广州塔结构设计.pdf
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书书书20120427000301周定第42卷第6期2012年6月建筑结构BuildingStructureVol42No6Jun2012编者按广州市设计院(简称GZDI)组建于1952年,是国内成立最早的甲级勘察设计单位之一。
GZDI自成立以来一直注重建筑工程精品的设计和技术的创新。
建院60年来,经过几代人的开拓创新、励精图治,在建筑结构设计及科研方面取得了突出的成绩。
被评为“十五”全国建筑业技术创新先进企业,广东省自主创新标杆企业,已有五百多项(次)工程勘察设计获国家、部、省、市级的奖励,其中国家级奖近四十项(次),部、省级奖近二百多项(次),市级奖二百多项(次)。
建院60年来,GZDI完成了大量的具有时代意义的建筑,如20世纪50年代有广东科学馆、原广州体育馆;60年代有广东迎宾馆、友谊剧院、广州宾馆;70年代有广州出口商品交易会、广州火车站;80年代有白天鹅宾馆、中国大酒店、天河体育中心、深圳博物馆;90年代有广东电视中心、广州海洋馆、广东美术馆、天河城广场等;进入21世纪,GZDI以丰富的实践经验积累,先后完成了大批城市建设的标志性建筑设计,如广州体育馆、广州塔、珠江城、广州保利国际广场、广州大学城、正佳广场、中山大学附属第一医院门急诊大楼及手术大楼、广州殡仪馆、广汽丰田汽车工厂、广州地铁的部分车站、广州新图书馆、广州太古汇、珠海长隆海洋王国等。
为庆祝广州市设计院成立60周年,GZDI结构设计人员结合近年的工程经验及结构设计领域取得的新进展汇集出版本专栏,以供广大读者参考及借鉴。
广州塔结构设计周定,韩建强,杨汉伦,熊伟,余永辉,王伟明,罗沁(广州市设计院,广州510620)摘要广州塔由一座高达454m的主塔体和一个高146m的天线桅杆构成,总高度600m,为高耸结构。
外筒由24根钢管混凝土斜柱、环杆、斜撑组成,内筒为椭圆型钢混凝土结构。
介绍了该塔形体特点,技术难题,超出规范的设计依据,外筒、内筒、天线桅杆、楼面、钢结构防腐等主要设计内容及研究、试验情况。
关键词广州塔;钢管混凝土柱;斜撑;环杆;内筒;天线桅杆中图分类号:
TU398.7文献标识码:
A文章编号:
1002-848X(2012)06-0001-12StructuraldesignofGuangzhouTowerZhouDing,HanJianqiang,YangHanlun,XiongWei,YuYonghui,WangWeiming,LuoQin(GuangzhouDesignInstitute,Guangzhou510620,China)Abstract:
GuangzhouTowerwithtotalheightof600misahigh-risestructurewhichconsistsofamaintowerwith454mhighandamastwith146mhighTheoutertubeiscomposedby24obliquecolumnsthataremadeofconcretefilledsteeltubes,skirtingbarandinclinedstrutTheinnertubeisanovalsteelreinforcedconcretestructureThephysicalcharacteristics,technicalproblems,designbasisbeyondthespecificationsaswellasthekeydesigncontent,researchandtestingsituationofoutertube,innertube,mast,floorandsteelcorrosionweredescribedKeywords:
