廣州塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、廣州塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)書書書 6 月建筑結(jié)構(gòu) BuildingStructureVol. 42No. 6Jun., 是國(guó)內(nèi)成立最早的甲級(jí)勘察設(shè)計(jì)單位之一。GZDI自成立以來(lái)一直注重建筑工程精品的設(shè)計(jì)和技術(shù)的創(chuàng) 新。建院60年來(lái)，經(jīng)過(guò)幾代人的開拓創(chuàng)新、勵(lì)精圖治，在建筑結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)及科研方面取得了突出的成績(jī)。被評(píng)為 十五”全國(guó)建筑業(yè)技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)企業(yè)，廣東省自主創(chuàng) 新標(biāo)桿企業(yè)，已有五百多項(xiàng)（次）工程勘察設(shè)計(jì)獲國(guó)家、部、省、 市級(jí)的獎(jiǎng)勵(lì)，其中國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)近四十項(xiàng) （次），部、省級(jí)獎(jiǎng)近二百多 項(xiàng)（次），市級(jí)獎(jiǎng)二百多項(xiàng)（次）。建院60年來(lái)，GZDI完成了大量的具有時(shí)代意義的建筑，如 代有廣東科學(xué)館、原廣州體育館;60年

2、代有廣東迎賓館、友誼劇 院、廣州賓館；70年代有廣州出口商品交易會(huì)、 廣州火車站；8。年 代有白天鵝賓館、中國(guó)大酒店、天河體育中心、深圳博物館；90年代有廣東電視中心、廣州海洋館、廣東美術(shù)館、天河城廣場(chǎng)等； 進(jìn)入21世紀(jì)，GZDI以豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累， 先后完成了大批城 市建設(shè)的標(biāo)志性建筑設(shè)計(jì)，如廣州體育館、廣州塔、珠江城、廣 州保利國(guó)際廣場(chǎng)、廣州大學(xué)城、正佳廣場(chǎng)、中山大學(xué)附屬第一醫(yī) 院門急診大樓及手術(shù)大樓、廣州殯儀館、廣汽豐田汽車工廠、廣 州地鐵的部分車站、廣州新圖書館、廣州太古匯、珠海長(zhǎng)隆海洋 王國(guó)等。為慶祝廣州市設(shè)計(jì)院成立 60周年，GZDI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員結(jié)合近年的工程經(jīng)驗(yàn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取

3、得的新進(jìn)展匯集出版本專欄，以供廣大讀者參考及借鑒。廣州塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周定，韓建強(qiáng)，楊漢倫，熊偉，余永輝，王偉明，羅沁（廣州市設(shè)計(jì)院，廣州51061月開始，至8月完成。8月31日主塔核心筒封頂，12月28日鋼結(jié)構(gòu)外筒封頂，6 月完成天線桅桿提升，12月進(jìn)行了主體結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收。11月廣州塔在亞運(yùn)會(huì)時(shí)投入使用，它以廣州第一地標(biāo)的形象展現(xiàn)在全國(guó)和世界人民面前，得到高度評(píng)價(jià)。2結(jié)構(gòu)體形特點(diǎn)廣州塔為高聳結(jié)構(gòu)，采用筒中筒體系。結(jié)構(gòu)體圖1建筑效果圖形具有以下特點(diǎn)。2.1橢圓旋轉(zhuǎn)體廣州塔塔體體形為一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)體，底層平面、頂層平面與內(nèi)筒的關(guān)系見圖2。外筒由24根鋼管混凝土斜柱+46道圓環(huán)+46圈斜撐組成。外筒柱形成的

4、平面呈橢圓形，由一 10m處的橢圓和450m處的橢圓旋轉(zhuǎn)45°圍合自然生成。從底層平面到頂層平面，橢圓長(zhǎng)短軸順時(shí)針轉(zhuǎn) 45°,圓心同時(shí)沿X軸向西平移 7.07m、沿Y軸向北平移7.07m。1號(hào)柱從柱底定位到柱頂定位，順時(shí)針轉(zhuǎn)了135 °（圖2）。圖2定位圖2.2細(xì)腰”型一10m標(biāo)高外筒橢圓為80mX60m,450m標(biāo)高外筒橢圓為 54mX40.5m,在塔身2/3高度處結(jié)構(gòu)密集，收緊腰部，位于278.8m處腰部最小，為限100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，防火等級(jí)為一級(jí)。4.2荷載與作用4.2.1風(fēng)荷載廣州塔塔體高度45

