廣州新電視塔結構設計及新技術應用

廣州新電視塔結構設計

及新技術應用廣州市設計院一工程簡介

廣州新電視塔（廣州塔）的方案是通過國際方案競賽，從入圍的13個方案中選出的。廣州新電視塔高610米，由一座高達454米的主塔體和一個高156米的天線桅桿構成。作為廣州市的標志性建筑。電視塔塔體包括39層不同功能的封閉樓層，作為觀光層，餐廳，電視廣播技術中心以及休閑娛樂區(qū)等。珠江帝景東塔西塔第二少年宮廣州圖書館廣州歌劇院省博物館海心沙原新中國造船廠454米610米建筑簡介

海洋區(qū)——

地下停車庫、展覽廳、入口大廳、會議中心（-10.000層—32.800層）沙漠區(qū)——

高科技娛樂廳、影院（84.800層—121.200層亞熱帶草原區(qū)———觀景平臺、小食（147.200層—168.000層）熱帶雨林區(qū)——

空中云梯（168.000層—334.400層）溫帶區(qū)——

設備用房、茶室（334.400層—350.000層）冰原區(qū)——

微波電視機房（376.000層—402.000層）北極區(qū)——

觀景平臺、餐廳（407.200層—459.200層）總指標總用地面積： 175460平方米凈用地面積： 133300平方米總建筑面積： 119453平方米一期：總建筑面積： 114054平方米地下（6.800層以下）建筑面積： 69779平方米地上（6.800層及以上）建筑面積： 44275平方米二期：總建筑面積： 5398平方米

地下建筑面積： 5200平方米地上建筑面積： 198平方米預計建筑期

= 2005–2009年底建筑簡介454米610米造形將建筑、結構和美學等融為一體塔腰扭轉(zhuǎn)形成不同立面效果和動感立面塔底部軸線相對珠江旋轉(zhuǎn)了45度，代表珠江水東流，表達珠江與廣州的悠長歷史關系。

設計概念外框筒外型尺寸40.5mx54m20.65mx~27.5m高寬比=7.360mx80m高寬比=7.5結構形式=+++混凝土核心筒

鋼管砼柱

圓環(huán)

斜撐

各方向視圖二結構主要設計參數(shù)1.結構安全等級項目基本參數(shù)設計使用年限100年結構重要性系數(shù)1.1建筑結構安全等級一級抗震設防烈度7度（100年5%作為基本烈度）場地類別Ⅱ類設計地震分組第一組（0.35s）2.主要設計荷載

1)風荷載根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》，廣州地區(qū)100年重現(xiàn)期的基本風壓為0.60kN/m2，本工程根據(jù)廣東省氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心報告數(shù)據(jù)及8月26日專家驗收會上的專家組決議，按100年重現(xiàn)期的基本風壓為0.55kN/m2,風壓高度變化系數(shù)按GB50009-2001取C類進行設計。2)地震作用

根據(jù)《廣播電影電視建筑抗震設防分類標準》，本工程為甲類建筑，其設防烈度和設計峰值加速度的概率水準取100年期限內(nèi)超越概率5%。地震作用參數(shù)、地震作用加速度反應譜和時程曲線等是以廣東省工程防震研究院提供的《廣州市新中軸線電視塔工程場地地震安全性評價報告》作為結構的設計依據(jù)。3）溫度作用

采用計算流體力學(CFD)進行了詳細的分析，對電視塔構件不同高度、不同時間的溫度場分布研究，得到各桿件的溫度。3.外框筒鋼管柱計算長度柱高度范圍等效計算長度（m）鋼管的內(nèi)直徑（m）-10～38.020.81.825638.0～84.830.0*1.735184.8～116.010.41.6809116.0～147.025.0*1.6270147.0～168.010.41.5904168.0～204.425.0*1.5471204.4～235.625.0*1.4929235.6～266.825.0*1.4386柱高度范圍等效計算長度（m）鋼管的內(nèi)直徑（m）266.8～298.025.0*1.3843298.0～334.425.0*1.3210334.4～42815.61.21428～柱頂10.41.14注：*為參考清華大學課題組理論分析結果4.外框鋼結構主要構件截面及材料5．主要構件重量統(tǒng)計構件重量（萬噸）構件重量（萬噸）鋼管柱1.8079核心筒6.6155斜撐0.91495鋼管內(nèi)砼5.1577圓環(huán)0.26497樓面1.4329樓面梁0.46929其它0.5151天線0.1117其它0.48049合計4.049313.7212總計17.776計算分析軟件

