信合大厦高层钢结构设计

陈伟军

（广州规划院钢结构设计研究所广州 510060）

摘要：本文介绍了广州信合大厦高层钢结构设计，包括结构体系的选择，计算结果的分析及材料和构造要求。

关键词：高层钢结构钢支撑箱形钢柱 H形钢梁压型钢板

工程概况

“信合大厦”位于广州市珠江新城新城市中轴线的西侧，珠江的北岸，东面是拟建的广州歌剧院，东南面是海心沙，西南面是二沙岛，是一个集银行、办公和培训为一体的综合性超高层大厦。该大厦建筑平面呈方形，地下室4层，地上部分31层，主体高120m，包括装饰杆总高172m，总建筑面积约56000m2。该大厦造型新颖，钢结构与清玻璃的配合极富现代气息。

结构体系

1、主体结构

主体结构平面呈“L”形，由互成直角的北翼和西翼组成。l/b=1.78>1.5，属于平面不规则结构，必须采取措施控制结构的扭转。本工程对主体结构概念设计的思路是：在中心部位设置主核心筒，为主体结构提供主抗侧力；在“L”形两翼端部分别设副核心筒和密框钢柱，加强端部的刚度，有效地控制两翼的摆动；另外，在副核心筒主剪力墙平面内分别于14层避难层和顶部28层设置钢腰桁架和钢帽桁架，进一步把端部的位移控制到最小的程度，详见右图。通过理论计算分析和试验证明，这些措施收到了非常显著的效果。

2、观光塔

观光塔布置于⑥～⑦× A ～ B ，为-8m×8m的方形平面。从首层到28层有102米的悬空段。结构上采用16根钢柱，通过钢梁和水平、竖向支撑连结在一起，形成一相当于高宽比为12:1的巨形格构柱，支撑着顶层的观光平台，保证该巨形格构柱具有足够的刚度和稳定性是关键所在。本工程对观光塔概念设计的思路是：设置砼刚性底座；提高中间段钢支撑的刚度；优化顶部约束，详见图。

3、连廊

连廊设于28层+100.80米标高处，宽8米，高5.5米，跨度24米，采用巨型空间钢桁架。本工程连廊部分概念设计的思路是：保证连廊自身具有足够的抗弯和抗扭刚度；使用恰当的节点连接措施，使在水平荷载作用下连廊的杆件和节点不致遭受破坏。

整体分析比较

本工程设计中对主体、观光塔、连廊三大部分组合成的整体进行分析比较，结果如下：

1、连廊与观光塔采用滚动支座

这种情况下主体结构与观光塔的水平位移是独立自由的，观光塔仅承受连廊传来的部分竖向荷载。主体结构的顶点位移约为1/1500，而观光塔的顶点位移约为1/600，位移差为120mm。该位移差将给使用带来不便，但结构是安全的。

2、连廊与观光塔采用消能支座

这种情况下主体结构与观光塔的水平位移通过弹性协调。观光塔不仅承受连廊传来的部分竖向荷载，还受到一定程度的转动约束。主体结构的顶点位移约为1/1300，而观光塔的顶点位移约为1/950，位移差减小为35mm。显示结构安全并很好地控制了位移差。

3、连廊与观光塔采用刚性支座

这种情况下主体结构与观光塔在顶部位移完全协调。观光塔顶部受到很强的约束，位移曲线反弯点下移。观光塔的稳定性最好。在多遇地震下，连廊的构件和节点均处于弹性工作状态。但实验表明，在中、大震作用下，连廊的构件和节点出现较大的应力应变，甚至出现较严重的破坏。这与中外地震灾害调查结果相吻合。

结构分析

信合大厦结构分析采用如下三个结构软件进行分析和较核：（1）SATWE；（2）SAP84；(3)SAP2000（非线性版）。

主要构件截面尺寸：主要剪力墙厚度为500，其余剪力墙厚300，250。主楼钢柱为口600×600×40、口600×600×30、口600×600×20，钢梁为H 600×250×14×20、H 600×250×12×18、H 450×200×10×16。观光塔外围钢柱口600×600×30，内部钢柱口400×400×20，斜撑为H250×250×贺州水污染10×18。

SATWE是中国建筑科学研究院开发的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件。该软件采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，可以较好地模拟工程中的实际受力状态。

本结构分析采取多塔上连接形式，楼板选用弹性楼板，计算结果如下:

结构自振周期

lt36

振型	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9	T10
周期(s)	2.61	2.30	2.18	2.17	1.39	0.99	0.75	0.65	0.59	0.57
振型	T11	T12	T13	T14	T15	T16	T17	铁路技术管理规程T18	T19	T20
周期(s)	0.54	0.52	0.39	0.38	0.37	0.33	0.31	0.29	0.27	0.26
振型	T21	T22	T23	T24	T25	T26	T27	T28	T29	T30
周期(s)	0.25	0.23	0.20	0.20	0.19	0.18	0.17	0.14	0.14	0.12

