万豪会展大厦结构设计方案？
一、项目概况
重庆万豪国际会展大厦位于重庆市中心，北高5米，南高22米。该建筑地上69层(含GF层)，地下5层，建筑高度303.3米，裙房7层。地下五层为停车库、设备用房、商业用房，下面二层与城市轻轨出入口相连，地上七层裙楼为商业用房，七层通过空中走廊与现有万豪酒店相连。塔楼8至68层标准层平面为41× 41m，8至41层为公寓，42至68层为写字楼，顶层布置直升机。在7楼、23楼、41楼、54楼和顶层设置避难楼层。地下室和裙楼高4.5m-5m，公寓高3.7m，办公楼高3.9m。建设用地面积9100㎡，总建筑面积182893㎡，其中地上145348㎡，地下37545㎡。大厦周边有10多栋。
二、基础和底子
1.地质条件场地类别为一类场地。建筑以巨厚中(弱)风化泥岩为持力层。根据地质勘探，泥岩地基承载力特征值为4.0Mpa，天然抗压强度标准值为12.4Mpa，岩石地基平板载荷试验后，平均极限载荷为16.4Mpa，地基承载力特征值为5.2Mpa，该地基是建设高层建筑的理想场地。
2.基坑及基础设计项目地下五层，因为地势北高南低。差5m，有4层22m全埋条件。建筑埋深为建筑高度的1/13.8，满足抗倾覆要求。塔柱基础采用扩底桩(墩)，塔内筒采用平筏基础。我们采用美国ANSYS公司编制的ANSYS 1力学有限元分析软件的SOLID72单元，对塔扩底桩(墩)、塔筒筏板和基础进行三维计算分析。塔扩底桩(墩)D=4m，扩底5.5m，筏板25.8×25.8×4.5m，为筏板基础加固提供了参考数据。
第三，风荷载
高层和超高层建筑水平风荷载的计算是结构抗风设计的关键因素。但对于高大尤其是不规则的超高层建筑，建筑风荷载受周围建筑影响较大，需要在现行规范中核定风荷载。为此在该建筑中进行模型风洞测压和气动弹性试验以及三维数值风洞模拟，并与规范中的数值进行比较，进行合理的风荷载设计。
重庆100年基本风压为0.45 kN/m2 1。模型风洞试验本项目的风洞试验在西南交通大学风工程实验研究中心进行。采用1:250的有机玻璃模型，用泡沫塑料切割500m左右的主要建筑和环境，模拟C类地貌的大气边界条件。
以模型屋顶高度处的风压作为参考风压，压力试验中的来风风速为7.5m/s，本次试验布置在主体结构的所有表面，沿高度方向，共23个断面，457个测压点，模拟风向角为0o to 360o，间距为22.5o，模型主入口法线方向定义为0o，转盘逆时针为正。
本次风洞试验中，给出了16风向下，每侧各测压孔的风压系数。测试结果表明，各工作面迎风面正压力沿横向小于中部，沿高度方向平滑变化，在4/5高度(距顶部15-30m)达到最大，沿上部高度逐渐减小；背风面和两侧的负压比较均匀，沿高度变化不大。由于建筑物周围的高层建筑对气流的影响，建筑物的四周会出现局部高风压区，特别是在周围高层建筑高度以下的区域，既有放大作用，又有减小作用，有时甚至会出现风压系数反转。风向角为1350和900°时，基底在X方向和Y方向的总剪力达到最大值。
数值风洞模拟本项目委托同济大学航空航天与力学学院进行数值风洞模拟。数值风洞模拟类似于一般的实验室风洞，需要配备一个有入口、出口、地面和墙壁的风洞。在风洞中建立建筑物及周围建筑物的数值模型，数值模型按原型尺寸(1:1)建模，为刚性模型。建模、计算和后处理由国际领先的计算流体力学软件CFX5.5完成。
报告提供了16级风下，各层沿X、Y方向的平均风力和绕Z轴的总力矩。结果表明，X方向基底最大总剪力为135°风向；Y向基底最大总剪力为90o绕Z轴的最大总力矩为0o。同时给出了不同风力下建筑各表面最大风压的等值线图，为玻璃幕墙的设计提供了依据。根据风压等值线分布图，各面迎风面中间大部分区域为正，而靠近边缘的小部分区域由于分离流为负压，背风面一般为大小相对均匀的负压。
