金融大厦裙房屋面异形钢网格结构设计.docx

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1、第 46 卷 第 20 期2016 年 10 月下建筑结构Building StructureVol 46 No 20 Oct 2016苏州太平金融大厦裙房屋面异形钢网格结构设计谈丽华1 ， 夏瑾2 ， 邓继明1 ， 柴继锋1( 1 中衡设计集团股份有限公司，苏州 215021; 2 株式会社日建设计，东京 102-8117)摘要 苏州太平金融大厦裙房屋面异形钢网格结构与塔楼外墙形成一体并呈现出丝绸般柔软的连续曲线造型， 钢网格结构支承系统由搁置于塔楼的滑动支座、地下室顶板升起的 4 根树形柱、裙房屋面上部的 V 形柱组成，空间布置复杂。介绍结构布置及相关支座设计，分析结构的动力特性及稳定性能

2、，并对树形柱等关键结构构件进行抗 震性能分析，对关键节点进行有限元分析。分析结果表明，相关节点构造能满足结构安全性要求。关键词 苏州太平金融大厦; 异形网格; 树形柱; 稳定; 节点分析中图分类号: TU318文献标识码: A文章编号: 1002-848X( 2016) 20-0078-06Structural design for special-shaped steel grid roof of annex for Suzhou Taiping Finance TowerTan Lihua1 ，Xia Jin2 ，Deng Jiming1 ，Chai Jifeng1( 1 ATS Grou

3、p Co，Ltd，Suzhou 215021，China; 2 NIKKEN SEKKEI Ltd，Tokyo 102-8117，Japan) Abstract: The special-shaped steel grid structure roof of annex for Suzhou Taiping Finance Tower integrates with the tower exterior wall as a whole to present a soft-silk-like continuous curve shape Steel grid structure supporti

4、ng system is composed of sliding bearings on the tower，4 dendriform columns raised from basement roof，and V-shaped columns on top of annex roof，and the spatial arrangement is complex The structural layout and related bearing design were introduced The dynamic characteristics and the stability of the

5、 structure were analyzed Seismic performance analysis on the key structural members such as dendriform columns was carried out The finite element analysis was conducted on the key joints Analysis results indicate that the relevant joint construction can satisfy the requirements of structural safety

6、Keywords: Suzhou Taiping Finance Tower; special-shaped grid; dendriform column; stability; joint analysis1 工程概况苏州太平金融大厦位于苏州工业园区星湖街以西、苏州大道以北，地块长约 90m，宽约 107m，是聚超高层办公、商业为一体的城市综合体，建筑总高度为 180. 8m，总建筑面积约为 11. 1 万 m2 ( 图 1) 。塔楼和裙房在地面下连成一体，地面以上塔楼与裙楼 各自独立，形成中部商业广场，塔楼与裙房通过钢连 廊连为一体。广场上部设计了异形钢网格结构，覆 盖裙房屋面和南北商业

7、广场，造型与塔楼外墙延续， 呈现丝绸般柔软的连续曲线造型，与塔楼外墙一起 形成包覆感与上升感( 图 2 ) 。结构东西向跨度约42m，南北向长度约 74m。2 结构体系裙房屋面异形钢网格结构空间上呈不规则曲线变化( 图 3，4 ) 。在塔楼 3，7 层位置设置结构缝，将其与塔楼外墙分隔开。结构总体为竖向受弯的曲梁结构，由于结构为四边形网格，因此节点采用刚接或布置水平支撑等形式来保证结构面内刚度。异形钢网格结构可以分为几个区块: 商业广场上部区块、裙房屋面上部区块、南北两侧下倾飘带。异形钢网格结构采用不自然共面的四边形钢网格， 钢构件沿南北及东西双向布置，网格尺寸为 1. 5m 1. 5m，所有

8、钢构件材质均为 Q345B。东西向网格构件截面为箱形( 400 150 6 9 和400 150 9 16) ，南北向网格构件截面主要为不等宽翼缘 H 形，截面为 H300 ( 150 /100 ) 6 9 ( 上翼缘宽150mm，下翼缘宽 100mm) 和 H300 ( 150 /100) 9 16( 上翼缘宽 150mm，下翼缘宽 100mm) 。部分南北向 H 形截面杆件端部设计为铰接，最大限度地减少刚接节点，为保证平面刚度，在部分平面内设置交叉圆拉杆( 28. 3，17. 7) ，见图 5。图 1 太平金融大厦鸟瞰图图 2 裙房屋面钢结构与塔楼外墙过渡作者简介: 谈丽华，硕士，研究员级

