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【钢结构·技术】重庆来福士水晶连廊设计回顾和几点反思

本文授权转载公众号PhilosophyofStructure

一、前言

由中国科协、中国建筑学会指导,由高层建筑人居环境学术委员会、奥雅纳及华东建筑设计研究总院等单位联合主办的结构设计2021年度论坛,5月28日在重庆来福士圆满举行。我作为本次论坛主要策划人之一,提出论坛主题“挑战空中连接·重塑垂直城市—高层建筑空中连桥结构多样性挑战与解决方案”,王亚勇大师在致辞和总结发言时,多次赞赏此次会议主题选择好,是国内第一次这么密集专项研讨会。在本次论坛,我本人也代表Arup做了题为“从新加坡金沙酒店Skypark到重庆来福士水晶连廊”主题报告。报告对比介绍新加坡滨海湾金沙酒店skypark与重庆来福士水晶连廊这两个地标级连体项目不同结构设计方案的挑战与技术亮点,重点回顾了重庆来福士水晶连廊结构的设计思考,亦对部分空中连体多样性进行总结。

二、项目概况简介

1、建筑概况

1)实景效果图

2)项目简介

新加坡金沙酒店 重庆来福士
业主 威尼斯滨海湾金沙酒店(新加坡) 凯德置地
建筑师

方案:Moshe Safdie & Associ

执行建筑师Aedas

方案:Moshe Safdie & Associ

执行建筑师P&T

奥雅纳服务 Structural,Civil, Fire, Security, Acoustics, Façade, Traffic

Geotechnical, structural, fire and Sustainability design services

3)建筑大师Safdie老先生的创意草图

@Safdie

4)平面布置图

注:黄色区域为无边泳池

连桥高度m 总长m 连体跨度m 最大悬挑m 泳池长度m
金沙酒店 200 340 55 65 150
重庆来福士 236 300 50 27 50

2、关于风荷载

1)临海和临江

  • 金沙酒店临近赤道,属于热带气候,其独特地理环境,很少有台风形成或登录,且大海的海平面常年稳定。

  • 重庆来福士面临两江交汇之处,水位变化较大,常年最低的水位要比地面标高低20m左右。

@Arup

2)金沙大酒店风荷载取值。新加坡风荷载采用美国规范,基本风速为3s时距风速

3)重庆来福士风荷载,中国规范风荷载是基于基本风速为10min时距风速,风洞试验考虑临江常年最低水位低于场地标高近20m,连体高度达到近270m。根据风洞试验结果,换算成美标风荷载如下。

@Arup

三、结构布置及计算结果

1、结构布置

@Arup

金沙酒店Skypark无边泳池的施工现场,泳池采用模块化的不锈钢结构

@Natare

无边泳池采用500多个千斤顶,可以调整各个塔楼因为不均匀沉降、压缩变形带来的无边泳池的倾斜。

@Natare

2、结构模型及计算结果

1)结构模型

@Arup

2)金沙酒店计算结果

金沙酒店三栋塔楼采用核心筒+剪力墙+腰桁架形式,主要结构材料采用混凝土,腰桁架采用钢结构。

结构体系 @Arup

  • 东西向风荷载下位移计算

塔楼建筑高度175m,L55顶点位移45mm (H/3888)

L23中部位移8mm,最大层间位移角H/2300

  • 南北向风荷载下位移计算

塔楼建筑高度175m,L55顶点位移85mm (H/2058)

L23中部位移30mm,最大层间位移角H/1600

3)重庆来福士计算结果

四栋250m塔楼采用框架+核心筒+3道腰桁架+2道伸臂,竖向构件采用SRC,楼面采用混凝土。

结构体系 @Arup

@Arup

3、连桥支座

1)金沙酒店skypark 变形缝两侧共有:

