Midasbuilding在超高層建筑結構設計中的應用

2012.03.12中信建筑設計研究總院有限公司Midasbuilding在超高層建筑結構設計中的應用目錄一、北京中信大廈項目概況二、Midasbuilding在結構選型中的應用三、基于Midasbuilding的波譜分析及地震波的選擇四、利用Midasbuilding對結構構件的優(yōu)化分析五、Midasbuilding在其它工程中的應用六、結語世界著名中央商務區(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、服務式公寓、商業(yè)、觀光等功能于一體。項目建設單位為中國中信集團公司，項目建成后中信集團總部將攜中信銀行總部入駐，同時將吸引國際金融機構、國際500強企業(yè)等公司進駐該項目。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)，不僅成為新地標建筑，亦完整了北京城市天際線。二、Midasbuilding在結構選型中的應用1.目前結構方案采用建筑方案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譜4.場地的特征周期按Ⅲ類考慮，混合結構阻尼比取0.0355.巨柱采用4.2m，采用原始結構方案的定位方法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構方案采用的主要技術條件

方案CZ1-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、Midasbuilding在結構選型中的應用方案C：Z1-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱模型結構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計算結果果）巨型斜撐巨型柱2200x22002200x22002200x22001800x900x1102700x27001800x900x1103000x30001800x900x1103400x34001800x900x1104000x40001800x900x1104200x4200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-Z5大斜撐+Z6-Z8密柱

MIDAS計算結果ETABS計算結果周期7.415s

7.648s總重量7154MN

7108MN基底剪力151279kN

143500kN

剪重比2.15%

2.0%

位移角1/5101/648方案D1：全高巨巨柱模型正立立圖模型結構構平面模型軸測測圖方案D1：全高巨巨柱(MIDAS計算結果果)巨型斜撐巨型柱2200x22002200x22002200x22002700x27003000x30003400x34004000x40004200x4200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%1/5404005004%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：全高巨巨柱

MIDAS計算結果ETABS計算結果周期8.100s

8.607s總重量7252MN

7432MN基底剪力139961kN143300kN

剪重比1.93%

1.9%

位移角1/5401/624方案D2：全高巨巨柱+角部單斜斜撐模型軸測測圖模型結構構平面模型正立立圖方案D2：全高巨巨柱+角部單斜斜撐(MIDAS計算結果果)巨型斜撐巨型柱2200x22002200x22002200x22002700x27003000x30003400x34004000x40004200x4200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：全高巨巨柱+角部單斜斜撐

MIDAS計算結果ETABS計算結果周期8.356s

8.553s總重量7275MN

7449MN基底剪力141608kN143900kN

剪重比1.97%

1.9%

位移角1/5241/605方案E1：Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱模型正立立圖模型結構構平面模型軸測測圖方案E1：Z1-Z4大斜撐+Z5八字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS計算結果果）巨型斜撐巨型柱2200x22002200x22002200x22001800x900x1102700x27001800x900x1103000x30001800x900x1103400x34001800x900x1104000x40001800x900x1104200x4200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+Z5八字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱

MIDAS計算結果ETABS計算結果周期7.633s

7.961s總重量7182MN

7122MN基底剪力151898kN

143600kN

剪重比2.14%

2.0%

位移角1/5311/635方案E2：Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱模型正立立圖模型結構構平面模型軸測測圖方案E2：Z1-Z4大斜撐+Z5人字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱（MIDAS計算結果果）巨型斜撐巨型柱2200x22002200x22002200x22001800x900x1102700x27001800x900x1103000x30001800x900x1103400x34001800x900x1104000x40001800x900x1104200x4200墻厚含鋼率外框剪力分配比例層間位移角（雙向地震）ABC3003004%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人字形巨型斜柱柱過渡+Z6-Z8巨柱