9、高工，一级注册结构工程师，Email: tanlihua artsgroup cn。第 46 卷 第 20 期谈丽华，等 苏州太平金融大厦裙房屋面异形钢网格结构设计79图 3 异形钢网格结构东南角鸟瞰图图 4 异形钢网格结构东北角鸟瞰图图 5 平面内交叉圆杆南侧飘带从塔楼支撑点至南侧树形柱距离约为18m，至网格分叉位置距离约为 34m。结构形态为从裙房顶向下倾斜，此处网格布置与普通屋面布置 相同，东西向采用箱形截面，南北向采用 H 形截面。北侧飘带范围内无树形柱，从塔楼支撑点至北侧裙房屋面V 形柱距离约为 40m，宽度约为 2. 8m。跨度方向( 东西向) V 形柱采用变截面箱形构件，截面尺寸

10、为( 400 900) 150 14 22 和( 400 775) 150 14 22。为增强北侧飘带自身抗扭能力及变形能力，主受力钢梁布置加密，间距约为 500mm， 同时利用面外布置的 H 型钢梁，保证结构的自身整体性。南北两侧飘带与塔楼相接位置( 图 3) ，通过滑动支座与塔楼外伸悬臂梁相连，鉴于飘带的细长形态，飘带侧向( 南北向) 刚度弱，为防止飘带在水平力作用下端部出现较大水平位移，支座设定为侧向固定、纵向( 东西向) 滑动的单向滑动铰支座。南北侧飘带支座数分别为 3 个和 2 个。网格构件与悬臂梁连接做法如图 6 所示。7 层钢屋盖与塔楼相接处，屋面异形网格伸出水平刚臂，通过双向滑

11、动铰支座与塔楼相连，共计 20 处。为加强刚臂端部的抗扭能力，在刚臂端部设置拉梁( H300 150 8 10) ，7层钢网格断缝做法见图 7。裙房屋面结合结构柱网布置，V 形钢管柱图6 网格构件与悬臂梁连接做法图 7 7 层钢网格断缝做法( 351 16，245 12) 支承钢屋盖。商业广场横向约为 21. 6 25m，为减小上部钢屋盖跨度，商业广场中部布置 4 根树形柱( 图 8) ，固定于相应的地下室顶板梁上，树形柱由 4 根独立钢管( 351 16，351 20) 通过横向刚臂相连构成。图 8 V 形柱及树形柱分布钢屋盖承受的竖向荷载通过与塔楼相接处设置的滑动支座、商业广场设置的树形柱

12、以及裙房区域设置的 V 形柱等构成的竖向受力体系进行传递，整体传力路径均匀分布。钢屋盖承受的水平荷载通过树形柱、V 形柱等传递给下部混凝土结构。为加强异形钢网格结构自身的面内刚度，部分网格内布置了交叉圆拉杆。下部支撑复杂，为合理考虑上部钢屋盖与下部裙房的耦合作用，采用 MIDAS 中组装模型进行计算分析。3 结构荷载结构计算时，考虑荷载包括结构自重、屋面玻璃幕墙荷载、屋面活荷载、温度作用、地震作用、风荷载、雪荷载等。钢结构自重由有限元模型中程序自动计算。屋面幕墙附加恒载取 1. 0kN / m2 。活荷载80建筑结构2016 年取 0. 5kN / m2 。温度作用: 苏州地区基本气温最低为

13、5 ，最高为 361，屋盖结构考虑在春秋季合 拢，基础气温设定为 15 20 ，考虑太阳辐射对屋面钢结构的影响，升温温差 35 ，降温温差25 。风荷载及风环境采用数值风洞方法模拟2。工程抗震设防烈度为 6 度3，根据安评报告4，地震作 用影响系数最大值为 0. 081，建筑场地类别为类，设计地震分组第一组。采用振型分解反应谱法进行 地震计算，考虑三向地震作用。工程 50 年重现周期基本风压为 0. 45kN / m2 ，地面粗糙度类别为 B 类。工程周围存在距离较近的高层及超高层建筑，存在漩涡的相互干扰。裙房屋 面与塔楼顶部体型复杂，对风效应敏感。采用数值 风洞模拟方法对结构表面风荷载等风特

