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1、1广州西塔Introduction of Guangzhou West Tower Structure Design广州珠江新城西塔广州珠江新城西塔广州珠江新城西塔广州珠江新城西塔结构设计简介结构设计简介结构设计简介结构设计简介方小丹方小丹方小丹方小丹方小丹方小丹2广州西塔工程概况广州珠江新城西塔项目位于珠江新城，在广州新广州珠江新城西塔项目位于珠江新城，在广州新城市中轴线西侧，与广州新电塔隔江相望。项目城市中轴线西侧，与广州新电塔隔江相望。项目占地占地31,085m31,085m2 2 ，总建筑面积约为，总建筑面积约为448,736m448,736m2 2。其。其中，地下室中，地下室4 4层
2、，为商场，停车场，机电设备间，层，为商场，停车场，机电设备间，地下地下4 4层板面标高层板面标高19.119.1米；主塔楼地面以上米；主塔楼地面以上103103层，高层，高432432米，米，7373层以下为写字楼及酒店服务楼层以下为写字楼及酒店服务楼层，层高层，层高4.54.5米，以上为高级酒店客房，层高米，以上为高级酒店客房，层高3.3753.375米米; ;主塔楼建筑面积约主塔楼建筑面积约250000m250000m2 2 。工程于工程于20052005年年1212月月2626日动工，先进行基坑支护及日动工，先进行基坑支护及土石方工程；土石方工程；20062006年年9 9月完成施工图设
3、计，月完成施工图设计，20082008年底主体结构封顶，年底主体结构封顶，20102010年底竣工交付使用。年底竣工交付使用。3广州西塔工程概况4广州西塔5广州西塔工程概况 图3 办公标准层平面（23层）办公标准层平面（23层） 6广州西塔工程概况 图3 办公标准层平面（23层）酒店客房标准层平面（78层） 7广州西塔工程概况项目发展商：广州越秀城建国际金融中心有限公司项目发展商：广州越秀城建国际金融中心有限公司设计团队设计团队: WEA-ARUP: WEA-ARUP 华南理工大学建筑设计研究院华南理工大学建筑设计研究院 联合体联合体施工图审查及顾问总承包：广州市设计院施工图审查及顾问总承包：
4、广州市设计院结构专业顾问：广州容柏生建筑工程设计事务所结构专业顾问：广州容柏生建筑工程设计事务所施工总承包：中国建筑总公司广州建筑集团联合体施工总承包：中国建筑总公司广州建筑集团联合体钢结构制作：沪宁钢机、精工钢构钢结构制作：沪宁钢机、精工钢构风洞试验单位：汕头大学风洞试验室，美国风洞试验单位：汕头大学风洞试验室，美国cppcpp风风 洞试验室洞试验室节点试验单位：华南理工大学土木工程系节点试验单位：华南理工大学土木工程系振动台试验单位：中国建筑科学研究院，同济大学振动台试验单位：中国建筑科学研究院，同济大学风环境评估单位风环境评估单位: : 广东省气象局。广东省气象局。8广州西塔结构体系结构
5、体系结构分析结构分析12振动台试验振动台试验3设计难点及解决方案设计难点及解决方案49广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系1.11.1、抗侧力结构体系、抗侧力结构体系采用采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+ +钢筋混凝钢筋混凝土内筒的筒中筒体系土内筒的筒中筒体系。6969层以上，由于建筑使用层以上，由于建筑使用功能的需要，取消了核心筒的内墙，仅保留部分功能的需要，取消了核心筒的内墙，仅保留部分核心筒外墙并向内倾斜，电梯井道移至核心筒外，核心筒外墙并向内倾斜，电梯井道移至核心筒外，形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+ +剪力墙结剪力墙结构体
6、系。水平荷载（包括风荷载和地震作用）产构体系。水平荷载（包括风荷载和地震作用）产生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴力承担，基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。力承担，基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。10广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系广州西塔修长挺拔，高宽比达广州西塔修长挺拔，高宽比达6.56.5，平，平面为类三角形，外周边由六段曲率不同面为类三角形，外周边由六段曲率不同的圆弧构成；立面由首层至的圆弧构成；立面由首层至3131层外凸，层外凸，3131层至层至103103层内收，剖面外轮廓也呈弧层内收，剖面外轮廓也呈弧线。西塔外周边共线。
7、西塔外周边共3030根钢管混凝土斜柱根钢管混凝土斜柱于空间相贯，节点层间距离于空间相贯，节点层间距离27m27m；7373层层以下每节点层间分以下每节点层间分6 6层，层高层，层高4.5m4.5m；其；其余分余分8 8层，层高层，层高3.375m3.375m。11广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系广州西塔斜交网格外筒的组成包括：广州西塔斜交网格外筒的组成包括：、竖向构件竖向构件以一定角度相交的斜柱；以一定角度相交的斜柱；、水平构件、水平构件沿外周边布置、连接网格沿外周边布置、连接网格节点的环梁及沿外周边布置、支承于斜柱节点的环梁及沿外周边布置、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定的
8、楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点，侧向刚度和了它抵抗水平力的独特优点，侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒，但竖向刚度比框扭转刚度也远优于框筒，但竖向刚度比框筒稍差。水平力由斜柱的轴向力平衡，倾筒稍差。水平力由斜柱的轴向力平衡，倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。的轴力平衡。12广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系斜柱中弯矩产生的原因：一是节间的竖向斜柱中弯矩产生的原因：一是节间的竖向荷载，并与斜柱的交角和层高相关；二是荷载，并与斜柱的交角和层高相关；二是网格节点的水平位移，相邻层间节点水平网格节点的水平位移，相邻层间节点水
9、平位移差越大，斜柱的柱端弯矩越大。网格位移差越大，斜柱的柱端弯矩越大。网格节点水平位移的大小除取决于斜柱轴力、节点水平位移的大小除取决于斜柱轴力、平面内的交角和平面外的折角外，还取决平面内的交角和平面外的折角外，还取决于网格筒环梁、内外筒间的拉梁和楼板的于网格筒环梁、内外筒间的拉梁和楼板的轴向刚度。节点的水平约束越强，斜柱截轴向刚度。节点的水平约束越强，斜柱截面的剪力和弯矩越小，同时，结构的竖向面的剪力和弯矩越小，同时，结构的竖向刚度越大。刚度越大。13广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系计算分析表明，西塔的层高不大，斜柱的计算分析表明，西塔的层高不大，斜柱的交角也不大，由交角也不大，由13.