奧雅納工程顧問采用了GSA，SAP作為設計計算軟件，同時采用LS-DYNA進行補充分析。廣州市設計院采用ANSYS,SAP作為設計及分析軟件。北京市建筑設計研究院采用MIDAS和ABQUSE作了第三方校核。三基礎設計

1.安全等級項目塔體(含塔體基礎)廣場層、地下室混凝土部分建筑結構的安全等級一級二級設計使用年限100年50年結構重要性系數(shù)1.11.0抗震設防分類甲類丙類抗震設防烈度按本項目的工程場地安全性評估報告場地類別II類II類設計地震分組第一組第一組地基基礎設計等級及安全等級設計等級為甲級；安全等級為一級2.場地地層構成和工程地質(zhì)特性工程場地典型地質(zhì)剖面圖

3.主塔基礎設計

24根鋼管混凝土柱基礎采用單樁單柱的大直徑人工挖孔嵌巖樁基礎，以微風化巖層為持力層，樁身直徑為4米，擴大頭直徑為5.2米，樁端嵌入微風化持力巖層0.5米，樁頂采用5米×4米環(huán)梁連接各樁。對于微風化基巖面埋深較淺的樁位，將出現(xiàn)樁長較短的情況，為抵抗風荷載或地震荷載作用下可能出現(xiàn)的樁頂拉力，外筒大直徑人工挖孔嵌巖樁的最小樁長不得小于12米。主塔外筒與核心筒之間的區(qū)域，采用整板式筏板基礎，板厚1.5米。4.裙房地下室基礎

裙房地下室基礎可分為-5.00米和-10.00米兩層，采用樁基礎進行基礎的抗壓和抗浮設計。四風荷載效應1.風荷載取值

1）根據(jù)廣東省建設廳主持的《廣州新電視塔結構設計風荷載取值問題》專題技術論證會的結論：該工程100年重現(xiàn)期基本風壓取0.55kN/m2，50年重現(xiàn)期基本風壓取0.45kN/m2；該工程風壓高度變化系數(shù)按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2001）表7.2.1中地面粗糙度類別C類取值。

2）風工程研究（1）廣東省氣象局進行工程氣象分析、模擬計算；（2）廣東省建筑科學研究院進行地形地貌風洞試驗、整體模型測壓試驗；（3）同濟大學進行片段剛體模型測力試驗、片段模型測壓試驗；全塔氣彈模型試驗；數(shù)值分析。3)設計風荷載:

2.風荷載下結構位移

1）控制標準

部位塔頂（450米）天線頂（610米）塔身最大側向位移1/2501/100滿足各功能層設備要求

2）計算模型風荷載下最大位移

部位塔頂（450米）天線頂（610米）最大側向位移1.689（1/266）3.876（1/157）層間位移角（最大值1/141）

有害層間位移角（最大值1/4131）3）層間位移角、有害層間位移角和區(qū)間廣義剪切變形（根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術技術規(guī)程》）區(qū)格的廣義剪切變形最大值1/2302，根據(jù)初步設計審查意見，控制結構的剪切變形小于1/1500。

根據(jù)專家評審會意見，塔頂（天線根部）的加速度在頻遇值0.4W0）下控制指標為0.25m/s2，試驗結果天線頂部為0.674m/s2，天線根部為0.09m/s2。3.加速度控制標準