14、性进行了分 析和研究。模型前处理采用 HINO，AutoCAD 与GAMBIT 交互式建模，计算软件选用 FLUENT，后处理软件选用 TECPLOT 360 和 PYTHON 等。数值风洞模拟计算模型如图 9 所示。通过数值风洞模拟计算，得到不同风向角下结构表面的风荷载结果，结果 表明，工程周边( 已建和待建) 建筑群对结构起到了明显的遮挡效应。屋面平行于风向部分的边缘在迎 风面由于气流分离产生负压涡流，靠近迎风边缘处 风吸力较大，随着距离的加大风吸力逐渐减弱。屋 盖与塔楼主体连接南北飘带处，由于在不同方向来 流下产生一定的狭缝效应，部分区域风压较大。根 据数值风洞结果，对不同风向角风载进行

15、包络设计。结构风振系数取 2. 0。图 9 数值风洞模拟计算模型苏州地区 50 年一遇基本雪压为 0. 40kN / m2 ，为考虑裙房与塔楼之间的高低差造成雪的堆积，结合屋面造型对雪荷载分布的影响，考虑堆积区域，雪荷载分布系数为 2. 0，积雪堆积宽度取 8m，工程雪荷载分布示意如图 10 所示。4 结构动力特性异形钢网格结构分别支承于裙房屋面、塔楼结构以及地下室顶板，支撑体系复杂。为真实反映下部结构对异形钢网格的影响，采用总装模型一致激励进行地震作用计算。阻尼比基于能量等效原则确 定，其中钢材和混凝土材料的阻尼比分别取 0. 02，0. 05。各振型阻尼比计算结果如图 11 所示。采用it

16、z 向量法进行结构特征值分析，质量源定义为1. 0 恒载 + 0. 5 活载。经计算，各向质量参与系数均大于 90% 。结构的前 6 阶模态如图 12 所示。5 承载力极限状态验算控制异形钢网格结构设计应力比小于 0. 95，树形柱应力比小于 0. 85。构件承载力验算过程中，针对部分受轴力为主的杆件，面内、面外计算长度系数分别取 1. 6，1. 05。网格构件除某 3 根杆件应力比最大值为 0. 93 外，其余杆件应力比均小于 0. 90，树形柱最大应力比为 0. 687。图10 雪荷载分布示意图图 11 各振型阻尼比计算结果图 12 前 6 阶振动模态第 46 卷 第 20 期谈丽华，等

17、苏州太平金融大厦裙房屋面异形钢网格结构设计816 正常使用极限状态验算M = Mq + MH( 1)i异形钢网格结构和南北侧飘带结构在恒活荷载6 = 1i1 = 1( 2)标准组合下，控制竖向挠跨比小于 1 /400。屋面i异形网格部分最大竖向挠度位于商业广场上部区段，最大挠度值约为 32mm，此处跨度取裙房与塔楼 = 1i1 ( 3)的间距，约为 20m，挠度与跨度之比为 1 /625，满足要求。南侧飘带最大挠度值约为 82mm，此处跨度取塔楼 3 层外伸梁至网格分叉位置，约为 34m，与跨度之比为 1 /415，满足要求。北侧飘带最大挠度值约为 100mm，此处跨度取塔楼 3 层外伸梁至屋

18、面 V形柱间的距离，约为 40. 4m，与跨度之比为 1 /404，满足要求。7 结构整体稳定性分析为评价结构整体稳定性能，进行恒载 + 活载下结构特征值屈曲计算。第 1 阶整体屈曲模态的临界荷载系数为 15. 10，结构二阶效应不明显，整体稳定性满足要求。结构第 1 阶特征值屈曲模态见图 13。图 13 第 1 阶特征值屈曲模态8 树形柱性能分析工程树形柱根据建筑效果要求，采用由 4 根钢管通过箱形截面的刚臂连接而成的“格构式” 柱作为树干，4 根钢管继续伸展形成 4 根树杈与上部钢网格相连( 图 14 ) 。树形柱主要承受轴向压力，二阶效应不可忽略。采用简化的二阶弹性分析方法计算树形柱的承

