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强化抗风及抗震式标志塔结构设计

2019/07/19 阅读:

摘要:以某海洋王国的标志塔为例子,提出一种具有结构刚度大、抗风及抗震能力强特点的高层标志塔结构体系,并且建立模型,验算结构体系的合理性。结果表明该结构变形和强度均满足要求,各项计算指标良好,有效地解决现有的高层标志塔结构存在结构刚度低、耐地震能力差等问题,为同类型工程提供参考。

关键词:切片层结构;构筑物;钢筋混凝土结构;高层标志塔

引言

随着旅游业的快速发展,各地不断涌现各种主体游乐园。游乐园为了突出自身特点,均会设计地标式的标志物,该类标志物形状奇特,而且有追求高、大的趋势。随着标志物的发展,国内已出现60m以上的标志塔,并且兼顾表演功能,该类标志塔已经达到超高层建筑结构高度,对风和地震敏感,若发生安全事故会对人民生命财产和社会舆论产生较大影响。现有技术中,传统的公园标志物多采用钢网编织外喷混凝土、玻璃钢一体成型或拼装成型,稍大型标志物采用轻钢骨架内支撑。由于此类轻钢骨架内支撑的抗风、抗震能力较弱,因此无法满足超大型标志物受力需要,存在结构刚度低、耐地震能力差等安全隐患。本文就某海洋王国内标志塔的一个实际工程案例,介绍一种强化抗风及抗震式构筑物结构体系,为类似工程提供合理的建造措施。

1工程实例

本工程为珠海横琴某海洋王国ICON标志塔结构,作为全园区的制高点,该标志塔外形为一条跃出水面的巨型鲸鲨,鲸鲨雕像高度约65m,标志塔的特殊造型需要与外立面造型包装专业进行结构的配合。由于鲸鲨构造物造型复杂,结构的最初方案是主体骨架采用钢结构,但综合考虑由于靠海边,第一点是钢结构怕腐蚀,需经常维护;第二点是海边经常有台风,风荷载大,故改为采用混凝土框架结构[1-2]。经过一系列计算分析,采取层层转换结构体系,混凝土结构尽量做至外表皮边线,减少二次结构范围,减少预埋件。另外标志塔表皮采用不锈钢压制而成,与二次钢结构连接,最终实现图1效果。

2结构布置方案

[3]由于所述高层标志塔结构整体呈立式鲸鲨状(见图2),从标志塔底面到10m处为楼层结构,可设大型展馆,采用框架结构体系。10m以上为鲸鲨标志塔塔体部分,从10m处开始,每隔4m设置一个切片层,共设的14个切片层、形成切片层结构,各个切片层相隔为4m,每个切片层的构造、形状均对应建筑设计图在对应高度的水平截面形状,所述的切片层结构由钢筋混凝土施工固定,各个切片层和各种梁柱构成了基本框架结构的梁柱结构,基本框架结构的固定与支承部分还包括了剪力墙结构、斜撑和局部转换结构,在施工过程中切片层结构配合剪力墙结构、斜撑与局部转换结构,将复杂的空间造型简化为楼层结构,基本框架结构的施工逐层进行,下层的切片层实现施工后为上层的切片层提供受力支点和施工平台。

2.1主体部分具体设计

参照图2,本标志塔的基本框架包括梁柱结构、剪力墙结构、斜撑及局部转换结构和切片层结构。外部造型结构由幕墙轻钢结构构成。位于第10m、第14m和第18m位置的切片层为长方形结构,如图3所示:各长方体结构的4个角和4条边的中间位置设有柱连接端,各长方体结构设有2个等边式“L”形剪力墙边,各长方体结构4条边中间位置的柱连接端通过钢筋连接、形成加强型连接结构;在第10m、第14m位置的长方形结构中非剪力墙边位置的框体内各设有钢加强框,在第18m位置的长方形结构中剪力墙边位置的框体内各设有钢加强框;2个等边式“L”形剪力墙边构成向上延伸剪力墙基础。位于第22m高位置的切片层,如图4所示:包括一梯形框和一三角形框,梯形框和三角形框具有相同的底边,梯形框中分为长方形框体和梯形框体,在长方形框体和梯形框体,在长方形框体和梯形框体的角位各设有柱连接端,在三角形框的顶角和底角各设有柱连接端。长方形框体内设有钢加强框,长方形框体构成向上延伸剪力墙基础。

