重慶萬豪國際會展大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1、重慶萬豪國際會展大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：介紹了重慶萬豪國際會展大廈帶加強(qiáng)層的鋼結(jié)構(gòu)框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系風(fēng)荷載取值，結(jié)構(gòu)布置、抗風(fēng)抗震計(jì)算分析，主要抗震措施、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，并對大廈的人體舒適度進(jìn)行了分析，以供同類工程參考。關(guān)鍵詞： 超限高層框架一核心筒鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載人體舒適度 structuredesignofChongqingMarriottInternationalConferenc eCBuildingauthor ：xueshangling1 ，huchaohui1 ，mengyu1 ， etal. (InstituteofConstructionalEngineering ，CI

2、SDIEngineeringCo. ，LTD. ， Chongqing400013 ， china ) Abstract ： ThestructuredesignconceptofChongqingMarriottInternation alConferenceCBuildingwhichisframedtube-coresteelstructurewithpantingframe wasstated.Thewindloadonthebuildingandthemethodofanti- windanalysiswasintroduced.Thelayoutofstructure thease

3、ismicmeasuresandthejointstructuralwasdescribed.Th eoccupantcomfortofthebuildingwascalculated.Theresultscanbereferenceforthesimilarstructure KeywordsSuperhigh-risebuilding，framedtube-coresteelstructuredesign， windload ，occupantcomfort 一、工程概況重慶萬豪國際會展大廈地處重 慶市鬧市區(qū)，大廈所處地勢北高南低，相差 5m. 大廈地上 69 層（含 GF 層），地下 5

4、 層，建筑高度 303.3m ，地下 22m ， 裙房 7 層。地下 5 層為停車庫和設(shè)備用房以及商業(yè)用房，負(fù) 2 層與城市輕軌的出入口連為一體，地上 7 層裙房為商業(yè)用 房，第 7 層采用空中通廊與現(xiàn)有萬豪酒店相連， 8 至 68 層塔 樓標(biāo)準(zhǔn)層平面為 41×41m ，8 至 41 層為公寓， 42 至 68 層為辦公樓，頂層設(shè)置直升機(jī)停機(jī)坪。在第 7 層、第 23 層、 第 41 層、第 54 層、頂層設(shè)置避難層。 地下室和裙房層高 4.5m 5m ，公寓層高 3.7m ，辦公樓層高 3.9m. 建筑用地面積 9100總建筑面積 182893川，其中地上建筑面積14534

5、8 m2,地下37545 m .該大廈周圍有10余棟已建或規(guī)劃的高層或超 高層建筑。二、地基與基礎(chǔ) 1.地質(zhì)情況該場地劃分為 I 類場 地。大廈以巨厚層的中（微）風(fēng)化泥巖為持力層，根據(jù)地勘， 泥巖的地基承載力特征值為 4.0Mpa ，天然抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 12.4Mpa. 后經(jīng)巖質(zhì)地基平板載荷試驗(yàn)，極限荷載平均值為 16.4Mpa ，地基承載力特征值為 5.2Mpa ，該地基是修建高層 建筑的理想場地。 2.基坑及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)本工程地下 5 層，因地 勢北高南低。相差 5m，具備完全嵌固條件有 4層22m，大 廈埋置深度為房屋高度的 1/13.8 ，滿足抗傾覆能力。塔樓的 柱基礎(chǔ)采用擴(kuò)底樁（墩）

6、，塔樓內(nèi)筒采用平板式筏形基礎(chǔ)。我 們采用美國 ANSYS 公司編制的 ANSYS1Mechanical 有限元 分析軟件的 SOLID72 單元對塔樓擴(kuò)底樁 （墩） 和塔樓筒體筏 板及地基進(jìn)行了三維計(jì)算分析， 塔樓擴(kuò)底樁 （墩）采用 D=4m ， 擴(kuò)底 5.5m ，筏板 25.8×25.8×4.5m. 為筏板基礎(chǔ)配 筋提供可參考的數(shù)據(jù)。三、風(fēng)荷載高層超高層建筑中水平風(fēng) 荷載計(jì)算是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，但對于較高的特別是 不規(guī)則的超高層建筑，加之建筑物風(fēng)荷載受周圍圍建筑影響 較大，需對現(xiàn)行規(guī)范的風(fēng)荷載進(jìn)行核準(zhǔn)，為此，該大廈進(jìn)行 了模型風(fēng)洞測壓和氣彈試驗(yàn)和三維