风荷载的比较与取值我们将三种方法得到的迎风面静风荷载与动风荷载进行比较，如图3和图4所示。风洞试验表明，在周围建筑物的影响下，风洞试验风荷载值大于标准值，而在37层以上，风洞试验风荷载值小于标准值。根据荷载规范计算的总风荷载比风洞试验结果高9%左右。
数值模拟结果与风洞试验结果基本一致，沿高度方向的最大风压约为建筑高度的4/5。各层风荷载规范计算值最大，数值模拟值次之，风洞试验值最小。规范计算的最大风压在建筑顶部，规范计算的顶部风压过大不合理，风压合力点较高，总风荷载大于数值模拟和风洞试验计算，按规范计算偏于保守。数值模拟和风洞试验结果表明，风向角为135°和90°时，X方向和Y方向的总剪力最大，这是现有高层计算软件难以实现的。从风洞试验和数值模拟的结果来看，较大的负压出现在塔的下部或建筑物的边缘。虽然结构整体计算影响不大，但对玻璃幕墙的设计安全性影响较大，应引起重视。
在整体计算中，分别计算0o、90o和135o的来风。风荷载按现行规范取，但建筑顶部按模型风洞试验结果取，并适当考虑数值模拟和风洞试验测得的扭矩。
第四，上层建筑
1.结构方案本工程上部结构为***69层，其中裙房7层，塔楼总建筑高度为303.3m，是目前国内已建和在建的高层钢结构中最高的。高宽比7.34，为超限高层建筑。建筑结构基本周期为8s，为罕见的长周期高层建筑。
根据建筑功能、建筑布局和建筑高度，考虑了两种结构方案，即全钢结构和钢-混凝土结构。根据结构抗震性能、施工速度、结构自重和造价的综合比较，本工程塔楼采用全钢结构方案，裙房和地下室仍为塔楼范围外的现浇钢筋混凝土结构。
塔楼采用带加强层的钢框架-核心筒结构体系。外框由钢柱和钢梁组成；核心筒由钢柱、钢梁和钢支撑组成的钢框架组成。钢结构的伸臂桁架臂和腰桁架利用建筑设备——避难层设置，形成加强层(4车道)。
塔楼7F以下为裙房和地下室***13层，采用型钢混凝土柱。这主要是解决钢结构塔楼与混凝土裙房可以连接协调的问题，有利于节点结构处理，同时充分利用高强混凝土的抗压强度，减少型钢混凝土的截面。
7F以下为钢骨柱，钢筋混凝土截面尺寸为1400x1400和1500x1500，钢骨柱为带翼缘的十字形截面；8F以上为箱形钢柱，截面尺寸为1200x1200mm至600x600mm，钢柱厚度为80mm至20mm。在内筒的纵向和横向设置三个支撑，采用中心支撑和八字形偏心支撑。支架由H型钢制成，截面为H400x400x25x30和H400x400x25x40。
钢梁都是H型的。8F以下外框梁高700 mm，8F以上外框梁高650mm，满足建筑净高要求；为保证结构整体抗侧刚度，内筒框架梁均为900mm高，次梁与框架主梁铰接，按组合梁计算。为了使转角框架梁受力均匀，在转角处增加次梁，改变夹层方向。
楼板采用压型钢板和现浇钢筋混凝土非组合楼板。
抗震抗风设计
(1)设计要求根据参考文献[3]，本工程50年超越概率63%、10%、5%、3%、2%对应的基本烈度值分别为5.2、6.1、6.3、6.4、6.6，根据重庆市地震局的批复，由于现有计算程序无法输入6.4度地震动参数，在抗震计算中，取7度参数进行计算。(2)总体设计
1)由使用和建筑要求设定的条件:
A.塔楼的平面和立面非常规则，基本上两个方向对称，建筑与结构之间的结合良好，为结构的抗震提供了非常有利的条件。b .全钢结构，材料均匀，延性好，能很好的满足抗震二级设防要求。
2)侧向力构件的设计:
A.内筒框架支撑结构:柱间设置钢支撑，部分为偏心支撑，有条件框架的柱间增设小立柱，加强框架支撑的抗侧刚度。b .为了提高内筒框架支撑的抗侧力体系的水平刚度，增加框架的高度，设计时应权衡梁的承载能力和增加水平刚度的要求。c .设置四层加强层，第23层、41、54层及顶层由伸臂桁架和外框腰桁架组成，加强层内筒支撑为中心支撑。在设计中，比较了不同楼层设置加强层对水平刚度的影响，当前层数为最佳。d .裙房下采用型钢混凝土柱和钢梁:考虑加强整体刚度，与裙房的连接(钢筋混凝土框架结构)会对结构整体水平刚度的提高起到一定的作用。