5、4m,超過(guò)了規(guī) 范的風(fēng)荷載取值適用高度， 同時(shí)體形特殊，因此進(jìn)行了一系列的 風(fēng)工程研究，包括：廣州塔位置的工程氣象分析、模擬計(jì)算；地形地貌風(fēng)洞試驗(yàn)、整體模型測(cè)壓試驗(yàn) ；片段模型測(cè)壓試驗(yàn)；片段剛體 模型測(cè)力試驗(yàn)及隨機(jī)風(fēng)振相應(yīng)分析；全塔氣彈模型試驗(yàn)；行人區(qū)風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)專家論證和程序?qū)彶?，根?jù)廣東省氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心 報(bào)告數(shù)據(jù)及8月26日專家論證會(huì)上的專家組決議，廣州塔按100 年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為 0.55kN/m2,風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照建 筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009 一期限內(nèi)超越概率5%。地震作用參數(shù)、地震作用加速度反應(yīng)譜和時(shí)程曲線等以廣東 省工程防震研究院提供的 廣州市新中軸線電視塔工

6、程場(chǎng)地地震 安全性評(píng)價(jià)報(bào)告作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，抗震設(shè)防烈度約7.6度。地震作用參數(shù)及與7度地震作用對(duì)比分別見表1和圖5。4.2.3溫度作用：2電視塔溫度采用廣州日最高氣溫 387C, 最低氣溫2.6C作為溫度計(jì)算依據(jù)，同時(shí)考慮 100年期全球氣 候變暖導(dǎo)致最高氣溫上升因素影響。結(jié)構(gòu)設(shè)3計(jì)計(jì)算時(shí)主要考慮結(jié)構(gòu)整體升溫工況 （Ta）、整體降溫 工況（Tb）、結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大溫差工況（Tc）。Tc工況根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果確定每根構(gòu)件的溫度。對(duì)外筒和內(nèi)筒外露部分的溫度取值見表2。地震作用參數(shù)表1地震特征周期Tg/s 5 maX（平向）5 maX（E直 向）加速度峰值/gal小震0.40.17340.11277

7、5.51中震0.60.445風(fēng)荷 載值計(jì)算4風(fēng)荷載SAP風(fēng)荷載SAP風(fēng)荷載（0.3kN/m2）0.2390.244 的塔頂最大加速度，如表 7所示。6外筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1主要構(gòu)件截面及材料廣州塔外筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件 有鋼管混凝土斜柱、環(huán)桿、斜撐、牛腿。24根鋼管混凝土斜柱截面一樣，底為直徑試驗(yàn)結(jié)果見文14。6.2.2外筒穩(wěn)定廣州塔塔體沿高度方向存在與樓板不相連的透 空區(qū)，采用ANSYS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性和非線性屈曲分析， 其中第1透空區(qū)（亦稱底部透空區(qū)）和第3透空區(qū)（亦稱腰部透空區(qū)） 是整個(gè)結(jié)構(gòu)的最薄弱位置。在166.4m高度范圍內(nèi)設(shè)了 4道內(nèi)外筒之間的水平支撐構(gòu)件， 使腰部透空區(qū)分成了 3-1,

8、3-2, 3-3, 3-4, 3-5五個(gè)部分，每段長(zhǎng) 度約35m,通過(guò)水平支撐將內(nèi)外筒體連接起來(lái)，以此來(lái)減小鋼外筒的徑向無(wú)支撐高度，并協(xié)調(diào)二者的變形趨勢(shì)。透空區(qū)的水平支撐布置見圖 9。圖9腰部透空區(qū)水平支撐布置在結(jié)構(gòu)透空區(qū)段，僅靠環(huán)桿提 供徑向約束，需要認(rèn)真確定環(huán)桿的徑向約束的有效性，在設(shè)定的荷載作用下，不發(fā)生沿徑向的片狀群柱失穩(wěn)。因此除進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元分析、整體有限元分析、線性和非線 性屈曲分析外，還通過(guò)鋼管柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)、底部群柱試驗(yàn)、細(xì)腰整 體試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，提出適用于透空區(qū)的群柱穩(wěn)定設(shè)計(jì)方 法。經(jīng)試驗(yàn)研究，透空區(qū)的斜柱按照清華大學(xué)提出的等效計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定驗(yàn)算，最大的計(jì)算長(zhǎng)度為