7、數(shù)值風(fēng)洞模擬，并與規(guī)范 取值對比，進(jìn)行合理的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)。重慶市 100 年一遇基本 風(fēng)壓為0.45kN/ m2 1.模型風(fēng)洞試驗(yàn)本工程在西南交通大學(xué)風(fēng) 工程試驗(yàn)研究中心進(jìn)行測壓風(fēng)洞試驗(yàn)。 采用 1 ：250 的有機(jī)玻 璃模型，周圍 500m 范圍內(nèi)主要建筑物及環(huán)境采用泡沫塑料 切成，模擬 C 類地貌大氣邊界條件。以模型屋頂高度的氣流 風(fēng)壓為參考風(fēng)壓， 測壓試驗(yàn)來流風(fēng)速 7.5m/s. 本試驗(yàn)在主體結(jié) 構(gòu)各表面布置，沿高度布置在 23 個截面，共 457 個測壓點(diǎn)， 試驗(yàn)?zāi)M了 0o 到 360o 的風(fēng)向角，間隔 22.5o ，定義模型的 正門法向方向?yàn)?0o ，轉(zhuǎn)盤逆時針為正。 本風(fēng)洞試驗(yàn)給出

8、了 16 個風(fēng)向角下各面各測壓孔的風(fēng)壓系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果看出：各面 正迎風(fēng)面的正壓沿橫向其邊緣處的風(fēng)壓均小于中間處的風(fēng) 壓，沿高度方向平穩(wěn)變化，到 4/5 高度處（距頂部 15-30m ） 達(dá)到最大值，上部沿高度逐漸減少；背風(fēng)面及兩側(cè)面負(fù)壓較 為均勻，沿高度變化較小。由于大廈周圍高層建筑對氣流的 影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓區(qū)現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是周圍高 層建筑物高度以下區(qū)域，有放大作用也有減少作用，有時甚 至?xí)霈F(xiàn)壓力系數(shù)反號。 當(dāng)風(fēng)向角為1350和900時X向、丫 向基底總剪力達(dá)到最大值。數(shù)值風(fēng)洞模擬本工程委托同濟(jì)大 學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞模擬。數(shù)值風(fēng)洞模擬與 一般實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞類似，需設(shè)置一

9、個風(fēng)洞，風(fēng)洞有入口、出口、 地面、壁面，大廈和周圍建筑物數(shù)值模型建立于風(fēng)洞中，數(shù) 值模型按原型尺寸（ 1 ： 1 ）建模，屬剛性模型。建模、計(jì)算 和后處理由國際上領(lǐng)先的計(jì)算流體動力學(xué)軟件 CFX5.5 完成。 報告提供了 16 個風(fēng)向下的各層沿 X、 丫 向的平均風(fēng)合力及繞 Z 軸總合力矩，結(jié)果表明 X 向基底總剪力最大者為 135o 風(fēng) 向； 丫 向基底總剪力最大者為 90o ；繞 Z 軸總合力矩最大者 為0o.同時給出了各不同風(fēng)向下大廈各表面最大風(fēng)壓等值線 分布云圖，為玻璃幕墻設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。風(fēng)壓等高線圖分布 來看，各面正迎風(fēng)面中部絕大部分區(qū)域?yàn)檎捎诜蛛x流 的原因在邊緣附近小部分區(qū)域

10、為負(fù)壓，背風(fēng)面一般為負(fù)壓且 大小比較均勻。風(fēng)荷載比較與取值我們將三種方法得出的正迎風(fēng)面靜風(fēng)荷載和考慮動風(fēng)荷載進(jìn)行對照，見圖 3 及圖 4.風(fēng) 洞試驗(yàn)表明， 在 37 層以下受周邊建筑的影響， 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷 載值比規(guī)范值有放大作用， 而在 37 層以上風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載值 比規(guī)范值小。按荷載規(guī)范計(jì)算的總風(fēng)荷載比風(fēng)洞試驗(yàn)試驗(yàn)的 風(fēng)荷載大約 9。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，風(fēng)壓 沿高度最大值約在建筑物的 4/5 高度處；各層風(fēng)荷載規(guī)范計(jì) 算值最大，數(shù)值模擬值其次，風(fēng)洞試驗(yàn)值最小。規(guī)范計(jì)算的 風(fēng)壓最大值在建筑物頂部，規(guī)范計(jì)算的頂部風(fēng)荷載偏大且不 盡合理，風(fēng)壓合力作用點(diǎn)較高，總風(fēng)荷載較數(shù)值模擬與風(fēng)洞 試

