多塔与连体高层结构设计与施工.ppt

多塔与连体高层结构 设计与施工,湖南大学 沈蒲生,1,一、基本知识,1、多塔结构,在一个不设永久性变形缝的底盘上，设置两个或两个以上塔楼的结构，称为多塔结构。因此，多塔结构的组成为：一个大底盘；两个或两个以上的塔楼。,（1）多塔结构的组成,2,纽约世界贸易中心大楼,3,萨拉热窝多功能摩天楼,深圳国企大厦,4,迪拜风中烛焰,（2）多塔结构的分类 按塔楼数量分类：可分为双塔、三塔、四塔等。其中以双塔结构使用最多。按结构布置分类：双轴对称多塔结构；单轴对称多塔结构；不对称多塔结构。,5,6,双轴对称单轴对称不对称,（3）工程应用 纽约世界贸易中心，110层，417m，双塔。大连期货大厦，53层，241m，双塔。厦门东方时代广场，32层，99.9m，3塔。杭州国际时代广场，30层，156.2m，4塔。深圳福田商城，39层，139m，5塔。更多实例见表1-1。,7,（4）受力特点 在荷载和地震作用下，任何一部分的内力和变形都与其它部分有关。结构的内力与变形取决于下列因素：塔楼的结构形式；塔楼的对称性；塔楼刚度与底盘刚度之比；塔楼的间距。,8,2、连体结构,（1）连体结构的组成,两个或两个以上的塔楼；一个或一个以上的连接体。连体结构可以有底盘，也可以没有底盘。,9,吉隆坡彼得纳斯大厦,10,厦门东方时代广场,湖南省广播电视中心,11,中央电视台新楼,北京当代MOMA工程,12,（2）连体结构的分类 按塔楼数量分类：可分为双塔连体、三塔连体、四塔连体 等。其中以双塔连体结构使用最多。按结构布置分类：双轴对称多塔结构；单轴对称多塔结构；不对称多塔结构。,13,（3）工程应用 吉隆坡双子塔，88层，452m，最高连体。中央电视台新楼，51层，234m，斜塔悬连。北京当代MOMA工程，21层，66m，9塔连体。杭州市民中心大厦，26层，110m，6塔连体。青岛海尔时空飞碟，100m，主塔倾斜80度。更多工程实例见表1-2。,14,（4）受力特点比连体结构更加复杂。影响因素有：塔楼的结构形式；塔楼的对称性；塔楼的间距；连接体的数量、刚度和位置；连接体与塔楼的连接方式；有底盘时，底盘层数、高度及楼面刚度；竖向地震作用及风荷载的影响等。,15,二、多塔高层结构的动力特性 及地震响应分析,1、分析模型,16,串并联质点系层模型,串并联质点系层模型,17,考虑底盘变形的串并联刚片系层模型,分段连续化串并联组模型,此外，还有应用最为广泛的三维空间动力分析模型。,2、振动方程 对于多自由度体系，无阻尼自由振动方程的基本形式为：,18,3、双轴对称双塔结构特点：有五种基本振型。,19,对称双塔结构的五种基本振型,在水平地震作用下，三种基本振型xL-xL、L-L、yL-的振型参与系数为零，即对内力和位移没有影响。与单塔结构的受力性能相近。以上结论对对称多塔结构具有适应性。,20,例1 与单塔结构比较例题,21,平面图,底盘平面长115.2 m，宽57.6m。塔楼平面轴线长28.8m，宽28.8m。,22,正立面图,总共30层，裙房5层。设防烈度为7度，阻尼比0.05，二类场地土。其它条件见例33。,23,单塔结构平面图与立面图,（1）振型比较,24,单塔结构前12阶振型,双轴对称双塔结构前12阶振型,（2）周期比较,25,（3）内力比较,26,单塔结构各楼层地震力,对称双塔结构各楼层地震力,27,单塔各楼层剪力,对称双塔各楼层剪力,单塔各楼层弯矩,对称双塔各楼层弯矩,（4）位移比较,28,单塔各楼层位移,对称双塔各楼层弯矩,通过上述比较可见，双轴对称双塔结构的受力性能与相应的单塔结构相似。