4.風主控作用下外框筒鋼結構構件校核五溫度作用

采用當?shù)貧v年冬季最冷及夏季最熱日氣溫數(shù)據(jù)作為溫度計算依據(jù)，同時考慮100年期全球氣候變暖導致最高氣溫上升因素影響，采用計算流體力學(CFD)分析方法，通過動態(tài)熱模擬，確定不同高度上每根立柱和斜撐的表面溫度。廣州日最高氣溫：38.70C，最低氣溫：－2.60C。結構設計計算時主要考慮結構整體升溫工況（Ta）、整體降溫工況(Tb)、結構構件最大溫差工況（Tc）.整體升溫降溫按室內(nèi)結構溫度不變，室外結構±30℃進行計算，Tc工況根據(jù)CFD計算結果確定每根構件的溫度。1.溫度作用下450米處樓板位移(米)XYZSumMinMaxMinMaxMinMaxMinMaxTa-0.0940.161-0.0720.1090.0420.1300.0460.205Tb-0.0610.032-0.0530.013-0.142-0.0510.0550.155Tc-0.01390.2940.0310.2500.0370.1360.1180.358樓板上最大豎向相對變形為0.099米。溫度影響狀態(tài)鋼管混凝土柱外筒斜撐、環(huán)桿核心筒外露部分最高氣溫與安裝狀態(tài)溫差25℃35℃25℃最低氣溫與安裝狀態(tài)溫差－30℃－30℃－30℃不均勻日照溫度變化/溫差44℃～52℃/19℃~27℃51℃~73℃/26℃~48℃49℃~57℃/24℃~32℃2.溫度作用對樓板轉(zhuǎn)角影響

樓板分區(qū)2）各種工況下樓板轉(zhuǎn)角統(tǒng)計（靠近核心筒樓板轉(zhuǎn)角大于1/100，Tanα≥0.01）

針對靠近核心筒樓板轉(zhuǎn)角較大，可能會造成樓板開裂，設計時對該部位的樓面梁采用插銷式連接，同時進行構造處理。3.溫度控制工況下外框筒鋼結構構件校核溫度主控下環(huán)構件最大應力比

六地震作用

1.場地工程地震資料

本工程場址覆蓋土屬于中軟場地土，其場地類別為Ⅱ類，場地地面脈動卓越周期約0.33秒。根據(jù)《廣播電視電影建筑抗震設防分類標準GY5060-19973》，對于本項工程應按“甲類建筑”標準設防，其“中震概率水準取100年期限內(nèi)超越概率5%”。根據(jù)本場址50年期限內(nèi)“偶遇”地震分別與“常遇”和“罕遇”地震之間概率烈度與地震動的差異，經(jīng)換算延伸至100年期限，其相應大、中、小地震設防標準。據(jù)此，本項工程場址的設防烈度為Ⅷ度。1）地面最大加速度峰值小震中震大震加速度峰值(gal)75.51193.90336.762)設計地震動參數(shù)參數(shù)T0（秒）Tg（秒）αmax(水平向)αmax(豎直向)小震0.10.400.1734（0.16）0.1127中震0.10.600.44520.2894大震0.10.700.7732（0.90）0.5026豎直向參數(shù)αmax值是按規(guī)范要求，取水平向參數(shù)值的0.65。設計地震動參數(shù)曲線2.抗震設計控制目標

抗震目標地震烈度多遇設防烈度罕遇總體沒有破壞有破壞，但可修補不可倒塌環(huán)梁性能彈性彈性

p<8y支撐性能彈性彈性受壓

<8

b受拉<10

t柱性能彈性彈性

p<0.03弧度核心筒彈性彈性

p<0.015弧度內(nèi)外筒的橫向連接及天線彈性彈性

p<8y受壓<8

b受拉<10

t根據(jù)抗震設計目標，在設防烈度作用下，結構構件的抗震承載力計算按如下方法進行：考慮內(nèi)力調(diào)整的地震作用效應和抗震承載力按強度設計值計算。3.地震作用下主要構件校核4.振動臺試驗在廣州大學進行了1：50模型的振動臺試驗?；窘Y論：

1）應力水平：小震作用下，結構處于彈性狀態(tài)。中震作用下，局部次要構件接近屈服，結構基本處于彈性。大震作用下，腰部支撐及桅桿底部部分構件達到屈服，核心筒腰部及底部出現(xiàn)開裂。

2）結構薄弱層和薄弱構件（1）外框筒結構模型標高3.00m～6.00m（相當于原型結構標高150m～300m）處的斜撐應力較大；（2）混凝土核心筒結構模型標高5.44m（相當于原型結構標高272m）處的為結構的薄弱部位；（3）桅桿結構的底部區(qū)域桿件應力較大。結論驗證了設計時重點關注的薄弱部位，并予以加強。七結構穩(wěn)定性