19、载能力，并对树形柱的刚臂节点以及钢管弯折点进行节点应力有限元分析。8. 1 树形柱承载能力计算用简化的二阶弹性分析方法计算树形柱承载能力，基本过程如下:( 1) 弹性屈曲分析， 求解弹性屈曲因子。( 2) 按二阶理论对一阶弯矩进行放大考虑，内力放大计算公式式中: Mq 为竖向荷载作用下的一阶弹性弯矩; MH 为i水平荷载作用下的一阶弹性弯矩; 为考虑二阶效应杆件侧移弯矩增大系数; i 为二阶效应系数; 为对整体结构做屈曲分析，最低阶整体屈曲模态对应的临界荷载因子。在恒载 + 活载作用下，当树形柱屈曲时，其屈曲系数为 23. 96( 图 15) 。结构对侧移不敏感，P- 效应所引起的内力放大系数

20、约为 1. 044。图 15 柱屈曲模态( 3) 引入结构层次初始缺陷 0 ，按照最低阶屈曲模态法，最大缺陷为 H /250，H 为结构最大高度。 ( 4) 引入杆件层次初始缺陷 0 ，采用有效长度考虑，树干取 1. 1，树杈取 1. 05。( 5) 基于一阶弹性模型，调整荷载效应系数，修改有效长度系数。( 6) 关于树干，仅考虑单肢独立工作，得到树形柱需求能力比结果如图 16 所示。图 16 树形柱需求能力比( 最大值 0. 91)( 7) 联肢能力计算。关于联肢树干的承载能力，以最南侧树形柱( 4 根 351 20 联肢) 为例，横隔梁间距为 3 400mm，基于 SAP2000 双非线性

21、方法进行分析( 考虑 P- 效应，定义 PMM 铰) ，单肢模型与联肢模型均引入L /350半波形杆件缺陷( L 为树形柱高度) 。边界条件为顶部双向水平约束，底部双向水平及竖向三向约束。单肢模型和联肢模型顶部分别施加荷载 250，1 000kN。单肢模型和联肢模型的屈曲系数分别为 16. 436，24. 52 ( 图 17) 。可以判定: 联肢模型因为横隔梁的协同作用，提高了各单肢如下:图 14 树形柱构造的临界荷载，提 高计算值约为 24. 52 /16. 436 =82建筑结构2016 年1. 49，取能力提高值 1. 3，考虑横隔作用的承载力极限状态应力比为 0. 91 /1. 3 =

22、 0. 7，可满足设计要求。图 17 双非线性计算结果8. 2 树形柱节点有限元分析树形柱树干/ 树杈弯折位置以及树干中部钢管刚臂连接做法见图 18。采用 ABAQUS 进行节点有限元分析，采用 S4 单元进行模拟。计算结果表明， 节点区各板件均处于弹性状态，满足规范及设计条件。图 19，20 为最南侧树形柱在弯折点及刚臂连接点的应力分析结果，最大单元应力为 182. 4MPa( 钢管弯折位置杆件) ，刚臂连接点位置节点区域应力最 大 值 为 236. 3MPa， 均 小 于 0. 85 295 =250. 75MPa，满足要求。图 18 树形柱节点构造做法9 节点有限元分析屋面异形钢网格结构

23、东西向采用箱形截面，南北向采用 H 形截面，常用的相贯节点、铸钢节点、焊接球节点等均不能满足本工程的要求。结构杆件刚接节点构造做法如图 21 所示。裙房屋面上部 V 形柱采用钢管相贯焊接形式，构造做法如图 22 所示。采用ABAQUS 进行节点有限元计算，采用S4 单元进行模拟。某点最大应力为 128. 6MPa，V 形柱节点最大应力为239 9MPa，均满足设计要求。图 20 树形柱刚臂连接点有限元分析应力云图/ MPa图 21 杆件刚接节点构造做法图 22 裙房屋面 V 形柱节点构造做法两节点应力分析结果如图 23，24 所示，刚接节图 19 树形柱弯折点有限元分析应力云图/ MPa图 2

