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结构赏析-武汉中心塔楼结构设计

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结构赏析-武汉中心塔楼结构设计

发表于 2021-3-3 20:58:43 阅读模式 倒序浏览
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钢结构设计

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“钢结构设计”公众号,致力于推广工程行业新理论、新技术、新工艺、新材料及大量工程实例,搭建一个工程行业交流的平台。 了解相关知识,请留言; 欢迎投稿,邮箱:steeler@steeler.cn;QQ:1356745727;

1 工程概况

武汉中心(图1)位于武汉市汉口城区,是在王家墩机场搬迁原址上规划建造的武汉市“新心脏”——王家墩中央商务区内第一座地标性建筑。建筑仿佛迎风张满风帆的航船载满希望与力量,在经济的浪潮中乘风破浪勇往直前。寓意着武汉中心作为黄金水道的旗舰,引领新时代武汉经济的发展繁荣。

华东建筑设计院承担了武汉中心的全部专业的全过程设计,是目前在建的且由国内设计院原创的最高超高层项目,预计2015年竣工。

1 效果图

武汉中心含总高度为438m88层塔楼和高22.5m4层裙楼,地上建筑面积约26m2,地下室3~4层,建筑面积约8m2。塔楼功能包括办公、公寓、酒店、观光,裙房为商业和酒店配套设施,办公层层高4.4m,公寓、酒店层层高4.2m,设备/避难层层高6.3m6.6m,功能分区剖面见图2


2 功能分区剖面

武汉中心也是华中地区最“绿”的超高层建筑,这个“绿”体现在其先天的设计优势、高效的运营策略,让武汉中心可以实现单位建筑面积极低的能耗、水资源消耗、材料资源消耗以及碳排放。

2 基础与地下室设计

塔楼地下室埋深约22m,采用桩筏基础(3)。桩型为直径1 000mm的旋挖成孔灌注桩,有效桩长约46m。桩端以微风化泥岩为持力层,入岩深度按桩顶计算反力需求区分为核心筒区域的3.0m(桩A)和其他区域的1.5m(桩B)。

3 基础平面示意

由于群桩在筏板下已基本满布,在核心筒周边区域的弯矩和剪力均已超过筏板承载能力,通过设置“井”状翼墙提高筏板刚度,从而调整桩反力的均匀度和力传递途径。翼墙的高度为整个地下室高度。

基础桩顶最大沉降计算值为58mm,设计时按最大变形60mm 的不利情况计算筏板弯曲内力。

3 上部结构体系

武汉中心塔楼大屋面标高为393.9m,其抗侧力体系为巨柱框架-核心筒-伸臂桁架体系(图4)。该体系由三个部分组成:部分楼层内置钢板或型钢的钢筋混凝土核心筒、设置6道环带桁架加强层的由钢管混凝土柱和钢梁形成的巨柱框架、连接核心筒和巨柱框架的3道伸臂桁架。

大屋面以上核心筒继续上升至410m,并与其上之钢结构共同构成塔冠结构,达到438m的最高点。

4 结构抗侧力体系

核心筒混凝土强度等级为C60,巨柱混凝土强度等级为C70~C50,巨柱钢管及楼面钢梁采用Q345B 钢,伸臂桁架、环带桁架以及钢板剪力墙采用Q390GJC钢。

4 结构主要特点

4.1 大直径钢管混凝土柱的使用

该结构体系的框架在层66楼面及以下区域为每边4个共16个巨柱(柱距9.45m),在层66楼面以上为每边2个共8个巨柱(柱距28.35m),均采用了钢管混凝土柱(CFT柱),见图5。建筑沿高度曲线外鼓的轮廓在层64楼面以下通过柱截面偏心收小配合楼层外挑实现, 64楼面以上以约2°的柱内倾实现。

5 典型结构平面


4.2 内置钢板剪力墙的使用

在层12楼面以下区域采用了内置单层钢板的混凝土-钢板组合剪力墙(图6a)),层12楼面以上核心筒角部设置了型钢钢骨。

6 组合剪力墙


墙内钢板表面设置了抗剪栓钉用以协调其与外包混凝土的变形,并将被钢板分隔开的两侧混凝土拉结成一体;左右相邻钢板分幅间的连接采用高强螺栓;钢板部分位置开孔供箍筋穿过(图6b))。

4.3 伸臂层与加强层的设置

本工程共布置有3道伸臂桁架,每道为2层高,分别位于层31~32,层47~48,层63~64,另在上述伸臂所在楼层和层1886布置了环带桁架加强层,环带桁架高度均为1层。下部2道选择了双斜杆K形布置,上部1道为单斜杆形,布置示意见图7

7 伸臂桁架与环带桁架的空间布置形式

4.4 上部转换次结构

塔楼层66楼面以上外框柱由下部的16个减少为8个主结构柱,每边2个主结构柱间,在层66和层86~87间分别设置跨度为28.35m的箱形转换钢梁和兼做环带加强桁架的转换桁架,以支承层68~86的次结构框架(图8)。

