Midas-building在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

1、2012.03.12中信建筑設(shè)計研究總院有限公司Midas building在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用目錄一、北京中信大廈項目概況二、Midas building在結(jié)構(gòu)選型中的應(yīng)用三、基于Midas building的波譜分析及地震波的選擇四、利用Midas building對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化分析五、Midas building在其它工程中的應(yīng)用六、結(jié)語世界著名中央商務(wù)區(qū)一、北京中信大廈項目概況一、北京中信大廈項目概況一、北京中信大廈項目概況 Z15地塊項目位于北京CBD核心區(qū)，東至金和東路，南至景輝街，西至金和路，北至規(guī)劃綠地，占地面積1.1478公頃，集甲級寫字樓、會議、頂級酒店、服務(wù)式公

2、寓、商業(yè)、觀光等功能于一體。項目建設(shè)單位為中國中信集團(tuán)公司，項目建成后中信集團(tuán)總部將攜中信銀行總部入駐，同時將吸引國際金融機(jī)構(gòu)、國際500強(qiáng)企業(yè)等公司進(jìn)駐該項目。一、北京中信大廈項目概況 Z15地塊項目建筑高度528米，地下七層，地上108層，將成為北京最高建筑，南觀中央公園，北見央視新址，西享北京古城、東望新CBD延伸區(qū)，不僅成為新地標(biāo)建筑，亦完整了北京城市天際線。二、Midas building在結(jié)構(gòu)選型中的應(yīng)用1.目前結(jié)構(gòu)方案采用建筑方案4B幾何尺寸2.嵌固端位于地下一層3.采用安評報告提供的小震反應(yīng)譜4.場地的特征周期按類考慮，混合結(jié)構(gòu)阻尼比取0.0355.巨柱采用4.2m，采用原始結(jié)

3、構(gòu)方案的定位方法6.斜撐位于巨柱之間連接的直線平面內(nèi)，與次框架在兩個平面結(jié)構(gòu)方案采用的主要技術(shù)條件 方案C Z1-Z5區(qū)大斜撐+Z6-Z8區(qū)密柱 方案D1 全高巨柱方案D2全高巨柱+角部單斜撐 方案E1 Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱 方案E2Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱 二、 Midas building在結(jié)構(gòu)選型中的應(yīng)用方案C：Z1-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱模型結(jié)構(gòu)平面模型軸測圖模型正立圖方案C：Z1-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱（MIDAS計算結(jié)果）巨型斜撐巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x

4、900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200 x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004%7.17%1/5104005004%3.27%1/5244005004%13.02%1/5534006004%55.84%1/6714007006%57.58%1/8134007006%54.98%1/9914008006%52.88%1/121270011006%28.44%1/1594方案C：Z1

5、-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱MIDAS計算結(jié)果ETABS計算結(jié)果周期7.415s7.648s總重量7154MN7108MN基底剪力151279kN 143500kN剪重比2.15% 2.0%位移角1/5101/648方案D1：全高巨柱模型正立圖模型結(jié)構(gòu)平面模型軸測圖方案D1：全高巨柱(MIDAS計算結(jié)果)巨型斜撐巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22002700 x27003000 x30003400 x34004000 x40004200 x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004%3.52%1/5414005004%2.31%1/

6、5404005004%10.59%1/5604006004%14.92%1/6384007006%18.24%1/6654007006%17.83%1/7594008006%15.09%1/108970011006%10.94%1/1256方案D1：全高巨柱MIDAS計算結(jié)果ETABS計算結(jié)果周期8.100s8.607s總重量7252MN7432MN基底剪力139961kN 143300kN剪重比1.93% 1.9%位移角1/5401/624方案D2：全高巨柱+角部單斜撐模型軸測圖模型結(jié)構(gòu)平面模型正立圖方案D2：全高巨柱+角部單斜撐(MIDAS計算結(jié)果)巨型斜撐巨型柱2200 x2200220

7、0 x22002200 x22002700 x27003000 x30003400 x34004000 x40004200 x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004%11.5914.47%1/5244005004%16.70%1/5404006004%19.25%16174007006%20.59%1/6414007006%13.86%1/6824008006%15.40%1/105870011006%12.66%1/1223方案D2：全高巨柱+角部單斜撐MIDAS計算結(jié)果ETABS計算結(jié)果周期8.356s8.553s總重量727

8、5MN7449MN基底剪力141608kN 143900kN剪重比1.97% 1.9%位移角1/5241/605方案E1：Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱模型正立圖模型結(jié)構(gòu)平面模型軸測圖方案E1：Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS計算結(jié)果）巨型斜撐巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200