,例2影响因素分析例题。（1）塔楼间距影响,29,计算了以下四种情况：,30,由表可见，塔楼间距对结构受力性能影响很小。,（2）底盘高度影响,31,对自振周期的影响,对顶层地震反应力的影响,32,对底盘顶层地震力的影响,对底盘底层剪力的影响,33,对塔楼顶部位移的影响,对最大层间位移的影响,上述比较表明，底盘高度对结构受力性能有较大影响。,（3）底盘刚度影响,34,为了考查底盘刚度对结构性能的影响，在底盘中增加少量的剪力墙，结果如下表。,由表可见，底盘刚度对结构性能有较大影响。,4、不对称双塔结构例3 左、右塔楼高度不等时的算例。,35,立面图,左塔逐渐由30层降至15层，右塔逐渐由0层增加至15层，每次变化一层。其它情况见例3-6。,36,左、右塔楼高度不同时底盘顶层地震力的变化,左、右塔楼高度不同时 底盘底部剪力的变化,（水平坐标表示右塔楼高度与左塔搂高度之比。）,三、连体高层结构的动力特性 及地震响应分析,1、分析模型,37,串并联质点系层模型,38,串并联刚片系层模型,39,考虑底盘和连接体变形的串并联刚片系层模型,40,质量集中于节点系模型,41,分段连续化的串联模型,2、振动方程 对于多自由度体系，无阻尼自由振动方程的基本形式为：,42,3、双轴对称连体结构例4与单塔结构比较算例。,43,44,（1）位移比较,45,地震作用下x方向最大位移,地震作用下y方向最大位移,（2）内力比较,46,地震作用下楼层剪力,地震作用下楼层弯矩,（3）振型比较,47,单塔结构振型,双轴对称双塔结构振型,（4）周期和振型方向比较,48,单塔结构周期和振型,双向对称双塔连体结构周期和振型,由上表可见，双向对称双塔连体结构的扭转效应增大。,3、非对称连体结构,49,例5 非对称双塔连体结构性能算例。,左塔楼为框架-核心筒结构，右塔楼为纯框架结构，30层，顶部采用桁架做连接体。其它条件见例4-5。,50,地震作用下x方向最大位移,地震作用下y方向最大位移,51,地震作用下楼层剪力,地震作用下楼层弯矩,52,刚度对称双塔振型,刚度不对称双塔振型,四、连接体及其对结构性能的 影响,1、连接体的分类,53,（1）按连接体的结构形式分类,普通桁架式连接体,空腹桁架式连接体,旋臂式连接体,吊梁、托梁式连接体,（2）按连接体与塔楼的连接方式分类 连接体与塔楼必须具有可靠连接。,54,55,刚性连接,铰接连接,56,滑动连接限位装置,57,橡胶垫支座,带阻尼器的橡胶垫支座,（3）按连接体与塔楼的相对刚度分类 可分为：强连接；弱连接。（4）按连接体的跨度分类 可分为：大跨度连接体；小跨度连接体。（5）按连接体的位置分类 可分为：高位连接；中位连接；低位连 接。,58,2、连接体位置对结构受力性能的影响,59,例6 连接体位置对结构受理力性能影响例题。某塔楼左塔45层，右塔30层，底盘4层。连接体按下列四种情况布置：情况1：连接体布置在矮塔1/4处（第9、10层）；情况2：连接体布置在矮塔1/2处（第16、17层）；情况3：连接体布置在矮塔3/4处（第23、24层）；情况4：连接体布置在矮塔顶部（第29、30层）。,60,前18阶周期,（1）周期、振型对比,61,连接体位置对周期的影响,连接体位置对Tt/T1的影响,62,63,64,（2）位移比较,65,66,（3）内力比较,3、连接体数量对结构受力性能的影响,67,正立面图,例7 连接体数量影响例题。