MIDAS計算結果ETABS計算結果周期7.586s

7.867s總重量7218MN

7130MN基底剪力155051kN

143300kN

剪重比2.17%2.0%

位移角1/5081/634方案比較較項目方案C方案D1方案D2方案E1方案E2周期7.415s8.100s8.356s7.633s7.586s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方案比較較方案C方案D方案E1方案E2各方案的的優(yōu)點和和存在的的問題一、方案案C結構在5區(qū)~6區(qū)存在外外框剪力力分擔突突變，且且7、8區(qū)分擔比比例較低低。二、方案案D1結構周期期大于8s，剪重比比小于2.0%，7、8區(qū)分擔比比例較低低。三、方案案D2結構周期期大于8s，剪重比比小于2.0%，外框剪剪力分擔擔比例較較合理。。四、方案案E1有過渡層層，外框框剪力分分擔變化化較均勻勻，7、8區(qū)分擔比比例較低低。五、方案案E2有過渡層層，外框框剪力分分擔變化化較均勻勻，7、8區(qū)分擔比比例較低低。三、Midasbuilding的波譜分分析及地地震波的的選擇1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析2地震波的的波譜分分析及選選擇工程場地地設計地地震動加加速度反反應譜按按下式確確定：Amax為設計地地震動峰峰值加速速度，β(T)為設計地地震動加加速度放放大系數(shù)數(shù)反應譜譜，αmax為地震影影響系數(shù)數(shù)最大值值。1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析小震反應應譜曲線線比較（（3.5%阻尼比））地表（絕絕對標高高38.0）處豎向向地震反反應譜（50年超越概概率63%阻尼比3.5%）地表（絕絕對標高高38.0）處水平平地震反反應譜（50年超越概概率63%阻尼比3.5%）1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析根據(jù)地表表（絕對對標高38.0）處水平平地震反反應譜（（50年超越概概率63%阻尼比3.5%）曲線可可以看出出周期為為3秒時規(guī)范范反應譜譜與安評評反應譜譜相交，，3秒之后規(guī)規(guī)范地震震影響系系數(shù)大于于安評震震影響系系數(shù)，9.5秒時在次次相交，，計算時時應充分分比較規(guī)規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的計計算結果果。1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析地表（絕絕對標高高38.0）處水平平地震規(guī)規(guī)范反應應譜比較較（50年超越概概率63%）地表（絕絕對標高高38.0）處豎向向地震規(guī)規(guī)范反應應譜比較較（50年超越概概率63%）1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析中震反應應譜曲線線比較（（3.5%阻尼比））地表（絕絕對標高高38.0）處豎向向地震反反應譜（50年超越概概率10%阻尼比3.5%）地表（絕絕對標高高38.0）處水平平地震反反應譜（50年超越概概率10%阻尼比3.5%）1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析大震反應應譜曲線線比較（（3.5%阻尼比））地表（絕絕對標高高38.0）處豎向向地震反反應譜（50年超越概概率2%阻尼比3.5%）地表（絕絕對標高高38.0）處水平平地震反反應譜（50年超越概概率2%阻尼比3.5%）1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析反應譜計計算操作作界面1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析不同反應應譜計算算結果的的比較