9、30m,位于底部透空區(qū)。穩(wěn)定分析見文5。6.3外筒應(yīng)力外筒斜柱為鋼管混凝土柱，受拉不考慮鋼管內(nèi)混凝土，受壓按照鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(CECS28:90)6計(jì)算軸力比N/Nu,比值小于1,滿足承載力要求，其中 N 為軸向壓力設(shè)計(jì)值，Nu為鋼管混凝土單肢柱的承載力設(shè)計(jì)值。柱的計(jì)算長(zhǎng)度在功能層為10.4m,透空區(qū)根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果確定計(jì)算長(zhǎng)度。斜撐和環(huán)桿為鋼管，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算長(zhǎng)度取構(gòu)件的幾何長(zhǎng)度。6.3.1 風(fēng)控組合工況構(gòu)件應(yīng)力比按照32個(gè)方向角作用取包絡(luò)值，控制工況=1.1 X 1.2(不利時(shí)1.0)恒載+0.98活載+1.4風(fēng)。斜柱最大軸壓比為0.78,位于高度89m,沿高度的軸壓比

10、見圖10。在高度170m最大壓應(yīng)力比為0.56,高度440m最大拉應(yīng)力比 為0.2,沿高度應(yīng)力比見圖11。環(huán)桿在高度240m最大壓應(yīng)力比為0.68,高度315m最大拉應(yīng) 力比為0.65,沿高度應(yīng)力比見圖12。斜撐在高度280m最大壓應(yīng)力比為0.50,高度300m最大拉應(yīng) 力比為0.85,沿高度應(yīng)力比見圖13。圖10風(fēng)控組合工況下斜柱軸壓比統(tǒng)計(jì)圖11風(fēng)控組合工況下斜柱應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)圖12風(fēng)控組合工況下環(huán)桿應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)圖13風(fēng)控組合工況下斜撐應(yīng)力比統(tǒng)計(jì) 6.3.2中震組合工況的應(yīng)力比按照 32 個(gè)方向角作用取包絡(luò)值，控制工況為1.2恒載+0.6活載+1.3水平 中震+0.5豎向中震。斜柱最大軸壓比為 0

11、.8,位于柱底10.0m,沿高度的軸壓比 見圖14。在高度7m最大壓應(yīng)力比為0.68,高度218m最大拉應(yīng)力比為 0.26,沿高度應(yīng)力6圖22內(nèi)筒鋼骨布置圖圖23桅桿承接段鋼管 布置30mm,內(nèi)側(cè)取20mm。外墻墻厚在標(biāo)高 168.0m以下以每級(jí)收進(jìn) 100mm,從底 1000mm收到600mm，標(biāo)高168.0339.6m透空區(qū)墻厚為500mm, 以上墻厚為400mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C80C40,混凝土強(qiáng)度等級(jí)沿高度變化見表8。內(nèi)筒混凝土強(qiáng)度等級(jí)表 8標(biāo)高/m混凝土強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)高/m混凝 土強(qiáng)度等級(jí)10 38.0C80126.4 230.4C6038.0 95.2C75230.4308.4C50

12、95.2126.4C70308.4 以上 C407.2 內(nèi)筒受力特性7.2.1內(nèi)筒的抗震等級(jí)及裂縫控制參照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3 2002) 8,內(nèi)筒抗震等級(jí)為特一級(jí),53.2m以下為底部加強(qiáng)區(qū)，重力荷載下軸壓比V0.5。外墻露天部分裂縫寬度v0.2mm ,室內(nèi)部分裂縫寬度v0.3mm。7.2.2 內(nèi)筒、外筒的剪力、彎矩分配內(nèi)筒比外筒抗側(cè)剛度小很 多，因此抗水平力主要由外筒承擔(dān)。從圖24可以看出，除標(biāo)高330m第3透空區(qū)上樓層由內(nèi)筒承 擔(dān)的剪力占1/3、承擔(dān)的彎矩在25%外，其他部位內(nèi)筒承擔(dān)的剪 力和彎矩都不圖2422.50 0風(fēng)荷載下內(nèi)筒剪力與彎矩圖超過(guò)20%o7.2.3 內(nèi)筒

