复杂超高层结构设计创新与实践-李霆.ppt

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复杂超高层结构设计创新与实践复杂超高层结构设计创新与实践中南建筑设计院股份有限公司中南建筑设计院股份有限公司2013年年李李霆霆武汉保利文化广场武汉保利文化广场1、工程概况、工程概况uu主楼主楼4646层，大屋面标高层，大屋面标高209.9m209.9m；副楼；副楼2020层，屋面标层，屋面标高高101.0m101.0m；主副楼在；主副楼在16162020层通过钢结构连接为一个整层通过钢结构连接为一个整体，连接体跨度为体，连接体跨度为42.5m42.5m，立面呈立面呈“hh”型。

型。

uu武汉保利广场是由两栋高度武汉保利广场是由两栋高度不同的塔体组成的大跨连体不同的塔体组成的大跨连体复杂高层建筑复杂高层建筑,总建筑面积为总建筑面积为14.414.4万万mm22。

1、工程概况、工程概况二八层建筑平面图1、工程概况、工程概况九层建筑平面图1、工程概况、工程概况十十五层建筑平面图1、工程概况、工程概况十六二十层建筑平面图1、工程概况、工程概况二十九层建筑平面图建筑剖面图2、基础与地下室设计、基础与地下室设计基础平面布置图2、基础与地下室设计、基础与地下室设计2、基础与地下室设计、基础与地下室设计2、基础与地下室设计、基础与地下室设计地下室地下室地下室地下室“隔水隔水隔水隔水-排水排水排水排水”抗浮设计抗浮设计抗浮设计抗浮设计3、上部结构体系、上部结构体系uu本工程地下本工程地下44层，地上分为主楼、副楼及裙楼，主楼和副楼在层，地上分为主楼、副楼及裙楼，主楼和副楼在1188层与层与裙楼连接为一个整体。

裙楼连接为一个整体。

uu该工程建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为该工程建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为66度，设计基本地度，设计基本地震加速度为震加速度为0.05g0.05g，场地类别为，场地类别为IIII类。

类。

二二二二八层平面八层平面八层平面八层平面uu主楼、副楼均采用主楼、副楼均采用“圆钢管混凝土柱圆钢管混凝土柱+H+H型钢梁或钢桁架型钢梁或钢桁架+钢筋混凝土核心筒钢筋混凝土核心筒”混合结构体系。

混合结构体系。

上部结构上部结构上部结构上部结构九层平面九层平面九层平面九层平面3、上部结构体系、上部结构体系十层平面十层平面十层平面十层平面3、上部结构体系、上部结构体系uu两塔楼核心筒偏置一侧，为减小扭转，在主副楼南北两侧两塔楼核心筒偏置一侧，为减小扭转，在主副楼南北两侧设置密柱，加强框架梁，形成较大刚度框架，提高结构整设置密柱，加强框架梁，形成较大刚度框架，提高结构整体扭转刚度。

体扭转刚度。

副楼副楼副楼副楼主楼主楼主楼主楼十一十一十一十一十五十五十五十五层平面层平面层平面层平面3、上部结构体系、上部结构体系副楼副楼副楼副楼连接体连接体连接体连接体主楼主楼主楼主楼3、上部结构体系、上部结构体系十六十六十六十六二十一二十一二十一二十一层平面层平面层平面层平面二十二层二十二层二十二层二十二层四十六四十六四十六四十六层平面层平面层平面层平面主楼3、上部结构体系、上部结构体系结构三维模型3、上部结构体系、上部结构体系3、上部结构体系、上部结构体系3、上部结构体系、上部结构体系3、上部结构体系、上部结构体系4、大跨减震连接体设计、大跨减震连接体设计uu主楼与副楼在主楼与副楼在16162020层通过钢结构连体相连，采用刚接方式，主副层通过钢结构连体相连，采用刚接方式，主副楼之间的相互约束作用增大了结构自身的抗扭扭转。

楼之间的相互约束作用增大了结构自身的抗扭扭转。

uu连接体采用连接体采用“22榀主桁架榀主桁架+次桁架转换次桁架转换”的布置方案。

沿的布置方案。

沿42.5m42.5m跨度跨度方向的连接体外侧边设置两榀方向的连接体外侧边设置两榀主桁架主桁架，与主、副楼结构刚接。

，与主、副楼结构刚接。

4、大跨减震连接体设计、大跨减震连接体设计uu在在1515层设置与主桁架正交的层设置与主桁架正交的四榀次桁架四榀次桁架，两端与主钢桁架，两端与主钢桁架刚接；主桁架弦杆及斜撑均延伸至主、副楼尽端或与筒体刚接；主桁架弦杆及斜撑均延伸至主、副楼尽端或与筒体相连。