8个双向滑动支座+2个单向滑动支座+2个固定支座

悬挑端设置3+2单向滑动支座

2)重庆来福士水晶连廊

除T3S设置8个5%摩擦摆(FPB)其他三栋每个塔楼设置6个5%FPB

每个塔楼又额外设置4个粘滞阻尼器

@Arup

4、变形缝细节设计

1)金沙酒店Skypark变形缝设计

变形缝宽度由风荷载下宽度预留250mm,重力变形缝宽度预留150mm。


@Arup

2)重庆来福士水晶连廊抗震缝设计

300m水晶连廊没有设置任何变形缝/抗震缝,但是水晶连廊与T3N、T4N因为消防疏散原因而设置的两栋小连廊,与两栋最高的北塔T3N、T4N设置了抗震缝,见下图。

主悬挑桁架抗震缝宽度按照大震预留,次结构的抗震缝按照小震/50年风考虑,因此设计特意设计一个创新的节点形式。

@Arup

四、振动舒适度

1、金沙酒店skypark和重庆来福士水晶连廊由于存在大悬挑,分析表明都存在楼板舒适度问题,两个项目都采用TMD的解决的方案。

@Arup

实测模态特性与预测值吻合。模态测试结果表明,悬臂梁的频率和振型与预测结果吻合良好。即使由于不受控制的舞蹈事件而产生共振响应Skypark悬臂的强度也被证实是足够的。

5吨TMD的目标是为悬臂梁增加1%的阻尼,不但解决楼板人行振动的舒适度问题,同时还解决了大悬挑端风驰振下的振动问题,TMD降低风作用下驰振响达到30%。设计为了考虑实际运营下的不确定或者改造的灵活性,特意预留了2个5吨的TMD的空间和荷载。

2、重庆来福士水晶连廊

虽然水晶连廊悬挑不大,只有20m,但是在后期施工阶段,由于网红打卡日益成为时尚,业主出于商业目的,考虑在两端增设悬挑7.5m的玻璃平台,整个悬挑长度达到27.5m,为应对不同观光营运要求,验算行人、人群、跳舞工况下舒适度,在采用一个450kgTMD就可以基本满足上述工况振动要求。

@Arup

@Arup

@Raffles City

设计回顾和几点反思

一、连接形式

1、空中连体结构设计最关键就是连体与塔楼的连接形式。目前连体结构比较常见的连接形式有如下三种:

  • 强连接—刚接,如CCTV、南京金鹰、东方之门

CCTV @Arup

  • 柔性连接,一般采用橡胶支座、摩擦摆支座,如北京当代MOMA,采用摩擦摆支座

  • 滑动连接如新加坡金沙大酒店skypark采用平板滑动支座

二、重庆来福士水晶连廊设计回顾

1、连接形式

方案设计阶段,Arup研究不同连接形式,包括:

1)断舍离——断!采用设缝+滑动支座的形式,类似于金沙酒店的Skypark。“断”(设缝)方案又分四塔均断和分塔断开。

@Arup

@Arup

抗震缝的宽度和由塔楼变形决定,不同塔楼不同振动形式,对抗震缝宽度要求也不一样,下图是选取两栋塔楼研究其可能变形组合。

@Arup

2)刚性连接形式

在第一次抗震咨询时,也有专家提出连体在250m高度,刚性连接是不是连接更可靠,我们也研究不同刚接形式,分四塔全刚和部分塔楼刚接等不同模型。

@Arup

@Arup

3)动态连接

动态连接不是一种完全固定的连接,它是根据不同的状态,连接形式会做出动态的改变。其核心设计理念就是采用摩擦摆+阻尼器形成组合减震支座。

@Arup

组合减震支座大样 @Arup

通过性能化设计确保不同工况下不同的连接形态:

@Arup

  • 通过设计合理摩擦摆支座的半径、摩擦系数,保证空中连体结构在小震和风等正常状态荷载作用下,通过摩擦摆的静摩檫力保证连体结构的“固定”状态,避免正常状态下连体结构支座滑动给人带来的不适感;当中震和大震作用下地震力超过摩擦摆的产生静摩檫力时,连桥与塔楼之间产生滑动,摩擦摆提供摩擦回复力消耗地震力,阻尼器提供附加阻尼,参与耗能,同时提供限位/复位作用。

3)三种连接形式对比

2、隔震支座选型 (橡胶支座 vs 摩擦摆)

目前主要支座形式有橡胶支座和摩擦摆,其各自的优缺点如下:

由于橡胶支座承载力低,需要较多的支座,同时支座尺寸也较大,对建筑空间要求高。下图比较摩擦摆和无锡圣丰以及美国DIS不同厂家的橡胶支座,可以看出橡胶支座的数量约是摩擦摆2倍,同时直径也较大。