10、6313.6334.0934.09，自重，自重引起的弯矩也不大；对各节点层施加了体引起的弯矩也不大；对各节点层施加了体外预应力，阻止了竖向荷载作用下网格节外预应力，阻止了竖向荷载作用下网格节点的向外水平位移，大大减少了斜柱的柱点的向外水平位移，大大减少了斜柱的柱端弯矩和剪力，提高了结构的竖向刚度。端弯矩和剪力，提高了结构的竖向刚度。不论是竖向还是水平荷载，斜柱的主要内不论是竖向还是水平荷载，斜柱的主要内力是轴力，剪力和弯矩均很小。力是轴力，剪力和弯矩均很小。14广州西塔1、结构体系/抗侧力结构体系钢管混凝土柱轴向刚度大，承载力高，延钢管混凝土柱轴向刚度大，承载力高，延性好，以轴力的形式来抵抗风
11、荷载和地震性好，以轴力的形式来抵抗风荷载和地震作用产生的水平力和倾覆力矩，正好发挥作用产生的水平力和倾覆力矩，正好发挥了钢管混凝土结构的优势，十分高效。此了钢管混凝土结构的优势，十分高效。此外，由于斜柱底端弯矩、扭矩很小，即使外，由于斜柱底端弯矩、扭矩很小，即使释放支座处释放支座处X X、Y Y、Z Z三个方向的转角约束，三个方向的转角约束，结构自振频率的变化甚微，即斜柱支座刚结构自振频率的变化甚微，即斜柱支座刚接或铰接对结构的侧向刚度和构件内力的接或铰接对结构的侧向刚度和构件内力的影响很小，这就可以简化支座的设计和构影响很小，这就可以简化支座的设计和构造。造。15广州西塔1、结构体系/抗侧力
12、结构体系钢管混凝土外筒斜柱断面尺寸：钢管混凝土外筒斜柱断面尺寸：从基底开始，钢管直径从基底开始，钢管直径1800mm1800mm，壁厚，壁厚35mm35mm，每一个节点层直径缩小，每一个节点层直径缩小50mm50mm或或100mm100mm，至顶层钢管直径至顶层钢管直径700 mm700 mm，壁厚，壁厚20mm20mm。核心筒外墙厚：核心筒外墙厚：地下室地下室1100mm1100mm，出地面，出地面1000mm1000mm，沿高度方，沿高度方向逐渐减薄至酒店层下层向逐渐减薄至酒店层下层500mm500mm；酒店层；酒店层以上以上4 4层层350mm350mm，其余，其余300mm300mm；
13、核心筒内墙厚：核心筒内墙厚：500mm500mm。16广州西塔1、结构体系/楼盖结构体系1.21.2、楼盖结构体系、楼盖结构体系首层以下及核心筒内采用钢筋混凝土梁板，首层以下及核心筒内采用钢筋混凝土梁板，板厚板厚130130200mm200mm。内外筒之间采用钢混。内外筒之间采用钢混凝土组合楼盖，梁跨度约凝土组合楼盖，梁跨度约8 815m15m，工字钢，工字钢梁高一般为梁高一般为450mm450mm，跨度较大处加高至，跨度较大处加高至600mm600mm；办公楼层板厚一般为；办公楼层板厚一般为110mm110mm，酒店，酒店楼层板厚一般为楼层板厚一般为130mm130mm，板跨度较大处局，板跨
14、度较大处局部加厚。部加厚。 17广州西塔1、结构体系/基础1.31.3、基础、基础主塔楼位置基础底板已到达中微风化泥质主塔楼位置基础底板已到达中微风化泥质粉砂岩层。考虑到部分柱位下岩石裂隙较粉砂岩层。考虑到部分柱位下岩石裂隙较发育，采用人工挖孔桩（墩）基础，持力发育，采用人工挖孔桩（墩）基础，持力层均为微风化粉砂岩或砾岩，设计要求岩层均为微风化粉砂岩或砾岩，设计要求岩样天然湿度单轴抗压强度不小于样天然湿度单轴抗压强度不小于13MPa13MPa。桩径桩径32004800mm32004800mm，桩长约，桩长约613m613m。单桩竖。单桩竖向承载力特征值为向承载力特征值为110000kN2470
15、00kN110000kN247000kN。部分桩有抗拔要求，单桩抗拔承载力特征部分桩有抗拔要求，单桩抗拔承载力特征值为值为5000kN15000kN5000kN15000kN。主塔楼位置基础底板厚主塔楼位置基础底板厚2.5m2.5m。 18广州西塔1、结构体系/基础19广州西塔1、结构体系/ 主要结构用料1.41.4、主要结构用料、主要结构用料钢材：钢材：Q345BQ345B除节点外的外筒钢管混凝土斜柱，除节点外的外筒钢管混凝土斜柱，楼盖钢梁及其他钢结构构件楼盖钢梁及其他钢结构构件Q345GJCQ345GJC节点部分的钢管、椭圆拉板及加节点部分的钢管、椭圆拉板及加强环板强环板18601860级
