超限复杂高层结构设计案例分享.pdf

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1、海航国际广场 结构设计BIAD 北京 2022年06月海航国际广场项目一.工程概况二.结构设计概述三.主要结果和设计过程四.风振分析研究五.防屈曲耗能支撑的应用六.矩形钢管混凝土柱现场浇筑试验七.矩形钢管混凝土柱构造研究八.总结海航国际广场项目一、工程概况海航国际广场项目海航国际广场由A、B两座主楼及裙房组成，其中A座为新建，位于原已建结构北侧，高度为249.6m。B座在原有结构基础上续建2层，建筑高度为73.0m。在地下，A座、B座及裙房均设三层地下室，连为一体；在地上，B座主楼与裙房连为一体，而A座主楼与B座主楼及裙房设缝分开，为两个独立的结构单元。建筑总面积为21.5万，其中地上16.1

2、万，地下5.4万。海航国际广场项目A座主楼地上53层（局部55层）。下部功能为5A级高档写字楼，上部主要功能为五星级酒店。在6、17、32层和51层分别设置了避难层和设备转换层。B座主楼地上17层，裙房5层，结构高度为67.5m，主要功能为写字楼和酒店附属设施。海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目二、结构设计概述海航国际广场项目海航国际广场A座高度249.6米，核心筒高223.6米，地面以上53层，设计时是我国大陆抗震设防烈度8度半地区最高的建筑。平面呈枣核形，底部平面尺寸为45.2m 58.5m，高宽比5.0。核心筒平面尺寸为41.6m 15.2m，核心筒高宽比为14.7。海航国

3、际广场项目海航国际广场采用带有加强层的钢管混凝土框架核心筒结构体系，外框架柱为矩形钢管混凝土柱，外框架梁为钢梁，内筒为混凝土核心筒。外框架与核心筒之间的楼面梁为钢梁。为了提高结构抗震性能，在外框架四个角部设置防屈曲耗能支撑。持力层为中风化玄武岩层，地基承载力特征值2500kPa，基础采用平板式筏板基础，厚度2.5m。海航国际广场项目海航国际广场项目建筑结构抗震设防类别丙类结构重要性系数1.1建筑结构安全等级一级设计基准期50年设计使用年限50年基础设计等级甲类基础安全等级一级抗震设防烈度8度抗震措施8度设计基本地震加速度0.30g场地类别II类特征周期0.31s（插值计算得到）周期折减系数0.

4、95剪力墙底部加强区底部5层海航国际广场项目平面规则性L/B1.35凹凸不规则无30%楼板不连续二层开洞49.2%30%位移比1.191.2扭转周期比0.490.85竖向规则性侧向刚度34层不满足(1.03,0.98)35层不满足(0.92,0.85)不小于上层的70和其上三层平均值的80竖向构件斜撑转换竖向构件上下贯通承载力50层不满足（0.24,0.15）31层不满足（0.37,0.26）16层不满足（0.49,0.37）不小于上层的75收进、悬挑无不大于4m结论本工程平面基本规则，竖向不规则海航国际广场项目地震烈度多遇地震设防地震罕遇地震性能等级没有破坏可修复损坏无倒塌层间位移角限值1/

5、554-1/100构件性能框架柱规范设计要求，弹性不屈服允许进入塑性，满足受剪截面控制条件框架梁规范设计要求，弹性允许屈服允许进入塑性核心筒墙肢规范设计要求，弹性不屈服允许进入塑性，满足受剪截面控制条件核心筒连梁规范设计要求，弹性允许开裂允许进入塑性转换斜撑规范设计要求，弹性弹性不屈服防屈曲耗能支撑弹性屈服屈服海航国际广场项目超限措施主要包括：1底部加强区的竖向构件在中震下按照抗弯不屈服，抗剪弹性验算；2转换构件按中震弹性验算，包括转换斜撑和斜撑下框架柱，并在大震下确保不屈服；3将底部加强区的框架抗震等级提高为特一级；4外框架采用钢管混凝土柱，内核心筒设置构造钢骨框架，提高结构的延性；5在外框

6、架角部设置防屈曲耗能支撑，提高结构的耗能能力；6加强层及其相邻层的框架柱及核心筒的配筋加强，箍筋全高加密，提高延性；楼板厚度加大，双层双向配筋；7对薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数，薄弱层的柱、墙配筋加强，框架柱箍筋全高加密；8采用动力弹塑性分析验算结构在罕遇地震作用下的变形海航国际广场项目三、主要结果和设计过程海航国际广场项目海航国际广场项目05010015020025000.0050.010.0150.02层间位移角H(m)天然波2人工波天然波1平均值规范限值05010015020025000.0050.010.0150.02层间位移角H(m)天然波2人工波天然波1平均值规范限值海航

7、国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目17131925313743495500.0020.0040.0060.0080.010.012层间位移角(rad)高度(m)天然波1天然波2人工波平均值规范限值17131925313743495500.0020.0040.0060.0080.010.012层间位移角(rad)高度(m)天然波1天然波2人工波平均值规范限值海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目方案用钢量结论钢管混凝土柱箱型柱柱内无需另设钢筋，用钢量约与十字型钢骨柱中的钢骨和纵筋用量之和基本相同。用钢量大，无需钢筋十字钢骨柱十字