相连。

4、大跨减震连接体设计、大跨减震连接体设计4、大跨减震连接体设计、大跨减震连接体设计4、大跨减震连接体设计、大跨减震连接体设计5、典型节点设计、典型节点设计5、典型节点设计、典型节点设计5、典型节点设计、典型节点设计5、典型节点设计、典型节点设计城市大客厅屋盖滑动支座构造城市大客厅屋盖滑动支座构造6、单层双向索网玻璃幕墙、单层双向索网玻璃幕墙6、单层双向索网玻璃幕墙、单层双向索网玻璃幕墙主体结构抗震性能目标主体结构抗震性能目标主体结构抗震性能目标主体结构抗震性能目标7、混合减震设计、混合减震设计7、混合减震设计、混合减震设计uu两栋塔楼核心筒严重偏置，两栋塔楼核心筒严重偏置，扭转较严重扭转较严重；uu两栋塔楼高度、质量相差很大，且连接体与高塔的一端两栋塔楼高度、质量相差很大，且连接体与高塔的一端端部（而非中部）相连，属端部（而非中部）相连，属严重不对称连体高层严重不对称连体高层；uu连接体跨度大连接体跨度大，达，达42.5m42.5m，共有五层，共有五层，结构质量大结构质量大。

主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施uu主体结构的特点导致结构扭转耦连振动较复杂。

为减小及控制主体结构的特点导致结构扭转耦连振动较复杂。

为减小及控制主体结构的特点导致结构扭转耦连振动较复杂。

为减小及控制主体结构的特点导致结构扭转耦连振动较复杂。

为减小及控制主体结构的扭转，除在塔楼长向两端加密框架柱外，还设置了一主体结构的扭转，除在塔楼长向两端加密框架柱外，还设置了一主体结构的扭转，除在塔楼长向两端加密框架柱外，还设置了一主体结构的扭转，除在塔楼长向两端加密框架柱外，还设置了一批批批批非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器。

7、混合减震设计、混合减震设计主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施主体结构特点及减震措施uu阻尼器的设计参数见下表。

阻尼器的设计参数见下表。

阻尼器的设计参数见下表。

阻尼器的设计参数见下表。

阻尼器相对速度与阻尼力关系阻尼器相对速度与阻尼力关系uu通过计算得到粘滞阻尼通过计算得到粘滞阻尼器在大震下对结构的附器在大震下对结构的附加阻尼比在加阻尼比在4%4%左右。

左右。

粘滞阻尼器连接节点粘滞阻尼器连接节点7、混合减震设计、混合减震设计阻尼器布置示意图阻尼器布置示意图7、混合减震设计、混合减震设计uu通过计算分析发现，连接体主桁架的通过计算分析发现，连接体主桁架的平面内刚度平面内刚度对整体结对整体结构的动力特性有显著影响。

将主桁架中间跨作为调整段，构的动力特性有显著影响。

将主桁架中间跨作为调整段，对该段范围不设支撑或设支撑，以及采用不同刚度支撑的对该段范围不设支撑或设支撑，以及采用不同刚度支撑的情况进行弹性分析。

情况进行弹性分析。

7、混合减震设计、混合减震设计uu连接体中段不设支撑时整体扭转相对较小，而设置较强连接体中段不设支撑时整体扭转相对较小，而设置较强支撑时整体的扭转会相对较大。

故可通过减小连接体中支撑时整体的扭转会相对较大。

故可通过减小连接体中段的刚度来控制整体的扭转效应。

段的刚度来控制整体的扭转效应。

uu同时在中、大震计算分析表明下，若连体结构在中部能上下错动，同时在中、大震计算分析表明下，若连体结构在中部能上下错动，同时在中、大震计算分析表明下，若连体结构在中部能上下错动，同时在中、大震计算分析表明下，若连体结构在中部能上下错动，将显著减小主体结构的扭转。