16、高强低松弛钢绞线节点层体外预级高强低松弛钢绞线节点层体外预应力索应力索20广州西塔1、结构体系/ 主要结构用料1.41.4、主要结构用料、主要结构用料混凝土：混凝土：C50C50桩及基础底板桩及基础底板C80C50C80C50核心筒及剪力墙核心筒及剪力墙C70C60C70C60外筒钢管混凝土斜柱外筒钢管混凝土斜柱C90C60C90C60外筒钢管混凝土斜柱节点外筒钢管混凝土斜柱节点 C40C35C40C35楼板楼板 21广州西塔结构体系结构体系结构分析结构分析21振动台试验振动台试验3设计难点及解决方案设计难点及解决方案422广州西塔2、结构分析/ 分析模型2.12.1、分析软件、分析软件ETA
17、BS ANSYS SAP2000ETABS ANSYS SAP20002.22.2、分析模型、分析模型钢管混凝土斜交网格外筒空间杆单元钢管混凝土斜交网格外筒空间杆单元由于实际节点尺寸较大，一般节点高度有由于实际节点尺寸较大，一般节点高度有8 815m15m高，而在结构整体计算中，节点一般也简化为杆高，而在结构整体计算中，节点一般也简化为杆件的连接点，故在结构整体计算中如何模拟节点件的连接点，故在结构整体计算中如何模拟节点是非常重要的。本节对节点分别采用实体单元是非常重要的。本节对节点分别采用实体单元（图（图1 1）和杆单元（图）和杆单元（图2 2）进行模拟，在相同的力）进行模拟，在相同的力和位
18、移边界条件下通过比较位移可以判明结构整和位移边界条件下通过比较位移可以判明结构整体计算的模型能否模拟实际节点的刚度。体计算的模型能否模拟实际节点的刚度。 23广州西塔2、结构分析/ 分析模型24广州西塔2、结构分析/ 分析模型实体模型和杆件模型计算位移比较实体模型和杆件模型计算位移比较 竖向位移竖向位移 径向位移径向位移 环向位移环向位移实体模型实体模型 0.508 1.773 1.0290.508 1.773 1.029杆件模型杆件模型 0.54 2.066 1.4430.54 2.066 1.443两者比值两者比值 1.06 1.17 1.40 1.06 1.17 1.40 可以看出，实际
19、节点模型的竖向和径向位可以看出，实际节点模型的竖向和径向位移相比杆件模型的位移略小，节点刚度略移相比杆件模型的位移略小，节点刚度略大。大。25广州西塔2、结构分析/ 分析模型在节点处虽然两根钢管柱相贯，总截面面在节点处虽然两根钢管柱相贯，总截面面积减少，但由于节点区壁厚增加且增加了积减少，但由于节点区壁厚增加且增加了椭圆拉板，节点实际刚度比两根钢管柱刚椭圆拉板，节点实际刚度比两根钢管柱刚度之和还略大。而对于环向位移度之和还略大。而对于环向位移, ,两者差两者差异较大，但考虑到实际杆件相交处近乎圆异较大，但考虑到实际杆件相交处近乎圆形，基本轴对称，环向位移较小，对结构形，基本轴对称，环向位移较小
20、，对结构整体内力的影响非常小，故斜交网格外筒整体内力的影响非常小，故斜交网格外筒按杆系进行结构整体分析的结果是可以接按杆系进行结构整体分析的结果是可以接受的。受的。 26广州西塔2、结构分析/ 分析模型外框钢管柱中混凝土的轴向刚度外框钢管柱中混凝土的轴向刚度除了以上的节点刚度分析之外，必须保证除了以上的节点刚度分析之外，必须保证钢管柱中混凝土没有承受拉力，或在拉力钢管柱中混凝土没有承受拉力，或在拉力下不发生开裂，这样才可以合理地假定外下不发生开裂，这样才可以合理地假定外筒柱可采用其弹性刚度。筒柱可采用其弹性刚度。在竖向荷载、风荷载和地震作用的标准组在竖向荷载、风荷载和地震作用的标准组合下，合下