11、驗(yàn)值大，因而在整體計(jì)算時，按規(guī)范計(jì)算偏于保守。數(shù)值 模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果揭示了風(fēng)向角為1350和90o時X向、丫向基底總剪力最大，這是現(xiàn)有高層計(jì)算軟件不易實(shí)現(xiàn)的。從 風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果看，大的負(fù)壓出現(xiàn)在塔樓較低處或 建筑物邊緣處，構(gòu)的整體計(jì)算雖沒有大的影響，但對玻璃幕 墻設(shè)計(jì)安全影響很大，應(yīng)引起重視。在總體計(jì)算時，分別對 00、 900、 1350 來風(fēng)進(jìn)行了計(jì)算。風(fēng)荷載取值按現(xiàn)行規(guī)范， 但建筑物頂部按照模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果取用，并適當(dāng)考慮了由 數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)測出的扭矩。四、上部結(jié)構(gòu) 1.結(jié)構(gòu)方案 本工程上部結(jié)構(gòu)共 69 層，其中裙房范圍 7 層，塔樓總建筑高 度 303.3m ，目前是我國

12、已建和在建鋼結(jié)構(gòu)高層中最高的。 高 寬比為7.34，屬超限高層。大廈結(jié)構(gòu)基本周期8s，屬少有的長周期高層建筑。根據(jù)建筑功能、建筑布置、建筑高度的情況，曾考慮過采用兩類結(jié)構(gòu)方案，即全鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能、 施工速度、 結(jié)構(gòu)自重以及造價綜合比較， 本工程塔樓采用了全鋼結(jié)構(gòu)方案，裙房和地下室在塔樓的范 圍外，仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔樓采用了帶加強(qiáng)層的 鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。外框架由鋼柱、梁組成；核心筒 由鋼柱、梁組成的鋼框架和鋼支撐組成。利用建筑的設(shè)備 避難層設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的外伸桁臂及腰桁架， 組成加強(qiáng)層 （4 道）。 塔樓 7F 以下為裙房、地下室共 13 層，采用鋼骨混凝土柱，

13、這主要是為了解決鋼結(jié)構(gòu)塔樓與混凝土裙房能夠連接協(xié)調(diào)， 利于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理， 同時充分利用高強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度， 減小了鋼骨的斷面 7F 以下為鋼骨柱，鋼筋混凝土截面尺寸 為 1400x1400 及 1500x1500 ，鋼骨為帶翼緣的十字形斷面； 8F 以 上 為 箱形 鋼柱 ， 柱 斷面 尺寸 為 1200x1200mm 到 600x600mm ，鋼柱板厚為 80mm 到 20mm. 在內(nèi)筒縱、橫各 設(shè)置三道支撐，采用中心支撐及八字形偏心支撐。支撐采用 H 鋼，斷面為 H400x400x25x30 、 H400x400x25x40 兩種。 鋼梁均為 H 形鋼梁。 8F 以下外框梁高為 700

14、mm ，8F 以上外 框?yàn)闈M足建筑凈高的要求， 梁高為 650mm ；為保證結(jié)構(gòu)整體 側(cè)向剛度，內(nèi)筒的框架梁高均為 900mm. 次梁與框架主梁采 用鉸接，按組合梁計(jì)算。為了使角部框架梁的受力均勻，在 角部增設(shè)次梁，并且隔層調(diào)換方向。樓板以壓型鋼板作施工 模板，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土非組合樓板。 抗震及抗風(fēng)設(shè)計(jì) （ 1）設(shè)計(jì)要求依據(jù)文獻(xiàn) 3，本工程 50 年超越概率 63、 10、5、3、 2所對應(yīng)的基本烈度值分別為 5.2、6.1、6.3、 6.4、6.6 ，按重慶市地震局的批復(fù)，按照 50 年超越概率 3% 的設(shè)計(jì)地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。由于現(xiàn)有計(jì)算程序無法輸 入 6.4 度的地震動參數(shù)，在抗

15、震計(jì)算時，取 7 度的參數(shù)進(jìn)行 計(jì)算。（2）總體設(shè)計(jì)1 ）使用及建筑要求設(shè)置的條件：a.塔樓部分平、立面非常規(guī)則，雙向基本對稱，建筑與結(jié)構(gòu)結(jié)合較 好，為結(jié)構(gòu)抗震提供非常有利的條件。b.全鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)均勻，延性較好，能很好地滿足抗震二道設(shè)防的要求。 2）側(cè)力 構(gòu)件的設(shè)計(jì)： a .內(nèi)筒框架 支撐結(jié)構(gòu)：在柱間均設(shè)置了鋼支 撐，部分為偏心支撐，有條件的框架柱間加設(shè)小柱，以加強(qiáng) 框架支撐的側(cè)向剛度。b.為提高內(nèi)筒的框架支撐抗側(cè)力體系的水平剛度，加高框架的高度，設(shè)計(jì)時權(quán)衡考慮梁承載力與 增加水平剛度的要求。c.設(shè)置4道加強(qiáng)層，在 23、41、54 及頂層由外伸桁架及外框腰桁架組成，加強(qiáng)層內(nèi)筒的支撐均 為中