将显著减小主体结构的扭转。

将显著减小主体结构的扭转。

将显著减小主体结构的扭转。

7、混合减震设计、混合减震设计uu为实现上述目的，连接体主桁架中间跨腹杆采用为实现上述目的，连接体主桁架中间跨腹杆采用为实现上述目的，连接体主桁架中间跨腹杆采用为实现上述目的，连接体主桁架中间跨腹杆采用屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑（BRBBRBBRBBRB），BRBBRBBRBBRB在正常使用及小震下不屈服，以保证正常使用阶段的在正常使用及小震下不屈服，以保证正常使用阶段的在正常使用及小震下不屈服，以保证正常使用阶段的在正常使用及小震下不屈服，以保证正常使用阶段的结构刚度，在中、大震作用下，结构刚度，在中、大震作用下，结构刚度，在中、大震作用下，结构刚度，在中、大震作用下，BRBBRBBRBBRB屈服耗能，连接体在中部可上下屈服耗能，连接体在中部可上下屈服耗能，连接体在中部可上下屈服耗能，连接体在中部可上下错动，以减小主体结构扭转，并耗能保护连体构件。

错动，以减小主体结构扭转，并耗能保护连体构件。

错动，以减小主体结构扭转，并耗能保护连体构件。

错动，以减小主体结构扭转，并耗能保护连体构件。

uuBRBBRBBRBBRB设计参数及布置位置。

设计参数及布置位置。

设计参数及布置位置。

设计参数及布置位置。

7、混合减震设计、混合减震设计屈曲约束支撑连接节点屈曲约束支撑连接节点7、混合减震设计、混合减震设计屈曲约束支撑布置示意图屈曲约束支撑布置示意图7、混合减震设计、混合减震设计7、混合减震设计、混合减震设计uu某屈曲约束支撑杆件和与其相邻的柱以及连体桁架某根斜某屈曲约束支撑杆件和与其相邻的柱以及连体桁架某根斜撑的耗能滞回曲线对比如下图所示，撑的耗能滞回曲线对比如下图所示，BRBBRB的耗能能力远远的耗能能力远远高于其他构件。

高于其他构件。

屈曲约束支撑与其他杆件耗能对比屈曲约束支撑与其他杆件耗能对比uu非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器（速度相关型阻尼器）与（速度相关型阻尼器）与（速度相关型阻尼器）与（速度相关型阻尼器）与屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑屈曲约束支撑BRBBRBBRBBRB（位移相关性阻尼器）混合应用，形成（位移相关性阻尼器）混合应用，形成（位移相关性阻尼器）混合应用，形成（位移相关性阻尼器）混合应用，形成混合减震体系混合减震体系混合减震体系混合减震体系，以实现减，以实现减，以实现减，以实现减小及控制主体结构在中、大震作用下扭转的目的。

小及控制主体结构在中、大震作用下扭转的目的。

小及控制主体结构在中、大震作用下扭转的目的。

小及控制主体结构在中、大震作用下扭转的目的。

7、混合减震设计、混合减震设计混合减震体系的构成混合减震体系的构成混合减震体系的构成混合减震体系的构成整体结构计算分析结果整体结构计算分析结果整体结构计算分析结果整体结构计算分析结果uu采用采用ANSYSANSYS进行进行动力弹塑性分析动力弹塑性分析，对，对加阻尼器加阻尼器和和不加阻尼器不加阻尼器的结构进行了对比，以了解阻尼器对结构减震效果。

在罕遇的结构进行了对比，以了解阻尼器对结构减震效果。

在罕遇地震激励下的对比如下图表所示。

地震激励下的对比如下图表所示。

7、混合减震设计、混合减震设计uu设置阻尼器之后设置阻尼器之后结构的地震反应明显降低，其中，加阻尼器后结构结构的地震反应明显降低，其中，加阻尼器后结构YY方向最方向最大加速度反应降低了大加速度反应降低了36.4%36.4%；结构最大位移减小了；结构最大位移减小了11.9%11.9%；层间位移角减小；层间位移角减小了约了约10%10%。

各层位移包络图各层位移包络图层间位移角包络图层间位移角包络图7、混合减震设计、混合减震设计重点部位结构计算分析结果重点部位结构计算分析结果重点部位结构计算分析结果重点部位结构计算分析结果uu对于对于连体桁架钢结构连体桁架钢结构，进行了设置，进行了设置BRBBRB和不设置和不设置BRBBRB的对比分析。