21、， 9090层以下钢管混凝土柱没有出现层以下钢管混凝土柱没有出现拉力；拉力；9090层以上，外框柱虽然出现拉力，层以上，外框柱虽然出现拉力，但拉应变小于混凝土的轴心抗拉强度标准但拉应变小于混凝土的轴心抗拉强度标准值下的拉应变，能确保不引起混凝土的开值下的拉应变，能确保不引起混凝土的开裂。裂。27广州西塔2、结构分析/ 分析模型钢筋混凝土楼板壳单元钢筋混凝土楼板壳单元核心筒中的楼板为刚性板。核心筒中的楼板为刚性板。核心筒外的楼板为弹性板刚度折减（核心筒外的楼板为弹性板刚度折减（0, 0, 0.25, 0.5)0.25, 0.5)钢筋混凝土内筒壳单元钢筋混凝土内筒壳单元楼盖钢梁梁单元楼盖钢梁梁单元
22、连梁刚度折减系数为连梁刚度折减系数为0.80.8计算嵌固部位地下计算嵌固部位地下4 4层（底板顶面）层（底板顶面）28广州西塔2、结构分析/ 分析模型结构分析主要输入参数结构分析主要输入参数楼层层数：楼层层数：108108层（包括地下室）层（包括地下室）风荷载：风荷载：100100年重现期基本风压年重现期基本风压 0.6kPa0.6kPa地震作用：单向地震作用：单向/ /偶然偏心偶然偏心(5%)/(5%)/双向双向地震作用计算：振型分解反应谱法地震作用计算：振型分解反应谱法/ /弹性时程弹性时程 分析分析/ /动力弹塑性分析动力弹塑性分析地震作用方向：结构平动基本周期方向及平行地震作用方向：结
23、构平动基本周期方向及平行/ /垂直于三角形各边垂直于三角形各边 地震作用振型组合数：地震作用振型组合数：3030地震效应计算方法：考虑扭转耦连地震效应计算方法：考虑扭转耦连CQCCQC法法周期折减系数：周期折减系数：0.850.8529广州西塔2、结构分析/ 分析模型活荷载折减：按规范折减活荷载折减：按规范折减自重调整系数：自重调整系数：1.01.0楼板假定：楼板假定： 核心筒内板为刚性板，筒外楼板为核心筒内板为刚性板，筒外楼板为弹性楼板弹性楼板小震和中震结构阻尼比：小震和中震结构阻尼比： 0.040.04大震结构阻尼比：大震结构阻尼比：0.050.05重力二阶效应重力二阶效应(P-(P-效应
24、效应) )：考虑：考虑楼层水平地震剪力调整：楼层水平地震剪力调整： 考虑考虑楼层框架总剪力调整：楼层框架总剪力调整： 考虑考虑30广州西塔2、结构分析/ 分析模型结构设计预期目标结构设计预期目标结构耐久性：设计使用年限结构耐久性：设计使用年限100100年。年。正常使用状态正常使用状态结构、构件有必要的刚度；结构、构件有必要的刚度；室内混凝土构件的裂缝宽度室内混凝土构件的裂缝宽度0.3mm0.3mm；重现期重现期1010年的风荷载作用下，建筑物顶点加速度年的风荷载作用下，建筑物顶点加速度0.2m/s0.2m/s2 2 。承载力及位移极限状态承载力及位移极限状态重现期重现期100100年风荷载、
25、小震作用下，结构弹性；年风荷载、小震作用下，结构弹性；中震作用下，结构基本弹性；中震作用下，结构基本弹性；大震作用下，结构不倒塌，可修复。大震作用下，结构不倒塌，可修复。31广州西塔2、结构分析/ 分析结果2.32.3、分析结果、分析结果周期及质量参与系数周期及质量参与系数92.00 91.34 90.92 0.55 0.69 0.29 0.4303 15 91.45 90.65 90.64 2.11 0.23 0.17 0.5427 14 89.34 90.42 90.46 0.35 0.78 1.01 0.5540 13 88.99 89.64 89.45 0.01 1.19 0.95 0
26、.5709 12 88.98 88.45 88.50 0.07 2.03 1.50 0.7190 11 88.91 86.42 87.00 0.01 1.34 1.97 0.7381 10 88.90 85.08 85.03 4.56 0.04 0.00 0.7665 9 84.33 85.03 85.03 0.18 5.00 2.60 1.1553 8 84.16 80.04 82.42 0.06 2.63 5.03 1.1773 7 84.09 77.41 77.39 10.41 0.14 0.00 1.2132 6 73.68 77.27 77.39 0.01 10.56 7.54 2.