9、 x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004%2.40%1/5334005004%3.38%1/5314005004%12.01%1/5494006004%22.07%1/6144007006%67.23%1/7894007006%56.31%1/9984008006%52.90%1/122370011006%28.49%1/1596方案E1： Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱MIDAS計算結(jié)果ETABS計算結(jié)果周期7.633s7.961s總重量7182MN7122MN基底剪力151898kN 143600kN剪重比2.14% 2.0

10、%位移角1/5311/635方案E2： Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱模型正立圖模型結(jié)構(gòu)平面模型軸測圖方案E2： Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS計算結(jié)果）巨型斜撐巨型柱2200 x22002200 x22002200 x22001800 x900 x1102700 x27001800 x900 x1103000 x30001800 x900 x1103400 x34001800 x900 x1104000 x40001800 x900 x1104200 x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004

11、%2.47%1/5104005004%3.67%1/5084005004%8.02%1/5264006004%48.2%1/5794007006%63.80%1/8124007006%59.73%1/9824008006%60.59%1/124770011006%30.99%1/1633方案E2： Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱MIDAS計算結(jié)果ETABS計算結(jié)果周期7.586s7.867s總重量7218MN7130MN基底剪力155051kN 143300 kN剪重比2.17%2.0%位移角1/5081/634方案比較項目方案C方案D1方案D2方案E1方案E2周期7

12、.415s8.100s8.356s7.633s7.586s總重量7154MN7252MN7275MN7182MN7218MN基底剪力151279KN139961KN141608KN151898kN155051KN剪重比2.15%1.93%1.97%2.14%2.17%層間位移角1/5101/5401/5241/5311/508方案比較方案C 方案D 方案E1 方案E2各方案的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題一、方案C結(jié)構(gòu)在5區(qū)6區(qū)存在外框剪力分擔(dān)突變，且7、8區(qū)分擔(dān)比例較低。二、方案D1結(jié)構(gòu)周期大于8s，剪重比小于2.0%， 7、8區(qū)分擔(dān)比例較低。三、方案D2結(jié)構(gòu)周期大于8s，剪重比小于2.0%，外框剪力分擔(dān)

13、比例較合理。四、方案E1有過渡層，外框剪力分擔(dān)變化較均勻， 7、8區(qū)分擔(dān)比例較低。 五、方案E2有過渡層，外框剪力分擔(dān)變化較均勻， 7、8區(qū)分擔(dān)比例較低。 三、 Midas building的波譜分析及地震波的選擇1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析2 地震波的波譜分析及選擇 工程場地設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜按下式確定： Amax 為設(shè)計地震動峰值加速度，(T)為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜，max為地震影響系數(shù)最大值。 1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析小震反應(yīng)譜曲線比較（3.5%阻尼比）地表（絕對標(biāo)高38.0）處豎向地震反應(yīng)譜（50年超越概率63%阻尼比3.5%） 地表（絕對標(biāo)高38.0

14、）處水平地震反應(yīng)譜（50年超越概率63%阻尼比3.5%） 1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析 根據(jù)地表（絕對標(biāo)高38.0）處水平地震反應(yīng)譜（50年超越概率63%阻尼比3.5%）曲線可以看出周期為3秒時規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜相交，3秒之后規(guī)范地震影響系數(shù)大于安評震影響系數(shù)，9.5秒時在次相交，計算時應(yīng)充分比較規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的計算結(jié)果。1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析地表（絕對標(biāo)高38.0）處水平地震規(guī)范反應(yīng)譜比較（50年超越概率63%）地表（絕對標(biāo)高38.0）處豎向地震規(guī)范反應(yīng)譜比較（50年超越概率63%）1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析中震反應(yīng)譜曲線比較（3.5%阻尼比）地表

15、（絕對標(biāo)高38.0）處豎向地震反應(yīng)譜（50年超越概率10%阻尼比3.5%） 地表（絕對標(biāo)高38.0）處水平地震反應(yīng)譜（50年超越概率10%阻尼比3.5%） 1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析大震反應(yīng)譜曲線比較（3.5%阻尼比）地表（絕對標(biāo)高38.0）處豎向地震反應(yīng)譜（50年超越概率2%阻尼比3.5%） 地表（絕對標(biāo)高38.0）處水平地震反應(yīng)譜（50年超越概率2%阻尼比3.5%） 1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析反應(yīng)譜計算操作界面1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析不同反應(yīng)譜計算結(jié)果的比較規(guī)范反應(yīng)譜安評反應(yīng)譜采用安評最大系數(shù)的規(guī)范反應(yīng)譜周期7.414s7.414s7.414s總重量7108