8、型钢骨柱内需另行设置纵筋和箍筋，钢骨与纵筋用量之和与钢管柱用钢量基本相同。用钢量小，需另设钢筋海航国际广场项目方案现场施工结论钢管混凝土柱1、箱型柱吊装后不受土建施工影响(特别是绑扎钢筋，支模等)，能有效加快钢结构安装进度。2、箱型柱内灌混凝土，无需绑扎钢筋，明显加快进度，缩短工期。3、箱型柱焊接施工操作方便，不受土建施工及钢筋等影响，焊接效率高，可加快安装工期。相对较好十字钢骨柱1、十字柱吊装完成后，还需进行绑扎钢筋，支模板等工序，工序多，协调难度较大，施工效率低，工期较长。2、十字柱焊接等施工受土建钢筋，模板等影响较多，施工效率难以提高。相对较差海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场

9、项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目四、风振分析研究海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目在10年重现期的风荷载作用下，混凝土结构主体顶点的最大加速度为0.08m/s2，满足规范关于结构舒适度的要求。虽然屋顶钢架的加速度很大，但由于其质量较轻，对下部混凝土结构的影响较小。屋顶钢架则刚度较小，在风荷载作用下有着比较明显的鞭梢效应，设计时需要考虑风振引起的构件内力，合理选择材料和构造，避免疲劳破坏，确保结构安全。海航国际广场项目五

10、、防屈曲耗能支撑的应用海航国际广场项目海航国际广场项目屈服力应为1500kN，初始刚度值应为500000kN/m，屈服位移为3.0mm，极限位移不小于45.0mm，且应有大震保护装置。按GB50011-2010中第8.1.6条的条文说明中的要求进行检验。依次在1/300,1/200,1/150,1/100支撑长度下，拉伸和压缩往复各3次变形。试验得到的滞回曲线应稳定、饱满，具有正的增量刚度，且最后一级变形第3次循环的承载力不低于历经最大承载力的85%，历经最大承载力不高于屈曲约束支撑极限承载力设计值的1.1倍。海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目-2000-1500

11、-1000-5000500100015002000-0.04-0.0200.020.040.06变形(m)轴力(kN)-2000-1500-1000-5000500100015002000-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.02变形(m)轴力(kN)海航国际广场项目本工程中防屈曲耗能支撑的设置并未明显地改变结构周期、刚度等基本参数。有防屈曲耗能支撑模型的外力功为5.00E5 kJ，稍小于无防屈曲耗能支撑模型的5.05E5 kJ。海航国际广场项目有防屈曲耗能支撑模型的塑性耗能为无防屈曲耗能支撑模型塑性耗能的95%。这表明，有防屈曲耗能支撑模型的主体结构进入塑性的程

12、度要轻微。海航国际广场项目从上述能量分析可以看出，防屈曲耗能支撑使得主体结构进入塑性的程度减轻了5%。本工程中仅布置了少量的防屈曲耗能支撑，且主要抗侧体系为混凝土核心筒，但防屈曲耗能支撑仍然发挥了比较大的作用。这也说明，防屈曲耗能支撑的设置改善了结构的抗震性能。海航国际广场项目六、矩形钢管混凝土柱现场浇筑试验海航国际广场项目泵送顶升浇筑法和高位抛落免振捣法是超高层结构中主要应用的浇筑方法。当采用高抛法浇筑混凝土时，浇筑高度一般713米左右（约2到3层），侧向压力有多大？浇筑完成后钢管应力有多大？对设计的影响有多大？海航国际广场项目编号 位置 定位说明 导线出口 备注 YL01 48 层 压力盒

13、，采用架立钢筋固定，距 47 层地面约 6m，压力盒平面为竖向 导线长度 15 米接头从混凝土浇筑位置出来。YL02 47 层 压力盒，采用架立钢筋固定，距 47 层地面 0.5m，压力盒平面为竖向 底部附近钢柱开孔引出 YL03 47 层 同 YL02 底部附近钢柱开孔引出 在测试柱 2 内布置，但数据线损坏，无数据 YB01 47 层 同 YL03 位置 同 YL03 共出口 YB02 47 层 同 YL02 位置 同 YL02 共出口 YB03 48 层 同 YL01 位置 同 YL01 共出口 WD-03 WD-04 47 层 侧边，短边、长边各 1 个，距 47 层地面 0.5m 底

14、部出口，同YL03 WD-01 WD-05 50 层 侧边，短边、长边各 1 个，距 50 层地面 0.5m 上部出口同YLO1 出口 WD-02 WD-06 48 层 侧边，短边、长边各 1 个，距 47 层地面约 6m 同 YL02 出口 海航国际广场项目海航国际广场项目13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19:00 00:00 05:00 10:000.000.020.040.060.080.100.120.14压力/MPa时间/小时13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19:00 00:00 05:00 10:000