GuangzhouTower;concretefilledsteelcolumn;inclinedstrut;skirtingbar;innertube;mast作者简介:
周定,教授级高级工程师,一级注册结构工程师,Email:
zhoudinggzdicom。
1工程简介广州塔的方案是英国ARUP顾问公司和荷兰IBA事务所在国际方案竞赛的中标方案。
ARUP顾问公司完成广州塔的方案设计,初步设计由ARUP顾问公司和广州市设计院联合体完成,施工图设计由广州市设计院完成。
广州塔由一座高达454m的主塔体和一个高146m的天线桅杆构成,总高度600m,作为广州市的标志性建筑屹立在中轴线的珠江南岸,是国内最高、也是目前世界已建成的最高的塔桅建筑(图1)。
广州塔塔体由底至上分为5个功能段和4个透空区,共39个楼层,层高5.2m;地下2层,层高为5m,底板面标高10.0m。
地上主要功能为观光、餐厅、电影厅、休闲娱乐区等。
总建筑面积102000m2,平台层以下面积64000m2,主塔面积38000m2。
工程设计从2005年1月开始,至2006年8月完成。
2008年8月31日主塔核心筒封顶,2008年12月28日钢结构外筒封顶,2009年6月完成天线桅杆提升,2009年12月进行了主体结构的验收。
2010年11月广州塔在亚运会时投入使用,它以广州第一地标的形象展现在全国和世界人民面前,得到高度评价。
2结构体形特点广州塔为高耸结构,采用筒中筒体系。
结构体20120427000301周定建筑结构2012年图1建筑效果图形具有以下特点。
2.1椭圆旋转体广州塔塔体体形为一个椭圆旋转体,底层平面、顶层平面与内筒的关系见图2。
外筒由24根钢管混凝土斜柱+46道圆环+46圈斜撑组成。
外筒柱形成的平面呈椭圆形,由10m处的椭圆和450m处的椭圆旋转45围合自然生成。
从底层平面到顶层平面,椭圆长短轴顺时针转45,圆心同时沿X轴向西平移7.07m、沿Y轴向北平移7.07m。
1号柱从柱底定位到柱顶定位,顺时针转了135(图2)。
图2定位图2.2“细腰”型10m标高外筒椭圆为80m60m,450m标高外筒椭圆为54m40.5m,在塔身2/3高度处结构密集,收紧腰部,位于278.8m处腰部最小,为20.65m27.5m,塔底到顶高宽比为7.5,腰部以上高宽比为7.3,形成两端大、中间小的“细腰”型。
2.3内外筒椭圆偏心布置内筒平面为椭圆形,墙内尺寸长轴17m,短轴14m,定位沿高度不变。
内筒与外筒形心偏心布置,由于外筒沿塔高圆心沿45偏移,因此形成从底到顶层层不同的偏心。
2.4无楼层的“透空区”广州塔一个重要的特点是从底到顶存在4个无楼层的“透空区”,“透空区”是高耸结构的一个典型特点。
第1透空区标高32.884.8m,高52m;第2透空区标高116.0147.2m,高31.2m;第3透空区标高168.0334.4m,高166.4m;第4透空区标高355.2376.0m,高22.8m。
2.5外筒节点错位相交、区域变化大广州塔外筒为网状结构,在外筒节点,斜柱、斜撑和环杆节点中心并不相交于一点,只有斜柱和斜撑中心相交,而环杆与从斜柱伸出的水平牛腿连接。
水平牛腿长度约1200mm,环杆中心根据建筑定位,斜柱、斜撑中心偏心约700mm+斜柱半径(图3)。
广州塔外形两端大、中间小,也使得节点区域变化大:
沿柱母线最小高度3m,最大高度7.9m;斜撑长度最短7.9m,最长16.87m;斜撑与柱上交角度最大48,最小16;斜撑与柱下交角度最大46.53,最小16.5。
2.6楼盖与外筒不连接广州塔另一个特点是,除地下室和平台层(7.0m)楼盖楼层板与外筒构件相连外,其他楼盖楼层板不与外筒连接,如图4所示。