地震基底剪力Q0及地震弯矩M0

房地产运营管理单元音

方向名称	总重W(kN)	Q0（kN）	M0(kN·m)	Q0/W
X	510430	7146	401152	0.014
Y	510430	6981	442047	0.013

结构水平位移

位移作用		地震荷载	规范限值	风荷载	规范限值
主楼	最大层间Δu/h	1/2537	1/800	1/1039	1/900
主楼	最大顶点U/H	1/2874	1/850	1/1296	1/950
观光塔	最大层间Δu/h	1/2600	1/800	1/903	1/900
观光塔	最大顶点U/H	1/2874	1/850	1/1296	1/950

时程分析选取2条实际场地人工波和II类场地土上有代表性的TAF-2波和LAN1-2波。第一阶段抗震设计取地震加速度峰值35gal，阻尼比0.035，结果如图所示：

振动台试验

广州大学工程结构抗震研究中心为信合大厦做了模拟地震振动台试验。模型用微粒混凝土制作筒体剪力墙和楼板，用薄钢板制作钢框架。模型根据原型结构按相似律进行设计，比例为：1:25。连廊采用消能连接和固定连接两种模式进行比较，试验的目的是：①研究信合大厦结构方案的总体抗震性能；②对比连廊采用消能连接和固定连接在地震中的差异；③优化总体设计，达到经
济合理的要求。
试验结论：①信合大厦结构设计合理，具有抵抗罕遇地震的能力，大震下最大层间位移角不超过1/300（计算值则更小），满足规范大震不倒的要求；②观光塔刚度理想具有抵抗罕遇地震的能力；③连廊采取消能措施后，与固接相比，主楼和观光塔连接处的应力应变明显减少，改善了结构的受力状况，这与国内外的震害调查结果和理论计算分析结论是一致的；④主结构在刚度突变处（楼板开洞层）出现应力集中，在大震下有明显的裂缝。

材料与构造

材料：钢材Q345B低合金钢，所有钢材必须满足屈服点、抗控强度、伸长率、冲击试验和冷弯试验五项基本保证。其中强屈比不应小于 1.2，且应有明显的屈服台阶；伸长率应大于20%。特别对于焊接箱形钢柱使用的厚度40mm的板材，要求硫及磷两种化学成分的含量：S≤0.035%,P≤0.03%；以及Z向断面收缩率不得小于Z15级。焊接材料采用低合金钢焊条E50系列。工厂制作时，自动埋弧焊和熔嘴电渣焊所选焊材均要求与母材匹配。高强螺栓采用钢号为20MnTiB钢的10.9级扭剪型高强螺栓。

钢骨剪力墙：在剪力墙的暗柱位及主框架连接处设置钢骨，钢骨选用H型钢，外围配构造钢筋，其优点是：①加大剪力墙的延性，减小刚度退化的影响；②酵母表达方便与主框架的连接；③减小由于钢与砼压缩模量的差异及砼收缩、徐变带来的竖向变形的影响；④方便框架先行的施工措施。

钢柱脚：采用埋入式钢柱脚，埋入深度3h，外围焊抗剪栓钉，内埋砼，埋不部分顶部设中心开洞的横隔板。

钢框架节点：钢框架节点采用现今世界流行的栓焊结合钢节点：上、下翼缘板焊接抵抗弯矩，高强螺栓连接抵抗剪力。吸收美国诺斯里奇（Northridge）地震和日本阪神(Hyogoken-Nanbu)地震的经验教训，采取如下优化措施：①加强衬板处焊接质量，消除“人工缝”；②用狗骨式翼缘板及翼缘板钻孔法使塑性铰外移。另外，节点的焊接要求采用全熔透焊，并应100%进行超声波探伤检测；厚度40mm以上的钢材焊接前应进行预热。

经济指标

钢结构用钢量：89kg/m2（与上海同类钢结构用钢量相当）。上部结构自重：1.08t/m2 (相当于相应钢筋砼结构自重的70％)。

参考文献
1、蔡益燕等，高层民用建筑钢结构技术规程。北京1998、

2、陈富生等，高层建筑钢结构设计。北京2000、

3、沈祖炎等，海峡两岸及香港钢结构技术研讨会暨2000年上海钢结构技术交流会论文集。上海同济大学 2000

4、蔡益燕，张锡云，北岭地震和阪神地震后美日钢框架节点设计的改进。上海2000

本文发布于:2024-09-20 23:28:58，感谢您对本站的认可！

本文链接：https://www.17tex.com/xueshu/466700.html

上一篇：钢结构考察报告

下一篇：火电厂烟气脱硝的钢结构支架设计技术