多塔與連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工.ppt

1、多塔與連體高層結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)與施工,湖南大學(xué) 沈蒲生,1,一、基本知識(shí),1、多塔結(jié)構(gòu),在一個(gè)不設(shè)永久性變形縫的底盤(pán)上，設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上塔樓的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為多塔結(jié)構(gòu)。因此，多塔結(jié)構(gòu)的組成為： 一個(gè)大底盤(pán)； 兩個(gè)或兩個(gè)以上的塔樓。,（1）多塔結(jié)構(gòu)的組成,2,紐約世界貿(mào)易中心大樓,3,薩拉熱窩多功能摩天樓,深圳國(guó)企大廈,4,迪拜風(fēng)中燭焰,（2）多塔結(jié)構(gòu)的分類(lèi) 按塔樓數(shù)量分類(lèi)： 可分為雙塔、三塔、四塔等。 其中以雙塔結(jié)構(gòu)使用最多。 按結(jié)構(gòu)布置分類(lèi)： 雙軸對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)； 單軸對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)； 不對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)。,5,6,雙軸對(duì)稱(chēng) 單軸對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng),（3）工程應(yīng)用 紐約世界貿(mào)易中心，110層，417m，雙塔。 大連

2、期貨大廈，53層，241m，雙塔。 廈門(mén)東方時(shí)代廣場(chǎng)，32層，99.9m，3塔。 杭州國(guó)際時(shí)代廣場(chǎng)，30層，156.2m，4塔。 深圳福田商城，39層，139m，5塔。 更多實(shí)例見(jiàn)表1-1。,7,（4）受力特點(diǎn) 在荷載和地震作用下，任何一部分的內(nèi)力和變形都與其它部分有關(guān)。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形取決于下列因素： 塔樓的結(jié)構(gòu)形式； 塔樓的對(duì)稱(chēng)性； 塔樓剛度與底盤(pán)剛度之比； 塔樓的間距。,8,2、連體結(jié)構(gòu),（1）連體結(jié)構(gòu)的組成, 兩個(gè)或兩個(gè)以上的塔樓； 一個(gè)或一個(gè)以上的連接體。 連體結(jié)構(gòu)可以有底盤(pán)，也可以沒(méi)有底盤(pán)。,9,吉隆坡彼得納斯大廈,10,廈門(mén)東方時(shí)代廣場(chǎng),湖南省廣播電視中心,11,中央電視臺(tái)新樓,

3、北京當(dāng)代MOMA工程,12,（2）連體結(jié)構(gòu)的分類(lèi) 按塔樓數(shù)量分類(lèi)： 可分為雙塔連體、三塔連體、四塔連體 等。其中以雙塔連體結(jié)構(gòu)使用最多。 按結(jié)構(gòu)布置分類(lèi)： 雙軸對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)； 單軸對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)； 不對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)。,13,（3）工程應(yīng)用 吉隆坡雙子塔，88層，452m，最高連體。 中央電視臺(tái)新樓，51層，234m，斜塔懸連。 北京當(dāng)代MOMA工程，21層，66m，9塔連體。 杭州市民中心大廈，26層，110m，6塔連體。 青島海爾時(shí)空飛碟，100m，主塔傾斜80度。 更多工程實(shí)例見(jiàn)表1-2。,14,（4）受力特點(diǎn) 比連體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。影響因素有： 塔樓的結(jié)構(gòu)形式； 塔樓的對(duì)稱(chēng)性； 塔樓的間距；

4、連接體的數(shù)量、剛度和位置； 連接體與塔樓的連接方式； 有底盤(pán)時(shí)，底盤(pán)層數(shù)、高度及樓面剛度； 豎向地震作用及風(fēng)荷載的影響等。,15,二、多塔高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性 及地震響應(yīng)分析,1、分析模型,16,串并聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系層模型,串并聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系層模型,17,考慮底盤(pán)變形的串 并聯(lián)剛片系層模型,分段連續(xù)化串并聯(lián)組模型,此外，還有應(yīng)用最為廣泛的三維空間動(dòng)力分析模型。,2、振動(dòng)方程 對(duì)于多自由度體系，無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程的基本形式為：,18,3、雙軸對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)： 有五種基本振型。,19,對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)的五種基本振型,在水平地震作用下，三種基本振型xL-xL、L-L、yL- 的振型參與系數(shù)為零，即對(duì)內(nèi)力和位移沒(méi)有影