廣州新電視塔的鋼外筒如同一個巨大的鋼網(wǎng)殼，其承擔了整個結構的60%的豎向荷載，85%左右的傾覆彎矩，巨型鋼網(wǎng)殼的穩(wěn)定性對結構的整體穩(wěn)定性其控制作用。在整個設計過程中，圍繞巨型鋼網(wǎng)殼的穩(wěn)定性做了大量的分析研究工作。在初步理論分析的基礎上，提出了環(huán)柱連接節(jié)點的剛度對結構的整體穩(wěn)定性至關重要，故在節(jié)點試驗中必須驗證設計的外框筒節(jié)點為剛性節(jié)點；為了提高腰部的穩(wěn)定性，在腰部增設三道支撐，后改為四道。鋼管混凝土柱在有樓層部位可按規(guī)范確定其計算長度，在底部（35.8～84.8）49米，腰部（169.3～334.4）165.1米高度范圍內(nèi)無法確定其計算長度，如不考慮環(huán)約束對計算長度的影響，構件驗算無法通過，考慮環(huán)的影響，又缺乏參考依據(jù)。通過設計單位與試驗單位共同合作，由理論分析與試驗相接合，來確定鋼管混凝土柱的計算長度。

1.環(huán)柱節(jié)點連接形式對結構穩(wěn)定性影響分析1）圓環(huán)構件與柱采用鉸接時結構的穩(wěn)定性2）圓環(huán)構件與柱采用剛接時結構的穩(wěn)定性自重+活荷載作用下，K1=11.672。自重+活荷載+風荷載作用下，K1=6.269。發(fā)生在天線與塔體的連接部位。2.環(huán)柱連接節(jié)點剛度對結構穩(wěn)定性影響分析

環(huán)梁與柱之間的連接節(jié)點采用一小段鋼管梁來模擬，通過改變梁的剛度來模擬節(jié)點的強弱。下面分別對四種模擬截面梁形式進行穩(wěn)定分析，得到的臨界值如下表。（自重+活荷載+風荷載，腰部三道支撐）牛腿剛度參數(shù)0.12360.0310.00620.0031第一局部失穩(wěn)模態(tài)（底部）d8.5842d7.7435d6.7970d6.3118第二局部失穩(wěn)模態(tài)（底部）d9.0042d8.0786d7.1330d6.7191第三局部失穩(wěn)模態(tài)（腰部）y9.3240y8.2155y6.9647y6.2209

塔身的失穩(wěn)首先可能發(fā)生在腰部和塔底部兩段沒有樓層的地方。

對結構的失穩(wěn)模態(tài)進行分析，其前幾階失穩(wěn)模態(tài)均發(fā)生在透空區(qū)，為了提高結構的整體穩(wěn)定性，需對結構的透空區(qū)進行加強，采用在透空區(qū)增設支撐的辦法。3.腰部支撐對結構的穩(wěn)定性影響分析工況整體（90度）底部（22.5度）腰部（22.5度）靜+活8.66719.16521.116靜+活+風8.6439.8610.33自重+活荷載+風荷載作用下，結構的失穩(wěn)模態(tài)：

4.非線性穩(wěn)定分析荷載取1.0靜+1.0活+1.0風，考慮正東方向風荷載。1）初始缺陷按線性分析整體失穩(wěn)模態(tài)施加初始缺陷，柱頂位置偏差約為高度的1/500，荷載加至6*(靜+活+風)以后，位移增大明顯。

2）初始缺陷按線性分析底部失穩(wěn)模態(tài)施加初始缺陷，最大位置偏差約為截面寬度的1/500，荷載加至4*(靜+活+風)未發(fā)生位移明顯增大現(xiàn)象。5.鋼管混凝土柱構件設計

鋼管混凝土柱的構件截面按照鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程CECS28:90進行設計。按照CECS28:90第4.1.2條,鋼管混凝土單肢柱的承載力應按下列公式計算：由右圖可知，對鋼管混凝土柱承載力影響最大的為考慮長細比影響的承載力折減系數(shù)。。