27、1682 5 73.66 66.71 69.85 0.01 7.59 10.48 2.1973 4 73.65 59.12 59.37 73.59 0.01 0.00 2.7626 3 0.05 59.11 59.37 0.00 1.80 57.50 7.5091 2 0.05 57.31 1.87 0.00 57.31 1.87 7.5720 1 SumRZ(%)SumUY(%)SumUX(%)RZ(%)UY(%)UX(%)Period(s)Mode32广州西塔2、结构分析/ 分析结果层间位移角层间位移角33广州西塔2、结构分析/ 分析结果水平位移水平位移34广州西塔2、结构分析/ 分析结果
28、基底反力基底反力3828718.55G(KN)总重量1.861.861.86Q0/G(%)711887118871188基底剪力Q0(KN)19.419.419.4基底弯矩M0(GN-m)风荷载作用WYR100CWYR100BWYR100A项目3828718.55G(KN)总重量1.471.48Q0/G(%)5646456525基底剪力Q0(KN)12.612.5基底弯矩M0(GN-m)地震作用SPECYSPECX项目混凝土内筒承担的竖向荷载约占总重的混凝土内筒承担的竖向荷载约占总重的5757；钢管混凝土斜；钢管混凝土斜交网格外筒承担的竖向荷载约占总重的交网格外筒承担的竖向荷载约占总重的434
29、3。内筒承担的基。内筒承担的基底剪力约占总剪力的底剪力约占总剪力的61%61%，而外筒承担约，而外筒承担约39%39%；内筒承担的；内筒承担的倾覆力矩约占总倾覆力矩的倾覆力矩约占总倾覆力矩的39%39%，外筒约占，外筒约占61%61%。 35广州西塔2、结构分析/ 分析结果竖向荷载作用下核心筒弹性变形图竖向荷载作用下核心筒弹性变形图36广州西塔2、结构分析/ 分析结果竖向荷载作用下外筒弹性变形图竖向荷载作用下外筒弹性变形图37广州西塔2、结构分析/ 分析结果风荷载作用下侧向变形图风荷载作用下侧向变形图38广州西塔2、结构分析/ 分析结果风荷载作用下外筒斜交网格柱轴力分布图风荷载作用下外筒斜交网
30、格柱轴力分布图39广州西塔2、结构分析/ 分析结果结构前三阶振型图结构前三阶振型图 40广州西塔2、结构分析/ 分析结果温度效应分析温度效应分析 结构合拢温度范围约为结构合拢温度范围约为10-3510-35。由于使用期间。由于使用期间西塔的结构构件都处于室内环境，有空调控制温西塔的结构构件都处于室内环境，有空调控制温度，一般在度，一般在20-2820-28左右，因此，所有内部构左右，因此，所有内部构件只需考虑件只需考虑1010的温度变化。把温度荷载施加的温度变化。把温度荷载施加于于ETABSETABS三维模型上进行分析，可得构件轴力最三维模型上进行分析，可得构件轴力最大内力设计值增加的百分比分
31、别为：外框柱约大内力设计值增加的百分比分别为：外框柱约1.11.1、楼面环梁约、楼面环梁约2.22.2、楼面拉梁约、楼面拉梁约3.83.8，都可忽略不计。都可忽略不计。41广州西塔2、结构分析/ 分析结果徐变分析徐变分析 图9 内筒的竖向压缩量(一年后) 42广州西塔2、结构分析/ 分析结果徐变分析徐变分析 图9 内筒的竖向压缩量(一年后) 43广州西塔结构体系结构体系结构分析结构分析32振动台试验振动台试验1设计难点及解决方案设计难点及解决方案444广州西塔3、振动台试验20072007年年2 2月月1414日在中国建日在中国建筑科学研究院振动台实筑科学研究院振动台实验室进行了西塔结构模验室
32、进行了西塔结构模拟地震振动台试验拟地震振动台试验. .模型模型几何比尺几何比尺1/50,1/50,满足动力满足动力和重力相似关系和重力相似关系. .试验表试验表明明, ,结构模型在结构模型在7 7度罕遇度罕遇地震作用后仍可保持弹地震作用后仍可保持弹性性. .45广州西塔3、振动台试验在振动台试验过程中，结构在各工况地震作用在振动台试验过程中，结构在各工况地震作用下，振动形态基本为平动，结构整体基本无扭下，振动形态基本为平动，结构整体基本无扭转效应。转效应。模型在经历了模型在经历了7 7度小震、度小震、7 7度中震、度中震、7 7度罕遇地震度罕遇地震作用后，自振特性有微小变化，结构基本处于作用后
33、，自振特性有微小变化，结构基本处于弹性状态。弹性状态。模型在经历了模型在经历了8 8度罕遇地震作用后度罕遇地震作用后, , 自振特性又自振特性又有微小变化，核心筒剪力墙未见明显裂缝，外有微小变化，核心筒剪力墙未见明显裂缝，外围铜管混凝土构件未见明显屈服，说明模型结围铜管混凝土构件未见明显屈服，说明模型结构稍有损伤，模型最大层间位移角为构稍有损伤，模型最大层间位移角为1/1331/133。试验说明，原型结构设计在试验说明，原型结构设计在8 8度罕遇地震作用下度罕遇地震作用下满足规范要求。满足规范要求。46广州西塔结构体系结构体系结构分析结构分析42振动台试验振动台试验3设计难点及解决方案设计难点