規(guī)范反應譜安評反應譜采用安評最大系數(shù)的規(guī)范反應譜周期7.414s

7.414s

7.414s總重量7108MN

7108MN

7108MN基底剪力145602kN

151270kN

168521kN

剪重比2.08%2.16%

2.24%

1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析規(guī)范譜與與安評譜譜層剪力力曲線比比較規(guī)范譜與與安評譜譜傾覆彎彎矩曲線線比較從層剪力曲曲線中可可以看出出，根據(jù)據(jù)安評反反應譜計計算的基基底剪力力比規(guī)范范反應譜譜計算的的剪力要要大，但但15層至90層規(guī)范反反應譜計計算的層層剪力要要大。從傾覆彎矩矩曲線中中可以看看出，根根據(jù)規(guī)范范反應譜譜計算的的傾覆彎彎矩比安安評反應應譜計算算的傾覆覆彎矩要要大，但但75層以上安安評反應應譜計算算的傾覆覆彎矩要要大。建議計算算時應該該采用規(guī)規(guī)范反應應譜和安安評反應應譜同時時計算，，取大值值進行設設計。1規(guī)范反應應譜與安安評反應應譜的比比較分析析2地震波的的波譜分分析及選選擇正確選擇擇輸入的的地震加加速度時時程曲線線，要滿滿足地震震動三要要素的要要求，即即頻譜特性性、有效效峰值和持續(xù)時間間要符合規(guī)規(guī)定。頻譜特性性可用地地震影響響系數(shù)曲曲線表征征，依據(jù)據(jù)所處的的場地類類別和設設計地震震分組確確定，也也就是選選擇的實實際地震震波所處處場地的的設計分分組(震中距離離、震級級大小)和場地類類別(場地條件件)應與要分分析的結結構物所所處場地地的相同同，簡單單的說地地震波反反應譜的的特征周周期與場場地的特特征周期期Tg值應接近近或相同同。輸輸入的地地震加速速度時程程曲線的的有效持持續(xù)時間間，一般般從首次次達到該該時程曲曲線最大大峰值的的10%那一點算算起，到到最后一一點達到到最大峰峰值的10%為止，有有效持續(xù)續(xù)時間取取結構基基本周期期的5～10倍。地震波波波譜分析析操作界界面2地震波的的波譜分分析及選選擇A1天然波反反應譜和和規(guī)范安安評反應應譜比較較曲線A1天然波加加速度時時程曲線線2地震波的的波譜分分析及選選擇A2天然波加加速度時時程曲線線A2天然波反反應譜和和規(guī)范安安評反應應譜比較較曲線2地震波的的波譜分分析及選選擇A9天然波加加速度時時程曲線線A9天然波反反應譜和和規(guī)范安安評反應應譜比較較曲線2地震波的的波譜分分析及選選擇天然地震震波特征征參數(shù)從上表中中可知A9天然波特特征周期期與規(guī)范范安評場場地特征征周期相相差較大大；A1和A2波持時較較短；根根據(jù)抗抗震規(guī)范范時程分分析用加加速度最最大值為為70（cm/s2）,三條波基基本滿足足要求。。2地震波的的波譜分分析及選選擇多組時程程波的平平均地震震影響系系數(shù)曲線線與振型型分解反反應譜所所用的地地震影響響系數(shù)曲曲線相比比，在對對于結構構主要振振型的周周期點上上相關不不大于20%結構周期期對應地地震影響響系數(shù)比比較從上表中中可以看看出，結結構第六六周期天天然波所所對應的的地震影影響系數(shù)數(shù)平均值值與安評評相比相相差較大大。2地震波的的波譜分分析及選選擇根據(jù)建筑筑抗震規(guī)規(guī)范（GB50011-2010）第5.1.2條規(guī)定每每條時程程曲線計計算所得得結構底底部剪力力不小于于振型分分解反應應譜法(CQC法)計算所得得結果的的65%，同時三三條時程程曲線計計算所得得結構底底部剪力力的平均均值不小小于振型型分解反反應譜法法(CQC法)計算所得得結果的的80%。2地震波的的波譜分分析及選選擇地震波作作用下結結構指標標比較2地震波的的波譜分分析及選選擇地震波波的波波譜分分析及及選擇擇主要要結論論：1A9天然波波特征征周期期與規(guī)規(guī)范安安評場場地特特征周周期相相差較較大，，不合合適本本場地地；2A1和A2波持時時較短短，不不合適適本結結構；；3根據(jù)建建筑抗抗震規(guī)規(guī)范（（GB50011-2010）時程程分析析用地地震波波加速速度最最大值值為70（cm/s2），，三條條波基基本滿滿足要要求；；4多組時時程波波的平平均地地震影影響系系數(shù)曲曲線與與振型型分解解反應應譜所所用的的地震震影響響系數(shù)數(shù)曲線線相比比，在在對于于結構構主要要振型型的周周期點點上相相關不不大于于20%，三條條波基基本滿滿足要要求；；5根據(jù)建建筑抗抗震規(guī)規(guī)范（（GB50011-2010）第5.1.2條規(guī)定定每條條時程程曲線線計算算所得得結構構底部部剪力力不小小于振振型分分解反反應譜譜法(CQC法)計算所所得結結果的的65%，同時時三條條時程程曲線線計算算所得得結構構底部部剪力力的平平均值值不小小于振振型分分解反反應譜譜法(CQC法)計算所所得結結果的的80%，三條條波基基本滿滿足要要求。。