6試驗研究1）底部群柱試驗當柱子的軸壓力達到設計荷載水平時，構件的內(nèi)力、應變及位移變化都比較均勻，鋼管柱最大應力為157.2MPa，所有構件都處于彈性工作狀態(tài)。中柱鋼管部分測點進入屈服狀態(tài)時，中柱軸壓力水平2178kN，是中柱軸壓力設計值的2178/960＝2.27倍，說明柱子達到彈性極限時安全儲備較大。當中柱達到極限狀態(tài)時，在偏于加載端一側屈服區(qū)有一定的擴展，且伴隨有較大的面外位移。這時中柱軸向最大位移為29.2mm，面外（徑向）最大位移為50mm，面內(nèi)（環(huán)向）最大位移為11mm。極限狀態(tài)下中柱軸壓力水平為3400kN，與其軸壓力設計值的比值3400/960＝3.54

倍。2）腰部節(jié)段試驗第一階段加載結束時，也就是到達設計荷載水平，所有構件都處于彈性受力狀態(tài)。其中立柱鋼管最大壓應力為-129.6MPa，且所有立柱都處于受壓狀態(tài)，受力以軸力為主。第二階段加載結束時，20號立柱柱腳鋼管開始進入屈服，其余構件仍處于彈性受力狀態(tài)，水平推力H＝920kN，即達到設計值的920/240＝3.83

倍，說明部分構件達到彈性極限時整體結構安全儲備較大。第三階段加載直至立柱底部出現(xiàn)了大面積群柱失穩(wěn)，極限水平推力785kN，即為設計值的1785/240＝7.44

倍，說明結構具有足夠的安全儲備。試驗結果與設計時的數(shù)字分析結果基本吻合，同時驗證了整個結構的安全性。八天線與塔體連接方案設計

廣州新電視塔天線與塔體的連接方式：轉(zhuǎn)換桁架及核心筒承接方式。1.模態(tài)對比分析振型序號桁架方式承接方式周期模態(tài)特征周期模態(tài)特征110.225整體10.14整體27.0493整體7.0195整體32.8636天線局部2.9616天線局部42.5672天線局部2.6177天線局部52.4594天線局部2.4644天線局部62.2018整體(扭轉(zhuǎn))2.2000整體(扭轉(zhuǎn))72.1533天線局部2.1874整體81.4000整體1.4567整體91.1271天線局部1.1694天線局部100.9317天線局部0.9655天線局部桁架模型和承接式模型前20階模態(tài)對比表：振型序號桁架方式承接方式周期模態(tài)特征周期模態(tài)特征110.9171天線局部0.9335天線局部120.9123天線局部0.9227天線局部130.8289天線局部0.8400天線局部140.6869整體0.7093天線局部150.5853整體(扭轉(zhuǎn))0.6868塔體及局部（下部）160.5729塔體及局部（下部）0.6735塔體及局部（下部）170.5645整體(扭轉(zhuǎn))0.6455塔體及局部（下部）180.5074整體0.6134整體（扭轉(zhuǎn)）190.4868整體0.5965整體200.4420整體0.5422整體2.相同工況下位移對比1）塔頂位移（450米高度處）塔頂位移mA承接式方案B桁架式方案風SAP20001.84631.8127ANSYS1.6341.670小震組合SAP20000.65610.6685ANSYS0.6160.567中震SAP20002.19192.2434ANSYS1.8361.6982）層間位移角最大值A承接式方案B桁架式方案風SAP20001/1331/140ANSYS1/1411/148天線頂位移mA承接式方案B桁架式方案風SAP20004.93374.7594ANSYS4.9434.828小震組合SAP20001.93791.7836ANSYS1.7891.718中震SAP20006.21305.7503ANSYS6.3796.1743）天線頂位移比較（610米高度處）4）有害層間位移角最大值A承接式方案B桁架式方案風SAP20001/51321/4113ANSYS1/41311/39513天線傾覆力矩傳遞比較4層剪力傳遞比較5核心筒墻應力分析

從核心筒剪力墻應力大小及沿高度分布看，在E功能段，即塔頂（417～448米）范圍內(nèi)，承接式模型核心筒剪力墻應力除頂上幾個層間位置相對較大外，其余層間剪力墻應力大小兩種方案基本一致；在非功能段拉應力較小并基本一致；有樓層的地方較大，主要由于該處核心筒剪力墻上開洞較多和梁的局部影響。6樓面應力分析1）溫度工況樓板應力比較2）風主控工況樓板應力比較7不同連接方案的風荷載及響應對比