左塔45层，右塔30层，裙房4层。连接体情况如下：情况1：无连接体。情况2：矮塔顶设一道。情况3：矮塔顶、1/2处，共两道。情况4：矮塔顶、3/4、1/2处，共三道。情况5：矮塔顶、3/4、1/2、1/4处，共四道。其它条件见例5-17。,68,各算例前18阶周期,（1）周期对比,69,X方向最大位移,Y方向最大位移,（2）位移对比,70,X方向层间最大位移角,y方向层间最大位移角,71,X方向楼层最大剪力,y方向楼层最大剪力,（3）内力对比,72,楼层扭矩,塔顶扭转角,4、连接体与塔楼连接方式对结构受力性能的影响,73,塔楼平面,裙房平面,例8 连接体与塔楼连接方式比较例题5。对称双塔结构，28层，裙房5层，三种连接方式：（1）两端刚接。（2）两端铰接。（3）左端铰接，右端刚接。其它条件见例5-19。,74,五、工程实例,实例1 长沙市S住宅小区大底盘6塔高层结构设计复核,塔楼平面布置及墙柱平面布置示意,75,1、概述,原设计的主要问题：（1）高宽比超限，未设地下室，基础埋 设深度不符合要求，结构在大震下 是否会发生倾覆和失稳？（2）按单塔结构计算，与按多塔计算差别 有多大？（3）只用一个软件计算，不符合规范要求。,76,2、对原初步设计计算复核,表1.1 塔W8-1按Midas与Satwe计算的周期对比分析,77,续 前 表,78,表1.6 单塔Midas与Satwe结构总质量对比分析,79,表1.7 单塔Midas与Satwe风荷载下底部剪力对比分析,80,表1.8 单塔Midas与Satwe地震下底部剪力对比分析,81,表1.9 单塔Midas与Satwe顶点位移对比分析,82,表1.10 单塔Midas与Satwe层间位移角对比分析,83,由表1可见：,（1）按SATWE的计算结果与按MIDAS的计算结果相近，证明两个程序计算的结果均可信。其中，按SATWE计算的各振型的周期比按MIDAS计算的略长，变形略大，扭转振型出现略晚，顶点位移偏小，底部剪力偏小。按MIDAS计算时，,塔楼W8-6的第2振型便为扭转振型。,（2）塔楼W8-6有33层，宽度较小，高宽比大，在风荷载的作用下，横向的整体刚度较弱，抗扭刚度也较弱，宜采取加强措施。,84,3、用MIDAS软件按单塔与按多塔 计算结果的比较,我们采用MIDAS软件不但进行了各塔楼的单塔分析，而且进行了多塔分析。按单塔与按多塔地震作用下的分析结果对 比见表2.2。,85,表2.2 单塔与整体地震剪力对比分析,86,表2.3 按单塔与按多塔第2层地震弯矩对比分析,87,表2.4 按单塔与按多塔地震下顶点位移对比分析,88,按多塔结构计算时的整体周期结果,89,第1振型 Y向平动 第2振型 Y向平动,第3振型 X向平动 第4振型 扭转,90,第5振型 X向平动 第6振型 X向平动,第7振型 X向平动 第8振型 Y向平动,91,第9振型 Y向平动 第10振型 Y向平动,第11振型 X向平动 第12振型 X向平动,92,由表2可见：,（1）按整体分析的底盘底部和第2层底部的地震剪力比按单塔分析的略大。,（2）从结构Z向扭转因子看出整体分析第一扭转主振型的出现比单塔计算时要滞后，但第1振型下塔楼W8-6的变形较大。第2振型下塔楼W8-3的变形较大。第4振型为扭转振型，塔楼W8-6的反应很大。,（3）按整体分析时，塔楼W8-2沿X方向、塔楼W8-3与W8-5沿Y方向的最大层间位移角较大，宜采取措施加强。,93,4、关于结构的稳定性问题,本工程各塔楼的高宽比很大，需对稳定性进行复核。