6建議安安評單單位提提供符符合本本場地地和結結構特特性的的天然然和人人工三三向地地震波波。2地震波波的波波譜分分析及及選擇擇四、利利用Midasbuilding對結構構構件件優(yōu)化化分析析1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析2斜撐截截面變變化對對結構構的影影響分分析3巨柱截截面變變化對對結構構的影影響分分析4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構的的影響響分析析支撐不不躍層層示意意支撐躍躍層示示意1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析斜撐與與樓面面梁相相連接接斜撐與與樓面面梁不不相連連接斜撐在在不同同平面面內(nèi)對對方案案C（Z1-Z5大斜撐撐+Z6-Z8密柱））的結結構影影響分分析1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析斜撐在在不同同平面面內(nèi)對對方案案E1（Z1-Z4大斜撐撐+Z5八字形形巨型型斜柱柱過渡渡+Z6-Z8巨柱））的結結構影影響分分析1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析斜撐在在不同同平面面內(nèi)對對方案案E2（Z1-Z4大斜撐撐+Z5人字形形巨型型斜柱柱過渡渡+Z6-Z8巨柱））的結結構影影響分分析1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析斜撐在在不同同平面面內(nèi)對對結構構影響響主要要結論論：1大斜撐撐與框框架梁梁柱連連接后后，相相比斜斜撐躍躍層的的結構構形式式周期期增加加，但但基底底剪力力也增增加，，剪重重比增增加。。2環(huán)狀桁桁架是是否躍躍層或或者被被樓層層梁打打斷對對結構構影響響不大大。1斜撐與與次框框架同同平面面和不不同平平面對對結構構的影影響分分析2大斜撐撐截面面變化化對結結構影影響分分析C方案大大斜撐撐截面面變化化的結結構指指標從上表表可以以看出出C12方案和和C11方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量增增大，，周期期減小小較多多，層層間位位移角角略為為增大大，剪剪重比比略為為增大大，框框架承承擔的的剪力力比例例有所所提高高，大大斜撐撐應力力減小小，結結構較較合理理。3巨柱截截面變變化對對結構構影響響分析析巨柱截面尺寸變化化方案巨柱截截面尺尺寸變變化結結構指指標比比較巨柱截截面尺尺寸變變化對對結構構影響響主要要結論論：1各方案案巨柱柱截面面變化化均能能滿足足規(guī)范范對柱柱軸壓壓比的的要求求；隨隨著柱柱子截截面收收進幅幅度增增加，，結構構剛度度減小小，結結構周周期相相應增增大；；2方案3和方案案4柱子截截面尺尺寸收收進較較大，，在頂頂層部部分樓樓層的的位移移角不不滿足足規(guī)范范要求求；3綜合比比較4個方案案，方方案2采用的的截面面尺寸寸既能能在減減小建建筑物物重量量的情情況下下，又又能滿滿足規(guī)規(guī)范對對剪重重比和和層間間位移移角等等各項項指標標的要要求，，建議議采用用方案案2的巨柱柱載面面形式式。3巨柱截截面變變化對對結構構影響響分析析E11方案：：（Z1-Z4大斜撐撐+Z5八字形形巨型型斜柱柱過渡渡+Z6-Z8巨柱））構件件截面面尺寸寸說明明角柱尺尺寸：：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2中柱尺尺寸：：1.6-1.6-1.6環(huán)狀桁桁架尺尺寸：：1x0.6x0.08大支撐撐尺寸寸：1.6x1.0x0.08桁架支支撐躍躍層內(nèi)部鋼鋼梁尺尺寸：：HN692x300x13/20鋼梁采采用Q420E12方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子E13方