3结构方案优势

⑴本标志塔结构的基本框架包括梁柱结构、剪力墙结构、斜撑及局部转换结构和切片层结构。切片层结构由若干个切片层构成,切片层等间距设置并通过梁柱结构定型,各切片层的构造不同、形状各异,在二切片层之间各设置剪力墙、形成剪力墙结构,在构造不同、形状各异的切片层之间设置斜撑及局部转换梁,构成斜撑及局部转换结构。通过梁柱结构、剪力墙结构对切片层结构的定型及加强连接,以及通过斜撑及局部转换结构对构造不同、形状各异的切片层的加强连接,构成强化抗风及抗震结构。因此能够解决现有的高层标志塔结构存在结构刚度低、耐地震能力差等问题,具有结构刚度大、抗风及抗震能力强等空出的有益效果[4,5]。⑵本结构采用等距截面的方式,将高层复杂结构的标志塔转换为平楼层结构,采用传统成熟的混凝土施工工艺实现施工,降低了对施工团队的技术要求,并且大大降低了施工工期和工程造价,在结构定位方面,也降低了复杂结构的定位难度,采用等距截面的方式对标志塔作大致规划,并通过常规框架和剪力墙结构将标志塔简化,类似楼层结构的施工方式大大降低了施工难度和工程成本。⑶在外部造型上,选用了幕墙轻钢结构施工技术进行施工,对于较复杂的结构部分采用轻钢结构骨架施工技术,轻钢结构骨架支撑在各个切片层混凝土结构上,有效减低钢结构支承跨度,由于等距截面结构的存在,整个外部造型施工更方便,也便于对局部的整改或优化,提高了标志塔的外观美感,更吸引游客眼球,具有较强的可观赏性。[6,7]⑷与传统钢网编织外喷混凝土、玻璃钢一体成型和拼装成型的结构对比,本结构的受力上限大有提升,在满足超大型标志物的受力需求的前提下,具有更强的稳固性,耐地震,耐飓风,达到了更高的标志物安全性能指标。

4计算结果分析

[8-10]本工程采用中国建筑科学研究院编写的《高层筑结构空间有限元分析与设计软件(SATWE)》[11]用CQC法对结构进行整体分析。

4.1指标计算结果

结构整体计算模型如图5所示。经过计算得到图6为结构前三阶振型图。⑴根据表1可以看出前三阶周期分别为1.33s(Y向平动),0.97s(X向平动)和0.53s(扭转),周期较短,证明结构整体刚度比较大,而且周期比为0.4,满足文献[3]第3.4.5条小于0.9的要求。⑵最大位移与平均位移,最大层间位移角与平均层间位移角的比值是单向地震,考虑偶然偏心下的结果。其最大层间位移角小于1/650,满足文献[12]第3.7.3条要求(见表2)。⑶所有楼层剪重比均大于1.6,满足文献[1]第5.2.5条要求(见表3)。⑷计算振型数取12个,X、Y向质量参与系数分别为96.63%,99.50%,均大于90%,满足规范要求。

5结语

综上所述,本标志塔结构体系不仅有效地解决外部造型配合复杂,施工难度高,工程造价高等一系列问题。而且按空间整体工作进行弹性分析,同时根据计算分析结果和概念设计方法,对关键和重要构件作了适当加强,以保证在地震作用下的延性。该计算结果表明各项指标均良好,满足多遇地震下弹性要求,达到“小震不坏”的第一水准抗震性能目标,同时满足国家规范要求,表明结构设计是可行且安全的。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范:GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]混凝土结构设计规范:GB50010-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]胡志广.高耸结构风荷载的简化计算[J].山西建筑,2013,39(24):54-55.

[5]王赞芝,江林雁,江培信,等.高耸结构风效应通用分析方法[J].工业安全与环保,2011,37(7):37-38+44.

[6]钢结构设计规范:GB50017-2013[S].北京:中国计划出版社,2003.

[7]张耀春.钢结构设计原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[8]非明伦,周光全,余庆坤,等.高耸结构地震动力分析[J].地震研究,2007,30(3):281-284.

[9]陆道渊,徐麟.青岛海尔集团观光标志塔结构分析[J].建筑结构,2004,34(11):43-46.

[10]鲁莉,崔鸿超,陈明.巨型佛像结构设计与蒙皮效应探讨[J].建筑结构,2013,43(16):35-38+34.

[11]杨星.PKPM结构软件从入门到精通[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[12]高层建筑混凝土结构技术规程(广东省标准):DBJ15-92-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

作者:王伟江 余楚江 刘薇 单位:广州市设计院

强化抗风及抗震式标志塔结构设计

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