24、3 屋面某刚接节点应力分析结果/ MPa第 46 卷 第 20 期谈丽华，等 苏州太平金融大厦裙房屋面异形钢网格结构设计83图 24 某 V 形柱节点应力分析结果/ MPa10 结论( 1) 裙房屋面异形钢网格结构下部分别支承于塔楼、地下室顶板及裙房屋面，支承条件复杂。结构分析采用总装模型进行计算，通过对结构动力特征及整体稳定性能计算，表明结构体系安全可靠。( 2) 工程周围存在距离较近的高层及超高层建筑，结构自身造型奇特，风环境复杂。采用数值风洞方法对钢网格结构风环境进行了模拟。( 3) 对钢网格结构构件承载力进行了验算，验算结果表明构件承载力满足承载力极限状态要求， 经计算，结构挠度满足正

25、常使用极限状态要求。( 4) 钢网格下部设置有“格构式”的树形柱，为研究树形柱受力性能，采用了考虑材料及几何双非线性的二阶方法进行分析，结果表明树形柱承载能力能够满足安全性要求，通过对树形柱关键节点分析，表明节点构造安全可靠。( 5) 通过对屋面关键节点及 V 形柱相贯节点进行有限元应力分析，表明相关节点构造满足结构安全性要求。参 考 文 献1 建筑结构荷载规范: GB 500092012S 北京: 中国建筑工业出版社，20122 中衡设计集团股份有限公司 苏州太平金融大厦数值风洞模拟报告 苏州，20143 建筑抗震设计规范: GB 500112010S 北京: 中国建筑工业出版社，20104

26、 江苏省地震工程研究所 苏州太平金融大厦工程场地地震安全性评价报告 南京，20145 空间网格结构技术规程: JGJ 72010S 北京: 中国建筑工业出版社，20106 钢结构设计规范: GB 500172003S 北京: 中国建筑工业出版社，2003新书动力弹塑性分析在结构设计中的理解与应用出版由“江苏省生态建筑与复杂结构工程技术研究 中心”主持编写、中国建筑工业出版社出版的动力 弹塑性分析在结构设计中的理解与应用一书已于 10 月正式发行。动力弹塑性分析是结构性能化设计的重要手段，它所涉及的理论知识、技术途径以及 软件应用均不同于传统的静力分析或线性分析， 目前大部分工程师和技术人员很难

27、深入了解和掌 握它。本书作者张谨、杨律磊等在多年实际工程应用以及参考大量文献的基础上，以数值仿真技术特征为切入点，从数值模型建立、数值分析方法、分析结果解读等几方面，深入浅出地介绍了动力弹塑性分析的相关知识及运用要点。对目前应用中存在的问题进行了研究探讨，并以实际工程为基础，通过对比不同分析软件，对动力弹塑性分析在工程中的设计与研究应用提供了详细的案例资料。本书是“江苏省生态建筑与复杂结构工程技术中心”系列工作报告之一，“江苏省生态建筑与复杂结构工程技术中心”是由“中衡设计集团股份有限公司”与国内外多个重点院校、科研机构和专家顾问团队密切合作建立、经江苏省科技厅批准的科技基础实施项目，致力于从

28、工程实际应用角度出发，对生态建筑技术、复杂结构计算分析、数字化建模与参数化设计等方面开展较深入的应用研究，并形成研究成果，供广大一线工程设计人员应用交流。本书第一作者张谨中衡设计集团股份有限公司总经理兼总工程师、东南大学产业教授( 兼职) ，长期从事结构工程设计及研究工作，主持并承担了多项大型复杂工程设计及科研课题研究。本书由王亚勇大师和段小廿博士作序，王亚勇大师是中国著名工程抗震专家，长期从事结构工程抗震和灾害学科与实践，在结构振动理论、强地面震动、现代城市防灾减灾系统工程、高层建筑结构抗震设计、软件技术等领域具有很高的学术水平; 段小廿博士为英国福斯特及合伙人建筑事务所( Foster and Partners) 伦敦总部合伙人，对动力弹塑性分析与性能化设计有非常深入的研究与应用，为深耕于该专业领域的专家翘楚。本书既可作为工程设计人员快速了解并掌握动力弹塑性分析的工具书，也可供专门从事分析工作的技术人员参考。