5、響。 與單塔結(jié)構(gòu)的受力性能相近。 以上結(jié)論對(duì)對(duì)稱(chēng)多塔結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)性。,20,例1 與單塔結(jié)構(gòu)比較例題,21,平面圖,底盤(pán)平面長(zhǎng)115.2 m，寬57.6m。 塔樓平面軸線長(zhǎng)28.8m，寬28.8m。,22,正立面圖,總共30層，裙房5層。設(shè)防烈度為7度，阻尼比0.05，二類(lèi)場(chǎng)地土。其它條件見(jiàn)例33。,23,單塔結(jié)構(gòu)平面圖與立面圖,（1）振型比較,24,單塔結(jié)構(gòu)前12階振型,雙軸對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)前12階振型,（2）周期比較,25,（3）內(nèi)力比較,26,單塔結(jié)構(gòu)各樓層地震力,對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)各樓層地震力,27,單塔各樓層剪力,對(duì)稱(chēng)雙塔各樓層剪力,單塔各樓層彎矩,對(duì)稱(chēng)雙塔各樓層彎矩,（4）位移比較,28,單

6、塔各樓層位移,對(duì)稱(chēng)雙塔各樓層彎矩,通過(guò)上述比較可見(jiàn)，雙軸對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)的受力性能與相應(yīng)的單塔結(jié)構(gòu)相似。,例2影響因素分析例題。 （1）塔樓間距影響,29,計(jì)算了以下四種情況：,30,由表可見(jiàn)，塔樓間距對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響很小。,（2）底盤(pán)高度影響,31,對(duì)自振周期的影響,對(duì)頂層地震反應(yīng)力的影響,32,對(duì)底盤(pán)頂層地震力的影響,對(duì)底盤(pán)底層剪力的影響,33,對(duì)塔樓頂部位移的影響,對(duì)最大層間位移的影響,上述比較表明，底盤(pán)高度對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能有較大影響。,（3）底盤(pán)剛度影響,34,為了考查底盤(pán)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，在底盤(pán)中增加少量的剪力墻，結(jié)果如下表。,由表可見(jiàn)，底盤(pán)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)性能有較大影響。,4、不對(duì)稱(chēng)雙塔

7、結(jié)構(gòu) 例3 左、右塔樓高度不等時(shí)的算例。,35,立面圖,左塔逐漸由30層降至15層，右塔逐漸由0層增加至15層，每次變化一層。其它情況見(jiàn)例3-6。,36,左、右塔樓高度不同時(shí) 底盤(pán)頂層地震力的變化,左、右塔樓高度不同時(shí) 底盤(pán)底部剪力的變化,（水平坐標(biāo)表示右塔樓高度與左塔摟高度之比。）,三、連體高層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性 及地震響應(yīng)分析,1、分析模型,37,串并聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系層模型,38,串并聯(lián)剛片系層模型,39,考慮底盤(pán)和連接體變形的串并聯(lián)剛片系層模型,40,質(zhì)量集中于節(jié)點(diǎn)系模型,41,分段連續(xù)化的串聯(lián)模型,2、振動(dòng)方程 對(duì)于多自由度體系，無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程的基本形式為：,42,3、雙軸對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu) 例4與

8、單塔結(jié)構(gòu)比較算例。,43,44,（1）位移比較,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）內(nèi)力比較,46,地震作用下樓層剪力,地震作用下樓層彎矩,（3）振型比較,47,單塔結(jié)構(gòu)振型,雙軸對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)振型,（4）周期和振型方向比較,48,單塔結(jié)構(gòu)周期和振型,雙向?qū)ΨQ(chēng)雙塔連體結(jié)構(gòu)周期和振型,由上表可見(jiàn)，雙向?qū)ΨQ(chēng)雙塔連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。,3、非對(duì)稱(chēng)連體結(jié)構(gòu),49,例5 非對(duì)稱(chēng)雙塔連體結(jié)構(gòu)性能算例。,左塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，右塔樓為純框架結(jié)構(gòu)，30層，頂部采用桁架做連接體。其它條件見(jiàn)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,地震作用下樓層剪