左圖為不同的連接方式90度風向角塔體風荷載水平剪力的對比圖，塔體部分的差異主要由初步設計階段模型與施工圖階段模型質(zhì)量分布差別造成。8樓板開裂剛度下降分析1）樓板開裂剛度退化對整體結構的影響（1）周期對比周期原模型C,D段25%整體25%C,D段0%整體0%110.14610.15110.15810.15710.17227.0247.0297.0367.0337.04832.9592.9612.9692.9642.98242.6172.6172.6222.6182.62852.4642.4642.4672.4652.47162.1942.1992.2072.2102.23872.1842.1852.1922.1882.20681.4561.4571.4631.85491.1711.1711.3301.674100.9650.9661.1771.457（2）位移對比工況：1.2恒+0.98活+1.4風（正東）位移（米）原模型C,D段25%整體25%C,D段0%整體0%天線頂7.1047.1107.1267.1157.155塔頂2.5412.5432.5462.5452.552（3）對塔體扭轉(zhuǎn)的影響（工況：1.2恒+0.98活+1.4風）相對轉(zhuǎn)動角（度）高度（米）原模型C,D段25%整體25%C,D段0%整體0%167.850.0916040.0952160.0924040.0991790.090855334.250.1176150.1184430.1170220.1169580.110127448.650.2001330.1990650.2014320.1956440.199743絕對轉(zhuǎn)動角（度）高度（米）原模型C,D段25%整體25%C,D段0%整體0%167.850.4299730.4284270.4320850.4269590.437714334.253.5203013.5226053.5263283.5280253.541734448.654.6219074.6260414.6287264.6341054.6466812)樓板剛度退化對樓面梁軸力的影響左圖為樓面梁應力增量（MPa）9結論

從總體分析上，兩個方案對結構的整個性態(tài)影響不大，但承接式方案節(jié)省了用鋼梁，同時使得頂層能夠滿足建筑及阻尼裝置設置的要求，故采用承接式方案，但應注意對E功能區(qū)核心筒及樓面的影響。根據(jù)2006.4.13由廣州市建設科學技術委員會辦公室組織的《廣州新電視塔結構設計控制參數(shù)取值方案專家評審會》意見：同意采用桅桿和塔身承接式連接方案，此方案比原方案在滿足建筑使用功能、節(jié)約結構造價方面有較大優(yōu)化。443~448最大應力16.1Mpa438~443最大應力17.4Mpa433~438最大應力3.04Mpa428~433最大應力3.0Mpa承接式剪力墻應力400厚混凝土墻頂層應力（升溫工況）承接式剪力墻應力400厚混凝土墻（不均勻溫差工況）443~448最大應力19.5Mpa438~443最大應力21.3Mpa433~438最大應力3.22Mpa428~433最大應力3.15Mpa承接式剪力墻應力400厚混凝土墻（風＋溫度工況）443~448最大應力26.7Mpa438~443最大應力28.2Mpa433~438最大應力1.77Mpa428~433最大應力1.48Mpa標高范圍(m)鋼管截面(Dxt)428.0~433.2600x30433.2~438.4750x35438.4~443.6900x40443.6~448.81000x50443~448米復合墻外表面在墻頂部最大拉應力7MPa443~448米復合墻內(nèi)表面在墻頂部最大拉應力6MPa443~448復合墻內(nèi)鋼板在墻頂部最大拉應力73MPa438~443復合墻內(nèi)鋼板在洞口邊緣最大拉應力50MPa438~443米復合墻在外表面洞口邊緣最大拉應力5MPa438~443米復合墻內(nèi)表面在洞口邊緣最大拉應力6MPa九節(jié)點設計

1外框一些統(tǒng)計參數(shù)1）斜撐長度MAX16.87米MIN7.90米2）斜撐與柱夾角斜撐下節(jié)點MAX46.53MIN16.50（9柱35環(huán)）斜撐上節(jié)點MAX48.04MIN16.04（8柱37環(huán)）3）節(jié)點區(qū)域高度（沿柱母線）

MAX7.928MIN3.026

2外筒節(jié)點