16、MN7108MN7108MN基底剪力145602kN 151270kN 168521kN剪重比2.08% 2.16% 2.24%1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析1 規(guī)范反應(yīng)譜與安評反應(yīng)譜的比較分析規(guī)范譜與安評譜層剪力曲線比較規(guī)范譜與安評譜傾覆彎矩曲線比較 從層剪力曲線中可以看出，根據(jù)安評反應(yīng)譜計算的基底剪力比規(guī)范反應(yīng)譜計算的剪力要大，但15層至90層規(guī)范反應(yīng)譜計算的層剪力要大。 從傾覆彎矩曲線中可以看出，根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜計算的傾覆彎矩比安評反應(yīng)譜計算的傾覆彎矩要大，但75層以上安評反應(yīng)譜計算的傾覆彎矩要大。 建議計算時應(yīng)該采用規(guī)范反應(yīng)譜和安評反應(yīng)譜同時計算，取大值進(jìn)行設(shè)計。 1 規(guī)范反應(yīng)譜與

17、安評反應(yīng)譜的比較分析2 地震波的波譜分析及選擇 正確選擇輸入的地震加速度時程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間要符合規(guī)定。 頻譜特性可用地震影響系數(shù)曲線表征，依據(jù)所處的場地類別和設(shè)計地震分組確定，也就是選擇的實(shí)際地震波所處場地的設(shè)計分組(震中距離、震級大小)和場地類別(場地條件)應(yīng)與要分析的結(jié)構(gòu)物所處場地的相同，簡單的說地震波反應(yīng)譜的特征周期與場地的特征周期Tg值應(yīng)接近或相同。輸入的地震加速度時程曲線的有效持續(xù)時間，一般從首次達(dá)到該時程曲線最大峰值的10%那一點(diǎn)算起，到最后一點(diǎn)達(dá)到最大峰值的10%為止，有效持續(xù)時間取結(jié)構(gòu)基本周期的510倍。 地震波波譜分析操作界面2

18、 地震波的波譜分析及選擇A1天然波反應(yīng)譜和規(guī)范安評反應(yīng)譜比較曲線 A1天然波加速度時程曲線 2 地震波的波譜分析及選擇A2天然波加速度時程曲線 A2天然波反應(yīng)譜和規(guī)范安評反應(yīng)譜比較曲線 2 地震波的波譜分析及選擇A9天然波加速度時程曲線 A9天然波反應(yīng)譜和規(guī)范安評反應(yīng)譜比較曲線 2 地震波的波譜分析及選擇天然地震波特征參數(shù) 從上表中可知A9天然波特征周期與規(guī)范安評場地特征周期相差較大；A1和A2波持時較短； 根據(jù)抗震規(guī)范時程分析用加速度最大值為70（cm/s2）,三條波基本滿足要求。2 地震波的波譜分析及選擇 多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對于結(jié)

19、構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相關(guān)不大于20% 結(jié)構(gòu)周期對應(yīng)地震影響系數(shù)比較 從上表中可以看出，結(jié)構(gòu)第六周期天然波所對應(yīng)的地震影響系數(shù)平均值與安評相比相差較大。2 地震波的波譜分析及選擇 根據(jù)建筑抗震規(guī)范（GB50011-2010）第5.1.2條規(guī)定每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計算所得結(jié)果的65%，同時三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計算所得結(jié)果的80%。2 地震波的波譜分析及選擇地震波作用下結(jié)構(gòu)指標(biāo)比較2 地震波的波譜分析及選擇 地震波的波譜分析及選擇主要結(jié)論： 1 A9天然波特征周期與規(guī)范安評場地特征周期相差較大，不合適

20、本場地； 2 A1和A2波持時較短，不合適本結(jié)構(gòu)； 3 根據(jù)建筑抗震規(guī)范（GB50011-2010）時程分析用地震波加速度最大值為70（cm/s2） ，三條波基本滿足要求； 4 多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相關(guān)不大于20%，三條波基本滿足要求； 5 根據(jù)建筑抗震規(guī)范（GB50011-2010）第5.1.2條規(guī)定每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計算所得結(jié)果的65%，同時三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)計算所得結(jié)果的80%，三條波基本滿足要求。 6

21、 建議安評單位提供符合本場地和結(jié)構(gòu)特性的天然和人工三向地震波。2 地震波的波譜分析及選擇四、利用Midas building對結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化分析1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析2 斜撐截面變化對結(jié)構(gòu)的影響分析3 巨柱截面變化對結(jié)構(gòu)的影響分析4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)的影響分析 支撐不躍層示意 支撐躍層示意1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析斜撐與樓面梁相連接斜撐與樓面梁不相連接 斜撐在不同平面內(nèi)對方案C（Z1-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱）的結(jié)構(gòu)影響分析1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析 斜撐在不同平面內(nèi)對方案E1（Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱

22、過渡+Z6-Z8巨柱）的結(jié)構(gòu)影響分析1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析 斜撐在不同平面內(nèi)對方案E2（Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱）的結(jié)構(gòu)影響分析1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析 斜撐在不同平面內(nèi)對結(jié)構(gòu)影響主要結(jié)論： 1 大斜撐與框架梁柱連接后，相比斜撐躍層的結(jié)構(gòu)形式周期增加，但基底剪力也增加，剪重比增加。 2 環(huán)狀桁架是否躍層或者被樓層梁打斷對結(jié)構(gòu)影響不大。 1 斜撐與次框架同平面和不同平面對結(jié)構(gòu)的影響分析2 大斜撐截面變化對結(jié)構(gòu)影響分析 C方案大斜撐截面變化的結(jié)構(gòu)指標(biāo) 從上表可以看出C12方案和C11方案比較，總質(zhì)量增大，周期減小較多

23、，層間位移角略為增大，剪重比略為增大，框架承擔(dān)的剪力比例有所提高，大斜撐應(yīng)力減小，結(jié)構(gòu)較合理 。3 巨柱截面變化對結(jié)構(gòu)影響分析巨柱截面尺寸變化 方案巨柱截面尺寸變化結(jié)構(gòu)指標(biāo)比較 巨柱截面尺寸變化對結(jié)構(gòu)影響主要結(jié)論： 1 各方案巨柱截面變化均能滿足規(guī)范對柱軸壓比的要求；隨著柱子截面收進(jìn)幅度增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)周期相應(yīng)增大； 2 方案3和方案4柱子截面尺寸收進(jìn)較大，在頂層部分樓層的位移角不滿足規(guī)范要求； 3 綜合比較4個方案，方案2采用的截面尺寸既能在減小建筑物重量的情況下，又能滿足規(guī)范對剪重比和層間位移角等各項指標(biāo)的要求，建議采用方案2的巨柱載面形式。3 巨柱截面變化對結(jié)構(gòu)影響分析E11方案

24、：（Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱）構(gòu)件截面尺寸說明 角柱尺寸：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2 中柱尺寸： 1.6-1.6-1.6 環(huán)狀桁架尺寸：1x0.6x0.08 大支撐尺寸：1.6x1.0 x0.08 桁架支撐躍層 內(nèi)部鋼梁尺寸：HN692x300 x13/20 鋼梁采用Q420E12方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子 E13方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子，改梁截面 ，1-5區(qū)HN692x300 x13/20；6-8區(qū)H1000 x700 x40/50E14方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子，改梁截面，6-8區(qū)主框架柱鋼骨混凝土柱改為箱型

25、截面鋼柱 4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)影響分析各方案結(jié)構(gòu)指標(biāo)比較4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)影響分析 E1方案取消次框架結(jié)論： 1 E12方案和E11方案比較，總質(zhì)量略為減小，周期略為增大，層間位移角略為增大，但刪除小柱子后內(nèi)部框架梁抗彎不夠，框架承擔(dān)剪力比例變化不明顯。 2 E13方案和E12方案比較，總質(zhì)量增加較多，周期減小，層間位移角減小，改大鋼梁截面后能滿足抗彎要求，68區(qū)框架承擔(dān)剪力比例明顯提高。 3 E14方案和E13方案比較，總質(zhì)量減小，周期略為減小，剪重比略為增大，框架承擔(dān)剪力比例變化不明顯。 4 根據(jù)計算可以看出E1方案取消頂部次框架柱各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，此結(jié)構(gòu)方案

26、基本可行。4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)影響分析4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)影響分析E21方案： （Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱過渡+Z6-Z8巨柱）構(gòu)件截面尺寸說明 角柱尺寸：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2 中柱尺寸： 1.6-1.6-1.6 腰部桁架尺寸：1x0.6x0.08 大支撐尺寸：1.6x1.0 x0.08 桁架支撐躍層 內(nèi)部鋼梁尺寸：HN692x300 x13/20 鋼梁采用Q420E22方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子 E23方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子，改梁截面 1-5區(qū)HN692x300 x13/20；6-8區(qū)H1000 x700 x40/50E24方案：去掉6-8區(qū)次框架小柱子，改梁截面， 6-8區(qū)主框架柱鋼骨混凝土柱改為箱型截面鋼柱 各方案結(jié)構(gòu)指標(biāo)比較4 E方案頂部取消次框架對結(jié)構(gòu)影響分析 E2方案取消次框架結(jié)論： 1 E22方案和E21方案比較，總質(zhì)量略為減小，周期略為減小，層間位移角略為增大，但刪除小柱子后內(nèi)部框架梁抗彎不夠，框架承擔(dān)剪力比例變化不明顯。 2 E23方案和E22方案比較，總質(zhì)量略為增加，周期略為減小，層間位移角略為增大，但刪除小柱子后內(nèi)部框架梁抗彎不夠，框架承擔(dān)剪