15、.000.020.040.060.080.100.120.14压力/MPa时间/小时海航国际广场项目13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19:00 00:00 05:00 10:0033003320334033603380340034203440压力/MPa时间/小时13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19:00 00:00 05:00 10:0033003320334033603380340034203440压力/MPa时间/小时海航国际广场项目13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19

16、:00 00:00 05:00 10:00101520253035404550温度/时间/小时13:00 18:00 23:00 04:00 09:00 14:00 19:00 00:00 05:00 10:00101520253035404550温度/时间/小时海航国际广场项目15:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00-100-50050100150200250应变时间 z1-3 z2-315:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00030060090012001500应变时间 z1-1 z2-1 z

17、2-4海航国际广场项目1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01 01.01.01.01 01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01

18、.01.01.01.01.01 01.01.01.01 01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01

19、.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.001.01.01.001.01.01.01.01.01.01 01.01 01.01.

20、01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.

21、01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01 01.01 01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.00 01.01.01.00 01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.

22、01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.

23、01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.1.01 01 01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0

24、1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0

25、1.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.001.001.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01

26、.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.017:0018:0019:0020:0021

27、:0022:0023:00020406080100120140160180压力系数荷载工况（以时间为工况名称）YL0217:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00-1001020304050温度/荷载工况（以时间为工况名称）钢板温度海航国际广场项目16:3018:0019:3021:0022:3000:0001:300.00.51.01.52.02.53.03.5变形/mm时间 计算值 实测值15:3616:4818:0019:1220:2421:3622:48-1001020304050应力/MPa时间 计算值 实测值z1-1 实测值z2-1海航国际广场项目矩形钢管

28、混凝土浇筑时，实测得到的混凝土侧向压力小于静水压力值。侧向压力主要与混凝土的塌落度、外加剂和浇筑速度等因素有关，在超过一定高度后，与混凝土的浇筑高度无关。浇筑完成时，钢管内混凝土的侧压力达到最大。随着混凝土的凝结，侧压力逐渐减小，待混凝土终凝后，混凝土对钢管的侧压力已很小，设计时可不考虑此压力产生的钢管应力。海航国际广场项目七、矩形钢管混凝土柱构造研究海航国际广场项目模型1模型2模型3海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目模型模型1模型模型2模型模型3钢管应力（Mpa)113.723171.713130.11混凝土应力（Mpa)13.81221.05816.998极限

29、承载力(kN)171000170000175000海航国际广场项目通过上述分析可以看出：与模型2相比，模型3在矩形钢管中设置了加劲肋，钢管混凝土柱的刚度明显提高，同时可以有效地控制钢管壁的屈曲变形，提高矩形钢管的局部稳定性。模型2与模型1的计算结果进行比较，承载力稍有下降，但中间竖板开洞有利于两侧的混凝土更好地协同工作。模型3的构造措施更为经济、合理。中间竖板开洞后，洞口边角有应力集中现象，需要进行专门处理。海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目海航国际广场项目从加劲肋方案和栓钉方案的计算结果对比可以看出，加劲肋的Y向、X向最大拉应力分别为7.4MPa、7.5MPa，栓钉Y向、X向最

30、大拉应力分别约为57.3MPa、59.2MPa，二者都可以有效地发挥作用。考虑到混凝土对栓钉钉帽的窝裹作用，栓钉将力传递到钢管内壁，钢管管壁受拉作用效果明显，一定程度上防止其向外鼓曲。而且栓钉的用钢量较加劲肋大大降低，因此，纵向加劲肋位置用焊接栓钉代替可以产生较好的经济效益。海航国际广场项目竖板开洞数量的影响模型名称开洞数量中竖板洞口极限承载力(N)宽度厚度高度宽度厚度高度模型b11270405500370406000.171201E+09模型b21270405500370406000.170542E+09模型c31270405500370406000.170021E+09模型41270405

31、500370406000.170096E+09模型e51270405500370406000.169961E+09海航国际广场项目加劲肋外伸长度的影响模型名称外伸宽度厚度高极限承载力(N)模型a1002025000.984694E+08 模型b1502025000.106167E+09 模型c2002025000.108689E+09 模型d2502025000.111314E+09 模型e3002025000.113879E+09 海航国际广场项目加劲肋外伸厚度的影响模型名称外伸宽度厚度高极限承载力(N)模型a2501025000.104862E+09 模型b2501525000.10815

32、9E+09 模型c2502025000.111312E+09 模型d2502525000.114485E+09 模型e2503025000.117651E+09 模型f2503525000.120883E+09 模型g2504025000.124019E+09 海航国际广场项目八、总结海航国际广场项目海航国际广场设计时是我国大陆“8度半”抗震设防区域的最高建筑，属于平面基本规则、竖向不规则的超限复杂高层结构。通过合理布置结构、确定性能目标，并针对结构的超限情况采用相应的技术措施，使得结构具有良好的抗震性能。在结构上部设置了防屈曲耗能支撑，增加了抗震防线。分析计算表明，工程各项指标均满足规范要求，防屈曲耗能支撑可以有效地发挥作用。谢谢,请指正BIAD 北京 2022年06月