34、及解决方案147广州西塔4、设计难点及解决方案4.14.1、楼层平面内拉力问题楼层平面内拉力问题西塔建筑造型独特，由钢管混西塔建筑造型独特，由钢管混凝土柱组成的斜交网络外框筒凝土柱组成的斜交网络外框筒分为分为1616个节，每个节个节，每个节27M27M，钢，钢管混凝土柱在每个节间为直线管混凝土柱在每个节间为直线段，相邻节段的柱于节点层形段，相邻节段的柱于节点层形成一个折点，并于节点层平面成一个折点，并于节点层平面内产生向外的推力，如下图所内产生向外的推力，如下图所示示, ,从而在楼层梁板中产生了从而在楼层梁板中产生了拉力。抵抗该拉力是本工程设拉力。抵抗该拉力是本工程设计中的技术难点之一。计中的
35、技术难点之一。48广州西塔4、设计难点及解决方案通过分析可知，由外筒斜柱竖向力传递转折而通过分析可知，由外筒斜柱竖向力传递转折而产生的向外的推力可由钢管混凝土柱本身的剪产生的向外的推力可由钢管混凝土柱本身的剪力、外环梁的拉力、连接柱与核心筒的拉梁及力、外环梁的拉力、连接柱与核心筒的拉梁及楼板的拉力来平衡。楼板的拉力来平衡。一般说来，钢管混凝土柱的优势在于承受轴向一般说来，钢管混凝土柱的优势在于承受轴向力，过大的剪力和弯矩会降低钢管混凝土柱的力，过大的剪力和弯矩会降低钢管混凝土柱的承载能力；而钢筋混凝土楼板则有裂缝宽度的承载能力；而钢筋混凝土楼板则有裂缝宽度的限制。因此，本工程采取了外框筒环梁限
36、制。因此，本工程采取了外框筒环梁+ +拉梁拉梁+ +核心筒内闭合环梁构成的独立的平面内抗拉体核心筒内闭合环梁构成的独立的平面内抗拉体系，如下图所示。系，如下图所示。49广州西塔4、设计难点及解决方案50广州西塔4、设计难点及解决方案4.24.2、外框筒斜柱相贯节点问题外框筒斜柱相贯节点问题本工程的第二个主要技术难点是组成斜交网格本工程的第二个主要技术难点是组成斜交网格外框筒的钢管混凝土柱外框筒的钢管混凝土柱 “X X”形相贯节点。建形相贯节点。建筑师要求两根钢管混凝土柱空间相贯。在柱轴筑师要求两根钢管混凝土柱空间相贯。在柱轴线交点处截面面积最小，所受轴力最大。因此线交点处截面面积最小，所受轴力
37、最大。因此, ,必须设计一个特殊节点以满足既不加大节点的必须设计一个特殊节点以满足既不加大节点的截面尺寸，又能满足承受更大内力的要求。截面尺寸，又能满足承受更大内力的要求。51广州西塔4、设计难点及解决方案我们研究设计了一个新型节点，利用竖向放置我们研究设计了一个新型节点，利用竖向放置的椭圆形拉板连接四根相贯的钢管，节点区内的椭圆形拉板连接四根相贯的钢管，节点区内钢管壁适当加厚，细腰处设置水平加强环。钢管壁适当加厚，细腰处设置水平加强环。( (如图所示如图所示) )。该节点形式简洁，受力明确，方。该节点形式简洁，受力明确，方便管内混凝土的浇灌。目前已完成两个阶段的便管内混凝土的浇灌。目前已完成
38、两个阶段的试验，试验证明该节点承载力及刚度均能满足试验，试验证明该节点承载力及刚度均能满足要求。要求。52广州西塔4、设计难点及解决方案节点模型节点模型 53广州西塔4、设计难点及解决方案节点局部节点局部 54广州西塔4、设计难点及解决方案弹性阶段弹性阶段 钢管环向应力钢管环向应力 钢管竖向应力钢管竖向应力 55广州西塔4、设计难点及解决方案弹性阶段弹性阶段 椭圆拉板横向应力椭圆拉板横向应力 椭圆拉板竖向应力椭圆拉板竖向应力 56广州西塔4、设计难点及解决方案弹塑性阶段弹塑性阶段 钢管环向应力钢管环向应力 钢管竖向应力钢管竖向应力 57广州西塔4、设计难点及解决方案弹塑性阶段弹塑性阶段椭圆拉板
39、横向应力椭圆拉板横向应力 椭圆拉板竖向应力椭圆拉板竖向应力58广州西塔4、设计难点及解决方案弹塑性阶段弹塑性阶段外加强钢环板环向应力外加强钢环板环向应力 外加强钢环板环向应力外加强钢环板环向应力59广州西塔4、设计难点及解决方案B1B1试件（试件（2020度）承载力位移曲线度）承载力位移曲线60广州西塔4、设计难点及解决方案B3B3试件（试件（3535度）承载力位移曲线度）承载力位移曲线61广州西塔4、设计难点及解决方案节点试验节点试验62广州西塔4、设计难点及解决方案节点试验节点试验63广州西塔4、设计难点及解决方案节点试验节点试验64广州西塔4、设计难点及解决方案节点试验节点试验65广州西