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子，改改梁截截面，1-5區(qū)HN692x300x13/20；6-8區(qū)H1000x700x40/50E14方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子，改改梁截截面，，6-8區(qū)主框框架柱柱鋼骨骨混凝凝土柱柱改為為箱型型截面面鋼柱柱4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構影影響分分析各方案案結構構指標標比較較4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構影影響分分析E1方案取取消次次框架架結論論：1E12方案和和E11方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量略略為減減小，，周期期略為為增大大，層層間位位移角角略為為增大大，但但刪除除小柱柱子后后內(nèi)部部框架架梁抗抗彎不不夠，，框架架承擔擔剪力力比例例變化化不明明顯。。2E13方案和和E12方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量增增加較較多，，周期期減小小，層層間位位移角角減小小，改改大鋼鋼梁截截面后后能滿滿足抗抗彎要要求，，6~8區(qū)框架架承擔擔剪力力比例例明顯顯提高高。3E14方案和和E13方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量減減小，，周期期略為為減小小，剪剪重比比略為為增大大，框框架承承擔剪剪力比比例變變化不不明顯顯。4根據(jù)計計算可可以看看出E1方案取取消頂頂部次次框架架柱各各項指指標均均能滿滿足規(guī)規(guī)范要要求，，此結結構方方案基基本可可行。。4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構影影響分分析4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構影影響分分析E21方案：：（（Z1-Z4大斜撐撐+Z5人字形形巨型型斜柱柱過渡渡+Z6-Z8巨柱））構件件截面面尺寸寸說明明角柱尺尺寸：：4.2-4.0-3.4-3.0-2.7-2.2-2.2-2.2中柱尺尺寸：：1.6-1.6-1.6腰部桁桁架尺尺寸：：1x0.6x0.08大支撐撐尺寸寸：1.6x1.0x0.08桁架支支撐躍躍層內(nèi)部鋼鋼梁尺尺寸：：HN692x300x13/20鋼梁采采用Q420E22方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子E23方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子，改改梁截截面1-5區(qū)HN692x300x13/20；6-8區(qū)H1000x700x40/50E24方案：：去掉6-8區(qū)次框框架小小柱子子，改改梁截截面，，6-8區(qū)主框框架柱柱鋼骨骨混凝凝土柱柱改為為箱型型截面面鋼柱柱各方案案結構構指標標比較較4E方案頂頂部取取消次次框架架對結結構影影響分分析E2方案取取消次次框架架結論論：1E22方案和和E21方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量略略為減減小，，周期期略為為減小小，層層間位位移角角略為為增大大，但但刪除除小柱柱子后后內(nèi)部部框架架梁抗抗彎不不夠，，框架架承擔擔剪力力比例例變化化不明明顯。。2E23方案和和E22方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量略略為增增加，，周期期略為為減小小，層層間位位移角角略為為增大大，但但刪除除小柱柱子后后內(nèi)部部框架架梁抗抗彎不不夠，，框架架承擔擔剪力力比例例6區(qū)和8區(qū)明顯顯提高高。3E24方案和和E23方案比比較，，總質(zhì)質(zhì)量減減小，，周期期減小小，層層間位位移角角略為為減小小，框框架承承擔剪剪力比比例略略為變變化。。4根據(jù)計計算可可以看看出E2方案取取消頂頂部次次框架架柱各各項指指標均均能滿滿足規(guī)規(guī)范要要求，，由于于減掉掉了次次框架架柱，，頂部部部分分樓面面梁跨跨度達達到30m左右，，框架架梁截截面會會過大大，會會增加