@Arup

3、国产支座与进口支座的对比

由于国产和进口产品的支座选取不同的材料,其强度取值具有明显差异,设计的支座的大小也有比较大的差别。

国产支座为控制造价,支座一般采用铸钢,国外支座一般选用不锈钢,,二者设计强度有一定的差别。

摩擦副承载力,国内规范不允许超过45MPa,国外可以达到60MPa

德国毛勒设计的支座

@Maurer

洛阳双瑞设计的支座

@SRSE

4、无阻尼器Vs 有阻尼器

1)重庆来福士在开始方案设计的时候,并没有考虑阻尼器,随着研究不断深入和不同方案比选,阻尼器的作用变得显而易见。

通过设计合理粘滞阻尼器的阻尼器参数,在中震、大震下同时提供附加阻尼和阻尼力,减少连体结构的水平位移,从而减少摩擦摆支座的尺寸。粘滞阻尼器也可以减少空中连体竖向响应,避免摩擦摆在大震下“脱离”的风险。当连体结构的响应速度增加,阻尼器响应力增加,防止冲击的发生,确保与之相连的机构不会过载。粘滞阻尼器作为隔震支座的限位/复位装置,提高空中连体结构支座安全的冗余度,解决空中连体支座多道设防难题。粘滞阻尼器的设置也可以减少连体结构对下部主体结构的影响。

@Arup

2)弹塑性分析表明,在250m存在竖向振动可能,支座在某些地震波下,存在支座脱离现象,选取脱离情况最严重的工况。若没有阻尼器,其中产生脱离情况的支座共有13个。最大的起跳位移为45mm左右,同时一些支座的脱离的持续时间较长。

@Arup

3)无阻尼方案支座最大尺寸3130×3130,重量35.5t,采用阻尼器最大尺寸2290×2290,重量19.6t,重量减少近50%,降低施工吊装难度,减少对建筑空间影响。

4)阻尼器的限位作用

欧标EN15129 8.3.1.2.3禁止使用机械部件作为固定约束(限位装置containment rings)

若采用常规机械部件作为限位装置,通常会有如下风险:

•拉链效应问题;

•限位装置剪断力值无法准确获得,误差可达+15%~-60%之大;

•突然断裂后产生大位移,后果不可预测;

•限位装置断裂后,结构处于浮动之中……

•以及后期维护问题;

下图显示滑块高速运动下撞击支座轮缘,轮缘设计承载力不足所发生的破坏状况。

@Arup

粘滞阻尼器具有速度相关型特点,速度越大,产生的阻尼力越大,阻尼器可以作为摩擦摆的保护装置,或者是二道防线。

5、大阻尼指数vs 小阻尼指数

粘滞阻尼器的阻尼指数阻尼指数a越小,则

  • 曲线越饱满,消则曲线越饱满,消耗外载冲击能量的耗外载冲击能量的效率越高;

  • 速度与阻尼力相关性越低,阻尼力几乎呈水平直线,对与之相连的结构强度要求大幅降低。

  • 阻尼系数越高,地震位移越大。

  • 阻尼器启动的适宜的时机,初始阻尼力越大,会限值摩擦摆的工作

@Arup

6、隔震支座位移安全系数讨论

由于支座位移和选取的时程波关系很大,分析不同支座形式安全系数,确定合适的安全储备是很有必要。

@Arup

S1的表示的是3个时程下的安全系数,S2的是表示的是7个时程

下的安全系数,S3表示的是3个时程下均方差的安全系数。

我们统计不同的时程分析结果

  • 取7条波的平均值

  • 取7条波的包络值

  • 取7条中最大3条的平均值

  • 取7条中最大3条平均值,再考虑3条的均方差

    最后通过和抗震专家探讨,结合美国有关规定,隔震支座位移的需求按照7条中最大3条的平均值的1.5倍设计

美国规范建议如果建筑在平面上呈正方形,质量偏心率为5%时,角部处位移的增加约为15%,如果建筑在平面上呈长形,则增加高达30%。

三、后记

重庆来福士水晶连廊组合消能减震技术及其安装技术,在2021年7月5日”山地环境复杂形体超高层建筑建造关键技术及应用“成果签订上,被以周院士为专家组组长的专家委员会一致鉴定为达到国际领先水平,同时该技术也正在申请实用性专利。

转自:钢结构-公众号

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作者: ganggouren

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