40、塔4、设计难点及解决方案节点试验节点试验66广州西塔4、设计难点及解决方案节点试验结论节点试验结论n从试验现象来看，角节点的最终破坏现象主要表从试验现象来看，角节点的最终破坏现象主要表现为节点区钢管鼓起，没有达到现为节点区钢管鼓起，没有达到“强节点强节点”设计设计原则，边节点的最终破坏现象主要表现为非节点原则，边节点的最终破坏现象主要表现为非节点区钢管鼓起，实现了区钢管鼓起，实现了“强节点强节点”设计原则。但试设计原则。但试件的非节点区杆件长度较短，尤其是角节点，考件的非节点区杆件长度较短，尤其是角节点，考虑实际结构杆件有较大长细比以及受弯矩作用，虑实际结构杆件有较大长细比以及受弯矩作用，实际
41、结构的角节点和边节点均可以实现实际结构的角节点和边节点均可以实现“强节点强节点”设计原则。设计原则。67广州西塔4、设计难点及解决方案4.34.3、设计风荷载问题设计风荷载问题广州西塔建筑造型修长挺广州西塔建筑造型修长挺拔，高宽比超过拔，高宽比超过6.56.5，风，风荷载为结构设计中的控制荷载为结构设计中的控制荷载。毗邻拟建东塔的干荷载。毗邻拟建东塔的干扰，使西塔的风反应更为扰，使西塔的风反应更为复杂。本工程通过风气象复杂。本工程通过风气象分析确定了本区域的风况分析确定了本区域的风况及设计风参数，并通过大及设计风参数，并通过大气边界层风洞刚性模型同气边界层风洞刚性模型同步测压试验确定大楼的等步
42、测压试验确定大楼的等效风荷载。效风荷载。68广州西塔4、设计难点及解决方案风洞试验及结构的风致响应分析结果表明：结风洞试验及结构的风致响应分析结果表明：结构的动力性能包括阻尼比、自振频率等对结构构的动力性能包括阻尼比、自振频率等对结构风反应影响很大；结构横风向风荷载效应远大风反应影响很大；结构横风向风荷载效应远大于顺风向风荷载效应。对于此类截面接近圆形于顺风向风荷载效应。对于此类截面接近圆形的超高层建筑，易引起跨临界强风共振。周边的超高层建筑，易引起跨临界强风共振。周边环境特别是拟建的东塔对西塔的风反应也有一环境特别是拟建的东塔对西塔的风反应也有一定影响。定影响。69广州西塔4、设计难点及解决
43、方案以下为西塔以下为西塔385385米高度处的气动力功率谱，气动米高度处的气动力功率谱，气动力力Fx,FyFx,Fy为根据该楼层风压时程积分的结果，相为根据该楼层风压时程积分的结果，相应坐标系见右图。应坐标系见右图。70广州西塔4、设计难点及解决方案0 0度风向角度风向角 FxFx FyFy71广州西塔4、设计难点及解决方案120120度风向角度风向角 FxFx FyFy72广州西塔4、设计难点及解决方案240240度风向角度风向角 FxFx FyFy73广州西塔4、设计难点及解决方案0 0度为典型的风荷载谱，体现在度为典型的风荷载谱，体现在FxFx和和FyFy有非常不有非常不同的特征：同的特
44、征：FxFx为顺风向湍流作用的结果，在其为顺风向湍流作用的结果，在其谱中没有明显的峰值，脉动力各个频率分量的谱中没有明显的峰值，脉动力各个频率分量的分布和脉动风谱类似，而横风向分布和脉动风谱类似，而横风向FyFy的谱则有非的谱则有非常明显的峰值，这个峰值所对应的频率值即为常明显的峰值，这个峰值所对应的频率值即为漩涡脱落频率，图中的漩涡脱落频率，图中的3 3条红线分别对应于结构条红线分别对应于结构的前的前3 3阶固有频率，由图中可见，结构的前两阶阶固有频率，由图中可见，结构的前两阶固有频率基本和漩涡脱落频率一致，这意味着固有频率基本和漩涡脱落频率一致，这意味着会有潜在的涡激共振问题。会有潜在的涡
45、激共振问题。74广州西塔4、设计难点及解决方案西塔的风振基本是横风向控制的，且在横风向西塔的风振基本是横风向控制的，且在横风向响应和荷载中，平均量一般都很小，而共振分响应和荷载中，平均量一般都很小，而共振分量又远远超过背景部分占有相当大的成分，因量又远远超过背景部分占有相当大的成分，因此，最终结构的峰值响应或等效静风荷载还要此，最终结构的峰值响应或等效静风荷载还要很大程度地取决于峰值因子和结构阻尼比的选很大程度地取决于峰值因子和结构阻尼比的选取。取。75广州西塔4、设计难点及解决方案峰值因子和结构阻尼比对等效风荷载的影响：峰值因子和结构阻尼比对等效风荷载的影响：76广州西塔4、设计难点及解决方
46、案结构顶部加速度随阻尼比的减少而增加：结构顶部加速度随阻尼比的减少而增加：77广州西塔4、设计难点及解决方案设计时风荷载参数的取值为：设计时风荷载参数的取值为：考虑到西塔的考虑到西塔的设计荷载是根据设计荷载是根据100100年基本风压进行计算而得到年基本风压进行计算而得到的，这种情况下，采用跨越一次结构即告失效的，这种情况下，采用跨越一次结构即告失效的峰值因子的峰值因子g=3.5g=3.5作为设计参数将偏于保守。因作为设计参数将偏于保守。因此，在结构构件承载力设计中，根据实际计算此，在结构构件承载力设计中，根据实际计算的峰值因子的分布情况，采用比国家荷载规范的峰值因子的分布情况，采用比国家荷载