楼层的轮廓线在外筒柱、环杆内,之间间隙尺寸根据建筑图确定,最宽尺寸在椭圆长轴上,最短尺寸在椭圆短轴上。
只有钢梁伸出楼板与外筒斜柱连接,外伸梁段的水平刚度与楼板刚度相差很远,成为内外筒之间连接的薄弱部位。
图3外筒节点图3设计与技术难题广州塔作为世界第一高塔,建筑体型独特、平面功能复杂、结构体系特殊,与世界同类高塔相比独一无二;高度超高,部分设计依据超出规范范围(如风荷载取值),钢结构外筒腰部纤细、透空节段、节点错位、构造复杂;除此以外,桅杆与主塔的连接、内外筒连接的薄弱部位、外筒柱透空区的稳定、温度效应特殊性等等,均给结构设计提出了新的课题和挑战。
进行了多个课题研究,采用了设计与科研、分析与试验验证相结合的方法,重点解决了以下技术难题。
3.1超规范的设计依据和控制指标通过风洞试验、结构试验、专家论证等方式,确220120427000301周定第42卷第6期周定,等广州塔结构设计图4楼面布置图定广州塔按高耸结构进行设计,明确超出设计规范的风荷载和地震作用,以及在风荷载下的顶点位移、层间位移、舒适度等重要控制指标。
3.2外框筒刚性节点设计针对由斜柱、环杆、斜撑、牛腿组成的外框筒上新颖、独特的节点形式,通过整体分析、节点有限元分析,确定采用刚性节点形式,提出便于加工制作的节点构造方式,并通过试验验证。
3.3楼面外伸梁段与外筒连接为使外伸梁与外筒斜柱的连接实现真正铰接,释放楼面梁的面外、面内弯矩,放松转角位移,满足模型假设,外伸梁端与外筒斜柱的连接采用空间万向铰节点,并通过试验验证节点的安全性、可靠性。
3.4天线桅杆与塔体连接天线桅杆与塔体的连接经过与桁架转换连接比较,提出采用承接式连接,由天线桅杆格构段8根钢管柱与内筒14根钢骨直接相贯连接,内筒顶部采用钢板剪力墙,减少了用钢量和施工难度,同时满足建筑功能要求。
3.5外筒透空层稳定研究和设计分析针对底部52m、腰部166m的高大透空区,采用稳定理论分析与试验相结合来确定钢管混凝土柱的计算长度,进行强度设计和稳定验算,同时进行了底部群柱试验及腰部节段试验,验证了局部结构的安全性。
3.6消防抗火和防火设计通过消防安全性评估,合理确定电视塔各构件的防火措施和耐火时间。
外筒的钢管混凝土柱、斜撑、环杆采用抗火设计,楼层梁外伸段采取防火焰措施,解决外筒处于室外露天采用防火涂料耐久性差和脱落危险、修补困难的问题。
3.7桅杆实腹段新材料桅杆实腹段位于高度540.5600m,高59.5m,桅杆截面由下至上分别为正方形2500mm2500mm、正八角形(内切圆直径1500mm)、正八角形(内切圆直径1200mm)、正方形750mm750mm四段,仅在里面布置爬梯。
实腹段采用了专为本工程研制的Q415NH焊接耐候钢,满足了强度要求,解决了日后防腐维修困难的问题。
4结构主要设计参数4.1结构安全等级设计使用年限100年,建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为11,地基基础设计等级为甲级,防火等级为一级。
4.2荷载与作用4.2.1风荷载广州塔塔体高度454m,超过了规范的风荷载取值适用高度,同时体形特殊,因此进行了一系列的风工程研究,包括:
广州塔位置的工程气象分析、模拟计算;地形地貌风洞试验、整体模型测压试验;片段模型测压试验;片段刚体模型测力试验及随机风振相应分析;全塔气弹模型试验;行人区风环境试验。
经过专家论证和程序审查,根据广东省气候与农业气象中心报告数据及2005年8月26日专家论证会上的专家组决议,广州塔按100年重现期的基本风压为0.55kN/m2,风压高度变化系数按照建筑结构荷载规范(GB500092001)的C类地面粗糙度取值。
4.2.2地震作用广州塔场地类别为类,根据广播电影
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