的对比分析。

不设置不设置BRBBRB时，两榀钢结构主桁架有少部分杆件发生屈服，其余时，两榀钢结构主桁架有少部分杆件发生屈服，其余大部分杆件尚处于弹性。

大部分杆件尚处于弹性。

uu在连接体中部设置在连接体中部设置BRBBRB后，后，BRBBRB首先发生屈服，进入塑性状态，其首先发生屈服，进入塑性状态，其附近的杆件应力有一定的降低。

附近的杆件应力有一定的降低。

7、混合减震设计、混合减震设计连体主桁架典型时刻应力云图连体主桁架典型时刻应力云图结构模型振动台试验结构模型振动台试验结构模型振动台试验结构模型振动台试验uu本次模型试验的模拟重点在保证结构刚度相似，并兼顾强度本次模型试验的模拟重点在保证结构刚度相似，并兼顾强度相似。

考虑振动台的承载能力、结构重量等因素，确定模型相似。

考虑振动台的承载能力、结构重量等因素，确定模型与原型的相似关系见下表。

与原型的相似关系见下表。

uu原结构设计的阻尼器在单层间布置，但由于阻尼器最小原结构设计的阻尼器在单层间布置，但由于阻尼器最小加工尺寸的限制，无法在缩尺模型的单层间安装阻尼器，加工尺寸的限制，无法在缩尺模型的单层间安装阻尼器，因此采取了跨层布置的方法。

保证阻尼的相似比关系。

因此采取了跨层布置的方法。

保证阻尼的相似比关系。

7、混合减震设计、混合减震设计uu试验按照小震、中震、大震的顺序加载。

输入的地震波同弹塑试验按照小震、中震、大震的顺序加载。

输入的地震波同弹塑性动力分析用地震波，分别进行性动力分析用地震波，分别进行XX向、向、YY向的单向输入，再进行向的单向输入，再进行X+YX+Y双向输入。

每个工况又分为安装阻尼器（有控）和不安装阻双向输入。

每个工况又分为安装阻尼器（有控）和不安装阻尼器（无控）两种情况。

尼器（无控）两种情况。

阻尼器布置侧立面示意图阻尼器布置侧立面示意图制作完成后的型试验模制作完成后的型试验模7、混合减震设计、混合减震设计结构模型振动台试验结构模型振动台试验结构模型振动台试验结构模型振动台试验uu在小震和中震下，结构未发现开裂破坏现象，可认为结构在小震和中震下，结构未发现开裂破坏现象，可认为结构仍处于弹性状态。

在大震后出现裂缝，主要出现在主楼筒仍处于弹性状态。

在大震后出现裂缝，主要出现在主楼筒体连梁端部，层数集中在体连梁端部，层数集中在25253939层之间，可见上部结构比较层之间，可见上部结构比较薄弱薄弱,但整体结构仍保持良好的整体性。

但整体结构仍保持良好的整体性。

uu较之不安装阻尼器，安装阻尼器后结构柱应变减小较之不安装阻尼器，安装阻尼器后结构柱应变减小10.6%10.6%13.6%13.6%，底部剪力墙应变减小，底部剪力墙应变减小14.6%14.6%16.8%16.8%，主楼水平，主楼水平位移最大值减小位移最大值减小11.3%11.3%，副楼水平位移最大值减小，副楼水平位移最大值减小8%8%。

7、混合减震设计、混合减震设计8、楼板应力分析、楼板应力分析9、结论、结论uu本工程塔楼核心筒严重偏置，刚心与质心偏差较大；两栋塔楼本工程塔楼核心筒严重偏置，刚心与质心偏差较大；两栋塔楼高度与质量差异较大等特点导致结构振动非常复杂，扭转振动高度与质量差异较大等特点导致结构振动非常复杂，扭转振动较大。

为此本工程选用了延性较好的圆钢管混凝土柱，并在长较大。

为此本工程选用了延性较好的圆钢管混凝土柱，并在长向两端加密柱距以减小扭转；同时设置了向两端加密柱距以减小扭转；同时设置了非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器和和屈曲约束支撑（屈曲约束支撑（BRBBRB），通过，通过混合减震混合减震控制结构扭转振动。

控制结构扭转振动。

uu在连体主桁架中部斜腹杆采用在连体主桁架中部斜腹杆采用屈曲约束支撑（屈曲约束支撑（BRBBRB）可以既可可以既可保证正常使用下的刚度，便于整体提升，又可使在中、大震保证正常使用下的刚度，便于整体提升，又可使在中、大震下连体中部上、下错动耗能，减小主体结构的扭转，并保护下连体中部上、下错动耗能，减小主体结构的扭转，并保护连接体其他构件，起到连接体其他构件，起到“保险丝保险丝”的作用。