47、规范略高的略高的g=2.5g=2.5作为峰值因子；作为峰值因子；100100年一遇极大年一遇极大风作用下的结构阻尼比取风作用下的结构阻尼比取3.5%3.5%；舒适度验算舒适度验算采用重现期采用重现期1010年的基本风压，结构阻尼比取年的基本风压，结构阻尼比取1%1%，峰值因子取，峰值因子取3.5%3.5%，同时考虑风速玫瑰的影响，同时考虑风速玫瑰的影响 78广州西塔4、设计难点及解决方案4.44.4、体外预应力问题体外预应力问题为进一步提高节点层抗拉体系的安全储备，于为进一步提高节点层抗拉体系的安全储备，于节点层周边设置体外高强钢绞线预应力索。张节点层周边设置体外高强钢绞线预应力索。张拉索使得
48、节点层平面内产生沿径向的压力，大拉索使得节点层平面内产生沿径向的压力，大大减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力，还大减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力，还可降低楼板中的拉应力水平，有效地控制楼板可降低楼板中的拉应力水平，有效地控制楼板的裂缝宽度。的裂缝宽度。79广州西塔4、设计难点及解决方案与此同时，体外预应力的施加减小了钢管混凝与此同时，体外预应力的施加减小了钢管混凝土斜柱的向外水平位移，相应减少了柱端弯矩，土斜柱的向外水平位移，相应减少了柱端弯矩，从而提高了柱的竖向承载力。体外预应力施加从而提高了柱的竖向承载力。体外预应力施加的方法、施加的大小及时机、预应力索的维护的方法、施加的大小及时机、
49、预应力索的维护及与主结构的连接方式成了本工程的另一个技及与主结构的连接方式成了本工程的另一个技术难点。术难点。80广州西塔4、设计难点及解决方案根据施工时恒荷载施加的顺序，本工程各节点根据施工时恒荷载施加的顺序，本工程各节点层预应力最多分三次施加，以达到在恒荷载及层预应力最多分三次施加，以达到在恒荷载及预应力共同作用下楼板内基本无拉力的目的，预应力共同作用下楼板内基本无拉力的目的，并控制施工时各结构构件在预压力作用下保持并控制施工时各结构构件在预压力作用下保持弹性工作状态，不致产生过大的压力。弹性工作状态，不致产生过大的压力。体外预应力在此类超高层建筑的应用尚属首次，体外预应力在此类超高层建筑
50、的应用尚属首次，实际施工时尚应与专业公司进行协调与配合，实际施工时尚应与专业公司进行协调与配合，才能更好地实现设计的意图才能更好地实现设计的意图81广州西塔4、设计难点及解决方案预应力索布置图预应力索布置图82广州西塔4、设计难点及解决方案预应力索大样预应力索大样83广州西塔4、设计难点及解决方案4.5 4.5 负一层和首层核心筒外墙开洞负一层和首层核心筒外墙开洞由于建筑使用功能的要求，于核心筒外墙开了一由于建筑使用功能的要求，于核心筒外墙开了一个宽个宽1010米的电梯门洞。其在竖向荷载作用下的受米的电梯门洞。其在竖向荷载作用下的受力模式是典型的拉杆拱。在详细分析的基础上，力模式是典型的拉杆拱
51、。在详细分析的基础上，采取了以下措施：门洞周边增设型钢门架，传递采取了以下措施：门洞周边增设型钢门架，传递主压应力和主拉应力范围做了加强；此外，在门主压应力和主拉应力范围做了加强；此外，在门洞顶部拉应力区加设了有粘结预应力拉索。门洞洞顶部拉应力区加设了有粘结预应力拉索。门洞两侧的混凝土墙也适当加厚。两侧的混凝土墙也适当加厚。84广州西塔4、设计难点及解决方案85广州西塔小结广州西塔建筑造型独特，结构形式新颖。广州西塔建筑造型独特，结构形式新颖。巨型钢巨型钢管混凝土斜交网格外筒管混凝土斜交网格外筒+ +钢筋混凝土内筒构成的钢筋混凝土内筒构成的筒中筒体系是一种侧向刚度大，承载力高的新型筒中筒体系是一种侧向刚度大，承载力高的新型结构体系，外筒主要以轴力来抵抗水平荷载引起结构体系，外筒主要以轴力来抵抗水平荷载引起的倾覆力矩，适合用于超高层建筑结构。的倾覆力矩，适合用于超高层建筑结构。设计过设计过程中，华南理工大学建筑设计研究院与程中，华南理工大学建筑设计研究院与ARUPARUP设计设计公司组成的结构设计团队，通力合作，解决了相公司组成的结构设计团队，通力合作，解决了相关的技术难题，最终完成了整个结构设计工作。关的技术难题，最终完成了整个结构设计工作。86广州西塔谢谢！87广州西塔 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