13、頂部承接桅桿的受力狀況廣州塔在標(biāo)高428.8448.8m處，內(nèi)筒鋼骨由H型鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閳A鋼管，由內(nèi)筒14根鋼管 柱與天線桅桿底的8根鋼管柱相貫連接，重力荷載直接傳到內(nèi)筒 的鋼管柱和剪力墻上。天線桅桿底的傾覆力矩除由448.8m平面?zhèn)鬟f約20%到外筒外，內(nèi)筒頂承擔(dān)了 80%的傾覆力矩通過(guò)樓面逐步傳到外筒，通過(guò)頂部8層降低接近到25%,到360m內(nèi)筒僅承擔(dān)20%的天線桅桿 傾覆力矩，而原桁架轉(zhuǎn)換方案在該標(biāo)高，天線桅桿的傾覆力矩也從由外筒承擔(dān)通過(guò)樓面逐步傳遞20%到內(nèi)筒上。內(nèi)筒頂部承擔(dān)天線桅桿傾覆力矩比例見圖25。天線桅桿底的剪力由448.8m樓面?zhèn)鬟f20%到外筒，內(nèi)筒承擔(dān) 的80%桅桿水平剪力通過(guò)頂部

14、樓層逐步傳遞到外筒， 到390m桅 桿水平剪力大部分傳到外筒。在320m以下承擔(dān)剪力的比例基本與原采用桁架轉(zhuǎn)換方案一內(nèi)筒承擔(dān)剪力比例見圖 26。圖25內(nèi)筒頂部承擔(dān)天線桅桿傾覆力矩比例圖26內(nèi)筒承擔(dān)剪力比例7.2.4內(nèi)筒工況拉應(yīng)力整體升溫 （Ta）內(nèi)筒最大拉應(yīng)力為6.5MPa,在標(biāo)高150m處（圖27）;整體降溫（Tb）最大拉應(yīng)力為6.5MPa,在標(biāo)高平臺(tái)層（圖28）。從剪力墻應(yīng)力大小及沿高度分布看，透空區(qū)的應(yīng)力較小，樓 層平面的應(yīng)力較大，主要原因?yàn)椋?）在樓層室內(nèi)外的溫差大，有樓 面梁的約束；2）樓面層外墻開洞的部位比透空層少。而風(fēng)控拉應(yīng)力最大在第 3透空區(qū)（圖29）。7.2.5內(nèi)筒配筋設(shè)計(jì)內(nèi)

15、筒墻鋼骨按照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ32002）設(shè)計(jì)暗柱截面的配鋼率，除 1000mm厚墻（基礎(chǔ)12.4m）在3.8%外，其余均在 4%5%之間。墻厚1000800mm采用4排鋼筋，縱筋和水平筋為16（#）/ 14（內(nèi)）200。外墻墻厚700500mm采用3排鋼筋，168m以下縱向、水 820120427000301周定第42卷第6期周定,等.廣州塔結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)圖27整體升溫Ta時(shí)內(nèi)筒最大拉應(yīng)力圖28整體降溫Tb時(shí)內(nèi)筒 最大拉應(yīng)力圖29風(fēng)控時(shí)內(nèi)筒最大拉應(yīng)力平鋼筋采用16（外）/ 14（內(nèi)）200;168m以上透空層500mm厚外墻，暗柱 配鋼率為7.8%,墻身縱筋采用3排 emailp

16、rotected 100 ?水平 筋采用 em ailprotected 100。天線桅桿承接段下方的內(nèi)筒外墻是關(guān)鍵構(gòu)件，墻與鋼管混凝 土柱連接，提高了承接段的剛度，但也使受力復(fù)雜，因此將 448.8438.4m兩層設(shè)計(jì)為鋼板混凝土剪力墻，在樓層標(biāo)高設(shè)置 三層閉合水平鋼梁，墻內(nèi)鋼板分別為20, 16mm,由鋼板承擔(dān)全部拉力，弁加強(qiáng)墻身鋼筋(圖30)。8天線桅桿設(shè)計(jì)8.1截面尺寸天線桅桿總高146m,分格構(gòu)段 和實(shí)腹段(圖31),格構(gòu)段標(biāo)高454540.5m,高86.5m,分4段, 平面為正八角形，內(nèi)切圓直徑分別為 127m, 7, 5.7, 3.5m, 平面見圖32。格構(gòu)柱采用Q390GJC ,鋼管截面沿高度分別采用1000x50(45),900(850)x40;斜撐布置僅到 518.7m,截面沿高度采用 60低30,400x20, H400x300X16X20,外水平桿沿高度采用 600x30 , H400X 300X16X20 ,不設(shè)斜撐段為 H600X400M0M0;內(nèi)水平桿采用H型鋼，沿高度分別為 H600X300X6X20, H400X300M6X20,在天線桅桿插入段的上下 平面采用箱形1200毛00刈5毛5和H120OX300X25刈0。斜撐、內(nèi)外水平桿采用 Q345GJC。實(shí)