16、心支撐，設(shè)計(jì)中，比較了不同層設(shè)置加強(qiáng)層對水平剛度 的效用程度，目前所設(shè)置的層數(shù)為最佳。d.裙房以下，采用鋼骨混凝土柱、鋼梁：考慮加強(qiáng)整體剛度及與裙房（鋼筋混 凝土框架結(jié)構(gòu)）的連接，對提高結(jié)構(gòu)整體的水平剛度起一定 作用。 2）按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 8.2.3 條“框架部分按 計(jì)算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部 總地震剪力的 25% 的要求，在本工程設(shè)計(jì)中考慮到這項(xiàng)要求并滿足了規(guī)定的要求。 3）地上 7 層以上地震效應(yīng)比較大的層 采用約束屈曲耗能支撐， 可在罕遇地震作用下起到減震作用。4）薄弱部分的加強(qiáng)：a.底層可能產(chǎn)生的薄弱部位：采用鋼骨 混凝土，是對結(jié)構(gòu)抗罕遇地震時地震作用的

17、加強(qiáng)，采用鋼梁 及鋼支撐也可使塑性鉸首先發(fā)生于支撐或梁而不是柱，以保 證結(jié)構(gòu)不致造成倒塌。b.加強(qiáng)層上下相鄰的框架柱：由于堅(jiān)強(qiáng)層的設(shè)置剛度有很大的突變，相連接的框架柱受力比較復(fù) 雜，很可能成為薄弱部位。根據(jù)彈性計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果對截面 要適當(dāng)加強(qiáng)，留有相當(dāng)儲備量，再經(jīng)彈塑性時程分析進(jìn)行驗(yàn) 算校核其受力與變形性能予以加強(qiáng)。c.通過彈塑性時程分析、檢驗(yàn)上部結(jié)構(gòu)首先產(chǎn)生塑性鉸的層及構(gòu)件，調(diào)整構(gòu)件截面采 用約束屈曲耗能支撐，使塑性鉸發(fā)生移轉(zhuǎn)到較次要構(gòu)件，確 保結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的目標(biāo)。本工程進(jìn)行了超限高層抗震專 項(xiàng)審查，專家提出該建筑物高柔，要解決好舒適度問題。氣 彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果由于重慶萬豪國際會展大廈

18、高而柔，又 地處高層建筑密集的重慶市城區(qū)，其周邊建筑物和地形對風(fēng) 場影響顯著，因而其在強(qiáng)風(fēng)作用下的風(fēng)效應(yīng)十分復(fù)雜，在強(qiáng) 風(fēng)作用下的動力效應(yīng)不容忽視，為此進(jìn)行了氣動彈性模型風(fēng) 洞試驗(yàn)。 通過對重慶萬豪國際會展大廈 1： 250 模型的氣彈模 型試驗(yàn)，取得了 16 個風(fēng)向角情況下大廈的的風(fēng)致振動響應(yīng)。 經(jīng)對試驗(yàn)結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論：1）、在各風(fēng)向角下，在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)， 萬豪國際會展大廈均未發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生。也未發(fā)生振動發(fā)散的馳振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)屋頂處最大橫風(fēng)向振動 位移（單邊振幅）為 b=0o 時，且為 0.297m ，最大順風(fēng)向振 動位移（單邊振幅）為 b=270o 時，且為 0.133m2 ）、在各風(fēng) 向角下， 10 年重現(xiàn)期風(fēng)壓時，大廈頂部最大振動加速度小于 0.2m/s2 ，扭轉(zhuǎn)振動角速度小于 0.001rad/s ，滿足舒適度要求。 3）、當(dāng)來流風(fēng)向正對結(jié)構(gòu)物某一面作用時，其橫風(fēng)向位移、 加速度振動響應(yīng)大于順風(fēng)向位移、加速度振動響應(yīng)，因而對 于該類高層建筑結(jié)構(gòu)， 其橫風(fēng)向荷載效應(yīng)是不容忽略的。 4 ）、 由于周邊建筑物對氣流的影響，大廈各面會有局部高風(fēng)壓現(xiàn) 象的出現(xiàn)，因而在進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)時對這一問題應(yīng)引起重視。 另外，周邊建筑結(jié)構(gòu)對大廈風(fēng)壓的影響，在其自身高度范圍