高规中有关结构稳定性是通过刚重比控制。对于剪力墙结构，当刚重比小于1.4时，结构失稳；当刚重比为1.42.7时，要考虑二阶效应；当刚重比大于2.7时，结构稳定。原设计采用SATWE程序计算得到各塔的刚重比均在4以上，表明结构不会丧失稳定。我们采用MIDAS软件计算的结构稳定性如表3。由表3 可见，各塔楼均稳定。,94,-W8-6#塔SHEAR WALL STRUCTURE STABILITY CHECK RESULT*Unit:m,kN*EJd:Lateral Stiffness of Structure*H:Height of Structure*SigGi:Summation of(1.2*Dead Load+1.4*Live Load)from base to roof story*P-Delta Check:if(EJd=2.7*H2*SigGi)then(Not Required)*Structure Check:if(EJd=1.4*H2*SigGi)then(Stable)-,表3 塔楼W8-6稳定计算结果,95,5、关于结构的抗倾覆问题,本工程的基础埋置深度很浅，只有1.2m1.8m，需对抗倾覆问题进行复核。我国结构抗震设计的原则是“小震不裂，中震可修，大震不倒”。我们对各塔在大震下的抗倾覆问题进行了计算。,96,各塔楼抗倾覆验算结果,由上面的计算可见，塔楼W8-1A、W8-1B、W8-2和W8-6 四个塔楼在罕遇地震（即大震）下存在抗倾覆问题，不安全，需要采取适当措施。,97,6、关于桩的抗剪与桩顶水平变形问题,表4 风荷载和地震荷载作用下各塔楼桩的平均剪力 单位：kN,98,根据单桩水平静载报告，其水平极限承载力为250kN，位移10mm对应的荷载为190kN。据此类推，水平剪力为38.33kN时的水平位移为2mm左右，因此，本桩在水平荷载下的承载力和水平位移均可靠。,99,7、几点建议,（1）各塔楼的刚度，特别是塔楼W8-6的刚度偏弱，可通过加长剪力墙或加厚剪力墙等措施加强。,（2）为加强结构的整体性，各层平面开口处的边缘均应采用刚度较大的拉梁拉结。,（3）塔楼W8-1A、W8-1B、W8-2、W8-6在罕遇地震下底部将出现拉应力，不满足抗震规范和高规有关抗倾覆的要求，需采取设地下室或设置较宽的刚性底座加锚杆等措施加强。,100,实例2 中央电视台新主楼工程66,101,CCTV主楼由塔1、塔2、裙房及基座组成，地下3层，塔1、塔2分别为51层和44层，建筑面积40万平方米。塔1、塔2均呈6 0倾斜，在37层部分用14层高的L形悬臂结构连为一体，屋面高度m，最大悬挑长度m。,102,新CCTV 主楼结构分区示意图,103,塔楼1典型结构平面图,104,外筒典型结构单元,主楼采用钢支撑筒体结构体系。整体线性计算以SAP2000为主，ANSYS为辅。还进行了施工模拟分析、整体结构防连续倒塌分析、舒适度分析等。,105,结构主要周期,最大层间位移1/58，满足规范不大于1/50的要求。,结束语,1、多塔结构和连体结构受力性能复杂，塔楼应尽可能均匀、对称布置。2、多塔结构不宜分解成多个单塔，然后按单塔结构计算。3、塔楼高度和刚度对多塔结构有较大影响，设计时应引起重视。,106,4、连接体与塔楼必须具有可靠连接，防止地震时连接体整体掉落。5、连接体的位置、数量、刚度、与塔楼连接方式等，对连体结构的受力性能有重大影响，设计时应认真考虑。,107,谢谢各位！,108,