8 顶部主次结构示意


4.5 核心筒的转换

根据建筑功能的要求,核心筒的角部在酒店区域被切去约2.8m,形成切角的方形筒体,此处的转换通过层64~663个层高的平缓斜向过渡实现;在层78处,切角后的核心筒外墙整体向内退进500mm,上部剪力墙在此处将向下方延伸1层,完成类似于搭接的转换(图9)。

9 核心筒转换


4.6 塔冠

塔冠是构成武汉中心顶部形象的点睛部位,以支承于伸出大屋面的核心筒剪力墙的4榀中间主桁架和立于大屋面的二组端部立体桁架为主要受力构件,与腰部环带桁架、顶部环带桁架共同构成空间桁架,支承周边的玻璃幕墙和其他围护系统(图10)。

10 塔冠结构

5 关键节点设计研究

5.1 大直径钢管混凝土柱构造及梁柱节点

工程所用钢管混凝土柱最大直径达3000mm,远大于常用CFT柱的尺寸。设计采用的柱构造如图11所示,其中环板是传递剪力的最主要途径,栓钉、T形纵肋和内置的低配筋率钢筋笼对减小混凝土环向收缩和纵向徐变可能的不利影响都有正面效果。

11 大直径钢管混凝土柱构造


研究发现,梁柱节点加劲板的尺度更应与框架梁而不是柱相关,通过在梁翼缘宽度对应的加劲内环板范围设置封头端板,可将翼缘的轴力通过相接触的混凝土扩散、传递至钢管混凝土柱整体,而不是仅仅靠环板的宽度传递至外钢管,从而有效提高梁端的弯曲约束刚度。最终梁柱节点构造见图12

12 -钢框架梁节点

5.2 伸臂桁架与核心筒相连节点

两个方向的伸臂桁架交汇于核心筒角部,该处的应力集中,构造处理困难。对两种不同的构造方式进行了试验研究,一种为伸臂杆件的翼缘于核心筒边收窄,然后埋入墙内,双向伸臂相交处采用实心锻件(图13),此为传统单向伸臂桁架做法的变体;另一种是将伸臂杆件宽度调整至与核心筒外墙同宽,伸臂杆件的翼缘板直接伸进核心筒并外包于墙体的内外两侧,伸臂高度范围的核心筒角部墙体也全部采用钢板外包(图14)。两种方式伸臂杆件的腹板均不伸入墙中。

综合考虑墙厚、墙配筋等因素,下部2道伸臂采用内埋式,上部1道采用外包式。

13 伸臂内埋式

14 伸臂外包式

6 振动台试验

按照140的缩尺比例制作了结构缩尺模型并进行了振动台试验,振动台模型见图15

15 振动台模型

6度多遇地震试验阶段,模型总体无明显晃动,部分地震波工况结束后产生轻微的共振现象。6度设防地震试验阶段,模型在地震波作用下上部晃动明显,中下部反应不明显。6度罕遇地震试验阶段,模型中上部有明显动力反应,7度罕遇地震试验阶段,模型在振动过程中出现了较为明显的高阶振动形态,模型整体伴有轻微的“咔咔”声。

在经历7度罕遇地震后,核心筒墙体未见明显破坏,见图16a),(b),模型环带桁架部分腹杆有屈曲现象,见图16c),(d),经判断,腹杆屈曲是由于模型在6度罕遇和7度罕遇地震试验阶段有明显的扭转效应造成的。

16 试验现象

采用ETABS和ABAQUS软件针对试验缩尺模型建立有限元模型,有限元结果与试验实测结果对比显示,数值模拟分析结果与振动台试验结果基本一致,具有相似的规律性。

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来源:微信公众号"钢结构设计"

微博:http://t.qq.com/steel_design

欢迎关注 “钢结构设计”

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(以上根据《建筑结构》杂志所刊发的文章整理,欢迎分享到朋友圈,转载务请注明“转自《建筑结构》杂志微信”,违者必究。)

更多内容详见《建筑结构》杂志刊发的两篇文章:

2012年第5期,文章题目:《武汉中心塔楼结构设计》,作者:周健,陈锴,张一锋,施红军,汪大绥,周建龙,季俊杰,赵静,王洪军,姜东升,吴江斌,方锐强,蒋科卫;单位:华东建筑设计研究院有限公司。

2013年第14期(7月下),文章题目:《武汉中心振动台试验与数值模拟比较研究》,作者:孔祥雄1,史铁花1,程绍革1,王军2,周健3,陈锴3,施红军3,汤捷2,蔡涛2;单位:1 中国建筑科学研究院工程抗震研究所,2 武汉王家墩中央商务区建设投资股份有限公司,3 华东建筑设计研究院有限公司。

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