9、力,地震作用下樓層彎矩,52,剛度對(duì)稱(chēng)雙塔振型,剛度不對(duì)稱(chēng)雙塔振型,四、連接體及其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的 影響,1、連接體的分類(lèi),53,（1）按連接體的結(jié)構(gòu)形式分類(lèi),普通桁架式連接體,空腹桁架式連接體,旋臂式連接體,吊梁、托梁式連接體,（2）按連接體與塔樓的連接方式分類(lèi) 連接體與塔樓必須具有可靠連接。,54,55,剛性連接,鉸接連接,56,滑動(dòng)連接限位裝置,57,橡膠墊支座,帶阻尼器的橡膠墊支座,（3）按連接體與塔樓的相對(duì)剛度分類(lèi) 可分為：強(qiáng)連接；弱連接。 （4）按連接體的跨度分類(lèi) 可分為：大跨度連接體；小跨度連接體。 （5）按連接體的位置分類(lèi) 可分為：高位連接；中位連接；低位連 接。,58,2、連接體

10、位置對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響,59,例6 連接體位置對(duì)結(jié)構(gòu)受理力性能影響例題。 某塔樓左塔45層，右塔30層，底盤(pán)4層。連接體按下列四種情況布置： 情況1：連接體布置在矮塔1/4處（第9、10層）； 情況2：連接體布置在矮塔1/2處（第16、17層）； 情況3：連接體布置在矮塔3/4處（第23、24層）； 情況4：連接體布置在矮塔頂部（第29、30層）。,60,前18階周期,（1）周期、振型對(duì)比,61,連接體位置對(duì)周期的影響,連接體位置對(duì)Tt/T1的影響,62,63,64,（2）位移比較,65,66,（3）內(nèi)力比較,3、連接體數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響,67,正立面圖,例7 連接體數(shù)量影響例題。 左

11、塔45層，右塔30層，裙房4層。連接體情況如下： 情況1：無(wú)連接體。 情況2：矮塔頂設(shè)一道。 情況3：矮塔頂、1/2處，共兩道。 情況4：矮塔頂、3/4、1/2處， 共三道。 情況5：矮塔頂、3/4、1/2、1/4處， 共四道。 其它條件見(jiàn)例5-17。,68,各算例前18階周期,（1）周期對(duì)比,69,X方向最大位移,Y方向最大位移,（2）位移對(duì)比,70,X方向?qū)娱g最大位移角,y方向?qū)娱g最大位移角,71,X方向樓層最大剪力,y方向樓層最大剪力,（3）內(nèi)力對(duì)比,72,樓層扭矩,塔頂扭轉(zhuǎn)角,4、連接體與塔樓連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響,73,塔樓平面,裙房平面,例8 連接體與塔樓連接方式比較例題5

12、。 對(duì)稱(chēng)雙塔結(jié)構(gòu)，28層，裙房5層，三種連接方式： （1）兩端剛接。 （2）兩端鉸接。 （3）左端鉸接，右端剛接。 其它條件見(jiàn)例5-19。,74,五、工程實(shí)例,實(shí)例1 長(zhǎng)沙市S住宅小區(qū)大底盤(pán)6塔高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核,塔樓平面布置及墻柱平面布置示意,75,1、 概述,原設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題： （1）高寬比超限，未設(shè)地下室， 基礎(chǔ)埋 設(shè)深度不符合要求，結(jié)構(gòu)在大震下 是否會(huì)發(fā)生傾覆和失穩(wěn)？ （2）按單塔結(jié)構(gòu)計(jì)算，與按多塔計(jì)算差別 有多大？ （3）只用一個(gè)軟件計(jì)算，不符合規(guī)范要求。,76,2、對(duì)原初步設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核,表1.1 塔W8-1按Midas與Satwe計(jì)算的周期對(duì)比分析,77,續(xù) 前 表,78,表1.6

13、單塔Midas與Satwe結(jié)構(gòu)總質(zhì)量對(duì)比分析,79,表1.7 單塔Midas與Satwe風(fēng)荷載下底部剪力對(duì)比分析,80,表1.8 單塔Midas與Satwe地震下底部剪力對(duì)比分析,81,表1.9 單塔Midas與Satwe頂點(diǎn)位移對(duì)比分析,82,表1.10 單塔Midas與Satwe層間位移角對(duì)比分析,83,由表1可見(jiàn)：,（1）按SATWE的計(jì)算結(jié)果與按MIDAS的計(jì)算結(jié)果相近，證明兩個(gè)程序計(jì)算的結(jié)果均可信。其中，按SATWE計(jì)算的各振型的周期比按MIDAS計(jì)算的略長(zhǎng)，變形略大，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)略晚，頂點(diǎn)位移偏小，底部剪力偏小。按MIDAS計(jì)算時(shí)，,塔樓W8-6的第2振型便為扭轉(zhuǎn)振型。,（2）塔樓