的作用。

9、结论、结论uu动力弹塑性时程分析结果及振动台模型对比试验表明，动力弹塑性时程分析结果及振动台模型对比试验表明，混合混合减震减震可以发挥其耗能减震作用，在降低结构位移、改善构件可以发挥其耗能减震作用，在降低结构位移、改善构件受力状况、提高结构整体抗震性能以及降低非结构构件的地受力状况、提高结构整体抗震性能以及降低非结构构件的地震反应等方面都可发挥有效作用，减震效果明显。

震反应等方面都可发挥有效作用，减震效果明显。

合肥滨湖时代广场合肥滨湖时代广场56工程概况工程概况1.1.结结构构设设计计57办公楼层建筑及结构布置图办公楼层建筑及结构布置图1.1.结结构构设设计计58酒店层建筑及结构布置图酒店层建筑及结构布置图1.1.结结构构设设计计59空中花园层建筑及结构布置图空中花园层建筑及结构布置图1.1.结结构构设设计计60上部结构的解决方案上部结构的解决方案1.1.结结构构设设计计611.1.结结构构设设计计62采用一般框架核心筒，下部有较多楼层扭转位移比超过1.4。

采用巨型框架+框架-核心筒后，结构的各层扭转位移比均满足规范要求。

采用巨型框架+框架-核心筒后，结构未出现两肢的局部振型。

1.1.结结构构设设计计631.1.结结构构设设计计641.1.结结构构设设计计楼面梁支承于楼面梁支承于“连梁连梁”设计设计651.1.结结构构设设计计地震作用及参数选用地震作用及参数选用661.1.结结构构设设计计地震波选用及时程分析地震波选用及时程分析671.1.结结构构设设计计2层中风化砂质泥岩：

fa=800kPa，压缩性微小。

1层强风化砂质泥岩：

fak=380kPa，Es=20.0MPa；层粉土夹粉质粘土：

fak=300kPa，Es=15.0MPa；土层分布土层分布681.1.结结构构设设计计C1栋桩基布置栋桩基布置桩长41米，最大桩身直径3.7米，最大扩底直径5.3米。

69结构超限内容结构超限内容1.1.结结构构设设计计70结构抗震性能目标结构抗震性能目标2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析性能目标性能目标71有效质量系数及基底地震作用效应有效质量系数及基底地震作用效应2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析72周期与振型周期与振型2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析73结构扭转位移比结构扭转位移比2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析74框架及剪力墙的剪力分担百分比框架及剪力墙的剪力分担百分比2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析75层间位移角比较层间位移角比较2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析76剪重比统计剪重比统计2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析静力弹性分析静力弹性分析77层剪力比较层剪力比较2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析弹性时程分析弹性时程分析78层间位移角比较层间位移角比较2.2.抗震性能化分析抗震性能化分析弹性时程分析弹性时程分析79楼梯性能目标楼梯性能目标2.抗震性能化分析抗震性能化分析等效弹性分析（中等效弹性分析（中/大震不屈服设计）大震不屈服设计）80中震作用下受拉墙肢验算中震作用下受拉墙肢验算2.抗震性能化分析抗震性能化分析等效弹性分析（中等效弹性分析（中/大震不屈服设计）大震不屈服设计）81大震作用下墙肢截面验算大震作用下墙肢截面验算2.抗震性能化分析抗震性能化分析等效弹性分析（中等效弹性分析（中/大震不屈服设计）大震不屈服设计）82整体结构计算结果整体结构计算结果层剪力层剪力2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析83整体结构计算结果整体结构计算结果层间位移角层间位移角2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析84整体结构计算结果整体结构计算结果基底剪力时程基底剪力时程2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析85整体结构计算结果整体结构计算结果顶层位移时程顶层位移时程2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析86整体结构计算结果整体结构计算结果2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析87整体结构计算结果（整体结构计算结果（RGB4）2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析88整体结构计算结果整体结构计算结果2.抗震性能化分析抗震性能化分析大震弹塑性时程分析大震弹塑性时程分析89楼板舒适度验算楼板舒适度验算3.3.楼板分析楼板分析楼板竖向振动频率以及加速度满足规范要求，满足舒适度要求。

904.4.典型节点设计典型节点设计立面斜撑与柱连接节点受力较大，通过设置双竖向节点板将斜撑与柱相连，上下斜撑的水平分力通过竖向节点板直接平衡，同向的竖向分力通过节点板传至钢管柱。

立面斜撑与框架柱连接节点立面斜撑与框架柱连接节点91谢谢谢！

谢！

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