔楼约 300m 高度带来的整 体变形， 因此各部分的安装顺序成为了关键， 且需要 进一步复核安装顺序带来的多种额外受力工况。 4 由于采用了 Q345B 钢材， 且最大钢板厚度 达到 100mm， 焊接难度大。 3. 2 铸钢节点的采用 考虑到节点杆件多、 夹角小的特点， 桁架角部节 点采用了铸钢节点［6 ］ 图 6， 7 ， 考虑到其重要性， 对 其材质提出了如下要求 1 在结构的一些部位， 由 于多个构件相交于同一节点， 连接采用铸钢节点， 其 强度和性能应与所连接的构件中钢材强度等级最高 的相符; 2 铸钢节点所用钢材为 GS20Mn5V， 其化学 成分见表 1; 3 铸钢节点所用钢材力学性能应符合 表 2。 图 6第 8 层的转换桁架主要节点示意图 3. 3 转换桁架分段安装设计 通过对多方案的比选， 对桁架分段进行了优化， 54 建筑结构2014 年 图 7第 8 层的转换桁架铸钢节点示意图 既保证了单个分段的重量不致太大， 减小吊装难度， 又通过合理的分段， 减少高空焊接量， 并将高空焊接 点远离节点受力最大处， 达到了各方面的平衡， 且对 分段安装的顺序做了初步的设计。桁架的主要分段 如图 8 所示， 其中最大的分段质量为 27t， 主要安装 流程如图 9 所示。 图 8桁架分段示意图 图 9桁架分段安装顺序示意图 考虑到主塔楼施工过程中不断存在的压缩变 形， 经过比较提出的安装顺序如下 1 主体结构安 装至第 4 层顶部时， 其上楼面梁停止安装， 仅巨柱、 角柱向上继续安装; 2 安装第 8 层的转换桁架; 3 安装其上部的外框柱， 可同时安装第 6， 7 层的吊柱 及相应的楼面梁; 4 待主体结构施工完成后， 再安 装第 5 层的吊柱， 形成完整的结构。 上述顺序应注意的主要事项如下 1 安装全程 要做好全程沉降观测， 以便及时调整方案; 2 第 8 层的转换桁架的安装时， 由于跨度太大， 在其下部设 置临时桁架作为临时支撑; 3 结合总体工程的进 度， 若较早进行幕墙安装， 则第 5 层吊柱最后安装的 想法难以实现， 根据幕墙安装的进度、 即时的沉降量 及预估的沉降变形量， 采取长圆孔预留沉降变形量， 待主体变形稳定后再焊牢， 此方案需在施工过程中 确定。主要安装的三维流程见图 10。 图 10桁架安装三维流程图 3. 4 临时桁架的设计 转换桁架下部第 5， 6 层之间需设置临时桁架， 将转换桁架的荷载通过临时桁架传递到下部巨柱及 角柱上， 以实现转换桁架与其下部吊柱的相对独立。 临时桁架采用截面尺寸为□500 500 20 20 的 箱形钢， 并设置千斤顶， 以调节转换桁架标高， 具体 的方案将结合施工过程确定， 初步示意见图 11。 对上述临时桁架进行了初步的计算 1 计算荷载 结构构件自重 恒载 ; 施工荷载 2.5kN/m2 活载 。 2 计算分析 根据施工方案， 采用 MIDAS/Gen 软件 建立有限元模型进行计算分析。钢梁采用梁单元模 拟， 支撑采用桁架单元模拟。安装全过程的位移及应 力见图12， 13， 桁架中各个杆件的应力比见图14。 64 第 44 卷 第 2 期周德玲， 等． 津湾广场 9 号楼转换桁架结构设计 图 11临时桁架布置示意图 图 13施工阶段时桁架应力/MPa 图 12施工阶段时桁架位移/mm 图 14桁架各杆件应力比 安装过程中桁架的最大位移为 3. 20mm， 整个 桁架安装完后各构件的最大应力比小于 0. 3， 故各 构件强度满足规范要求。 4结语 本工程为超过 B 级高度的高层建筑， 结构形式 较为复杂， 存在多项不规则， 对本工程重要部位的转 换桁架， 采用了性能化设计方法， 并结合施工模拟进 行分析， 保证了本工程满足“小震不坏、 中震可修、 大震不倒” 的抗震设防目标， 施工方案可行， 结构安 全、 经济。 参考文献 ［1］ 黄兆纬， 蔡浩良， 胡雪瀛， 等． 津湾广场 9 号楼超限高 层结构方案形成过程［J］ ． 建筑结构， 2014， 44 2 32- 37． ［2］ 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． ［3］ GB 500112010 建筑抗震设计规范［ S］ ． 北京 中国建 筑工业出版社， 2010． ［4］ 徐培福， 傅学怡， 王翠坤， 等． 复杂高层建筑结构设计 ［ M］ ． 北京 中国建筑工业出版社， 2005． ［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］ ． 2010． ［6］ 钟善桐． 钢管混凝土结构［M］ ． 北京 清华大学出版 社， 2003． ［7］ CECS 2352008 铸钢节点应用技术规程［ S］ ． 北京 中 国计划出版社， 2008． 中国建筑设计研究院 集团 获得三项绿色设计国际奖 2013 年 10 月 18 日 ，“2013 世界绿色设计论坛布鲁塞 尔峰会” 在布鲁塞尔欧洲议会大厦召开， 论坛以“绿色设计 助力全球可持续发展” 为主题， 探讨如何运用 “绿色设计” 引 领全球经济社会发展中的材料变革、 生产变革和消费变革， 创建 “绿色达沃斯” 全球绿色消费与节能减排、 可持续 发展的对话机制。论坛期间揭晓了“2013 绿色设计国际贡 献奖” ， 中国建筑设计研究院 集团 获得了机构奖， 集团副 院长兼总建筑师崔愷院士、 标准院绿色建筑研发中心贺静总 建筑师获得个人奖。一同获奖的中国机构还有海尔、 康佳和 国家电网公司等 8 家。 世界绿色设计论坛是光华设计基金会、 国际设计联合 会、 欧中友好协会、 新华社中国名牌、 QSC 基金会等机构于 2011 年发起的全球性可持续发展对话平台。2011 年 9 月在 瑞士卢加诺举办首届论坛， 2012 年起将欧洲举办地确定为 比利时布鲁塞尔市， 2013 年 5 月确定中国举办地为扬州市， 开启中欧平行举办峰会的机制。 “绿色设计国际贡献奖” 是 “世界绿色设计论坛” 设立的 国际化、 公益性奖项， 旨在表彰以绿色设计为手段， 推动绿色 技术、 绿色材料、 绿色能源、 绿色装备等的应用， 致力于改善 人类生存环境、 做出卓越贡献的专业人士和专业组织。该奖 项以具备环保功能、 环保理念的绿色设计为主题， 评审团由 来自世界各地的著名设计专家、 环保组织权威人士及国际知 名人士共同组成。评选过程严格遵循公益、 公开、 公正的原 则， 已经成为国际设计领域的权威奖项， 代表了全球绿色设 计的最高荣誉， 对引领企业家、 设计师、 社会大众共同创造人 类生态文明新生活做出了积极贡献。 74