14、W8-6有33層，寬度較小，高寬比大，在風(fēng)荷載的作用下，橫向的整體剛度較弱，抗扭剛度也較弱，宜采取加強(qiáng)措施。,84,3、用MIDAS軟件按單塔與按多塔 計(jì)算結(jié)果的比較,我們采用MIDAS軟件不但進(jìn)行了各塔樓的單塔分析，而且進(jìn)行了多塔分析。按單塔與按多塔地震作用下的分析結(jié)果對(duì) 比見(jiàn)表2.2。,85,表2.2 單塔與整體地震剪力對(duì)比分析,86,表2.3 按單塔與按多塔第2層地震彎矩對(duì)比分析,87,表2.4 按單塔與按多塔地震下頂點(diǎn)位移對(duì)比分析,88,按多塔結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的整體周期結(jié)果,89,第1振型 Y向平動(dòng) 第2振型 Y向平動(dòng),第3振型 X向平動(dòng) 第4振型 扭轉(zhuǎn),90,第5振型 X向平動(dòng) 第6振型

15、X向平動(dòng),第7振型 X向平動(dòng) 第8振型 Y向平動(dòng),91,第9振型 Y向平動(dòng) 第10振型 Y向平動(dòng),第11振型 X向平動(dòng) 第12振型 X向平動(dòng),92,由表2可見(jiàn)：,（1）按整體分析的底盤(pán)底部和第2層底部的地震剪力比按單塔分析的略大。,（2）從結(jié)構(gòu)Z向扭轉(zhuǎn)因子看出整體分析第一扭轉(zhuǎn)主振型的出現(xiàn)比單塔計(jì)算時(shí)要滯后，但第1振型下塔樓W8-6的變形較大。第2振型下塔樓W8-3的變形較大。第4振型為扭轉(zhuǎn)振型， 塔樓W8-6的反應(yīng)很大。,（3）按整體分析時(shí)，塔樓W8-2沿X方向、塔樓W8-3與W8-5沿Y方向的最大層間位移角較大，宜采取措施加強(qiáng)。,93,4、關(guān)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題,本工程各塔樓的高寬比很大，需對(duì)

16、穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。高規(guī)中有關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是通過(guò)剛重比控制。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)剛重比小于1.4時(shí)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；當(dāng)剛重比為1.42.7時(shí)，要考慮二階效應(yīng)；當(dāng)剛重比大于2.7時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。原設(shè)計(jì)采用SATWE程序計(jì)算得到各塔的剛重比均在4以上，表明結(jié)構(gòu)不會(huì)喪失穩(wěn)定。我們采用MIDAS軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性如表3。由表3 可見(jiàn)，各塔樓均穩(wěn)定。,94,- W8-6#塔SHEAR WALL STRUCTURE STABILITY CHECK RESULT * Unit : m,kN * EJd : Lateral Stiffness of Structure * H : Height of Structure *

17、 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 塔樓W8-6穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,95,5、關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗傾覆問(wèn)題,本工程的基礎(chǔ)埋置深度很淺，只有1.2m1.8m，需對(duì)抗傾覆問(wèn)題進(jìn)行復(fù)核。我國(guó)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則是“小震不裂，

18、中震可修，大震不倒”。我們對(duì)各塔在大震下的抗傾覆問(wèn)題進(jìn)行了 計(jì)算。,96,各塔樓抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果,由上面的計(jì)算可見(jiàn)，塔樓W8-1A、W8-1B、W8-2和W8-6 四個(gè)塔樓在罕遇地震（即大震）下存在抗傾覆問(wèn)題，不安全，需要采取適當(dāng)措施。,97,6、關(guān)于樁的抗剪與樁頂水平變形問(wèn)題,表4 風(fēng)荷載和地震荷載作用下各塔樓樁的平均剪力 單位：kN,98,根據(jù)單樁水平靜載報(bào)告，其水平極限承載力為250kN，位移10mm對(duì)應(yīng)的荷載為190kN。據(jù)此類(lèi)推，水平剪力為38.33kN時(shí)的水平位移為2mm左右，因此，本樁在水平荷載下的承載力和水平位移均可靠。,99,7、幾點(diǎn)建議,（1）各塔樓的剛度，特別是塔樓W8-6的剛度偏弱，可通過(guò)加長(zhǎng)剪力墻或加厚剪力墻等措施加強(qiáng)。,