2)根据《建筑抗震设计规范》第8.2.3条“框架部分的计算地震剪力应乘以调整系数，以达到不小于结构底部总地震剪力的25%的要求。这一要求在本项目的设计中已经考虑，并满足规定的要求。
3)地面以上7层以上楼层采用约束屈曲耗能支撑，在罕遇地震作用下能起到减震作用。4)薄弱部位的强化:
A.底层可能的薄弱部位:采用型钢混凝土加强了结构在罕遇地震下的抗震能力，采用钢梁和钢支撑也可以使塑性铰首先发生在支撑或梁上而不是柱上，保证结构不会倒塌。b .加强层上下相邻框架柱:由于强层刚度突变，连接的框架柱比较复杂，容易成为薄弱部位。根据弹性计算的内力结果，截面应适当加强，留有相当的储备，然后用弹塑性时程分析校核力学和变形性能。c .通过弹塑性时程分析，对具有塑性铰的上部结构的层和构件进行验算，用约束屈曲耗能支撑调整构件截面，使塑性铰转移到不太重要的构件上，结构能满足大地震不倒的目标。
本工程进行了超限高层建筑抗震专项审查。专家建议，建筑高度灵活，要解决舒适度问题。
气动弹性模型风洞试验结果由于重庆万豪国际会展大厦高大灵活，且位于重庆市区，高层建筑密集，其周边建筑和地形对风场影响显著，因此其在强风作用下的风效应非常复杂，其在强风作用下的动力效应不容忽视。为此，进行了气动弹性模型风洞试验。通过重庆万豪国际会展中心1:250模型的气动弹性模型试验，获得了该建筑在16风向下的风振响应。分析测试结果后，得出以下结论:
1)，在所有风向和设计风速范围内，万豪国际会展大厦均未发现涡激振动。没有振动发散的舞动现象。当b=0o时，结构顶部的最大侧风振动位移(单边振幅)为0.297m，当b=270o时，最大顺风振动位移(单边振幅)为0.133m。
2)建筑顶部最大振动加速度小于0.2m/s2，10年一遇回风压力下扭转振动角速度小于0.001rad/s，满足舒适性要求。3)当来风方向作用于结构的某一表面时，结构的侧向位移和加速度振动响应大于顺风向，因此对于这类高层建筑结构来说，侧向荷载效应不可忽略。4)由于周围建筑对气流的影响，建筑四周会出现局部高风压，所以幕墙设计中要注意这个问题。此外，周围建筑结构对建筑风压的影响在其自身高度范围内较为显著，而在建筑顶部区域影响较小。5)建筑物每侧的最大负压大于最大正压。
5)结构分析
1)根据结构的特殊性，结构设计采用了SATWE(中国建筑科学研究院主编)和MTS(同济大学，中国)三种软件分析计算
ETABS(美国CSI公司)的主要计算结果也差不多。
2)计算模型:根据框支空间模型，地震力按X、Y方向和135度方向的风荷载计算，并考虑耦合，* * *取45个振型的结果。
和CUZI-1。时程分析中使用的地震加速度时程曲线最大值为35cm/s2。
在我国，关于计算建筑物加速度反应的研究很少，尤其是在横风作用下。在制定规范时，我们参考了国外的标准，并根据我国的实际情况进行了调整。因此，作者分别采用中国规范和加拿大规范计算加速度。
动词 （verb的缩写）结论
1.通过对重庆万豪国际会展大厦的动力特性分析可知，该结构的基本周期为8s，属于高度柔性结构。结构分析要考虑P-δ效应，结构布局基本对称，有利于结构抗震，设计受风荷载控制。2.采用伸臂桁架和外框架腰桁架是控制结构层间位移的有效方法。通过多次试算可以找到理想的支腿位置和孔型，支腿越多越好。3.超高层钢结构底层采用型钢混凝土柱，既能节约钢材，又能适当增加结构的抗侧刚度，同时还能解决与裙房钢筋混凝土梁的连接问题。4.超高层建筑的舒适性是设计者考虑的重要因素，宜采用多种方式进行检查分析，气动弹性模型试验更为可靠。
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