结构选型分析--东方明珠塔

1301403-06熊俊结构选型分析--东方明珠塔明珠耀东方—东方明珠塔东方明珠广播电视塔是上海的标志性文化景观之一，位于浦东新区陆家嘴，塔高约468米。该建筑于1991年7月兴建，1995年5月投入使用，承担上海6套无线电视发射业务，地区覆盖半径80公里。看法东方明珠,是建筑还是结构?它既是建筑又是结构。是建筑表现结构的美,还是结构造就建筑的美?应该是两者相辅相成。它没有建筑师硬贴上去的析架、悬索,也没有工程师的胡须通遏、不修边幅。鉴于目前出现的建筑思潮,用不合理的结构来形成,’g良睛一亮”的视觉冲击,认为这是建筑的美,我不得不强调一下,合理的结构造就建筑的美。它就像人一样,有人好看有人难看,但只要有模特儿的身材,他大致就是美的,这就是我想强调的东西。结构：创新思维使混凝土塔获得新生东方明珠突破了传统的单筒模式,提出并采用了“带斜撑巨型空间筒体框架部分预应力混凝土结构”,使之具有鲜明的标志性,独一无二地有别于其它混凝土电视塔。人们一看到这样的结构,就会知道它是东方明珠,它在上海。在结构上,带来一个很大的好处,就是它具有比单筒体更好的稳定性和抗震性能。因为它有一个很大的支面,又是多次超静定结构,不致因为某根构件的损伤造成整体结构的破坏。东方明珠通过合理的结构体系,实现了建筑造型的突破。创新是社会进步的灵魂,可以说,正是创新思维孕育了东方明珠这一具有震撼力和感染力的优美建筑。结构：先进的结构技术使美贾的建筑成为现实(1)带斜撑的巨型空间筒体框架结构巨型空间框架结构由三个直径为gm的钢筋混凝土筒体、三个直径为7m的钢筋混凝土斜撑和七组共21根大梁组成,结构的平面布置见图1,是一个多次超静定空间结构。超静定结构在抗震方面的优越性,除了表现在多重抗震设防外,还在于设计者可以按强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则设计,有意识地控制塑性出现的位置和顺序,以达到增大延性,必要时丢车保帅的目的。为此,我们在东方明珠的巨型框架横梁内,设置了水平中圈6巨型空间框架结构平面布t圈缝。6m高的横梁相对于gm直径的竖直简体,在比例上是合适的。图1巨型空间框架结构平面布置圈但相对于筒体的壁厚700mm、500mm、350mm则显得太大。虽然在设计中,将横梁在平面上设计成双丫型,以和筒壁有较和顺的连接,但仍有强梁弱柱之嫌。为使大震下塑性铰出现在梁上而不是在筒体上,并考虑到塔的刚度仍偏大的情况(T=6.45,基底剪力/塔重=2.1%),对横梁采取了弱化措施,在横梁中部设水平缝(见图2),一根6m高的梁变形为2根3m高的梁,但保护层及最外一环钢箍仍照常通过,以使得在一般情况下,按6m高的梁受力,刚度好,而在大震下,中缝有错动,按二个3m高的梁计算。图2中部设缝的横粱结构的抗侧体系除巨型框架外,还在筒体夹角的平分面内布置了三根百米长的巨型支撑,与地面呈60交角,支撑和垂直筒体的中心在93m处交汇。巨型支撑的设置,为整个塔体提供了一个直径100m的支承面,并使塔身控制截面的弯矩减小了40%,使高塔从结构的观点上降低了93m。然而这三根巨型支撑在世界建造史上尚无先例,施工的难题差点使本方案失标,为此我们提出了两个可供选择的建议,其一,支撑原位垂直施工,待达到设计强度后,转动到与地面60°夹角的设计位置:其二,将通常采用的钢筋笼改为由型钢组成的劲性钢骨,由劲性骨架悬挂模板,承担施工荷载,这一施工方案被施工单位采纳,确保了施工的顺利进行,见图3。图3劲性骨架代粉钢筋骨架(2)短桩和薄板基础在深厚的软土地基中,怎样保证高塔建筑不至于倾斜?这是一个沉降控制的问题,目前通用的方法是“抗”的办法,例如处于同一场地条件的金茂大厦(高423m),把中900x20的钢管桩,打入地下79m,以获得尽可能小的沉降,这对于当时只有2亿元概算的东方明珠来说是不能接受的。我们走的是另一条路,即“放”的办法,允许它有稍大但较均匀的沉降,因此只打了423根500x500mm的混凝土桩,入土深度48m。我们充分估计到,塔的中央荷载大,斜撑下荷载较小,但在静荷载下是对称的。因此,设计了较浅的桩基,但加强箱基和斜撑,使之构成很强的基座,可以有效地调整中心和边缘的沉降差。实测表明,从施工到士0.00算起,到塔建成后3年,基础中心的沉降为9cm,周边6cm,呈盆状变形,高塔始终保持铅垂状态。仅有3cm的沉降差,△1=1/20,所增加的结构内力是不大的。来访者往往对这样高的塔,其底板厚度仅有1.5m难于置信,因为它和一般高层建筑基础2~3m相比显得太薄了(北京某大楼基础板厚,原设计13.5m,后改为9.5m)。其实诀窍只是在于合理布置结构。在和建筑设计协调并尽量不影响使用的情况下,我们在箱基内设计了环向和径向的混凝土墙,而将绝大部分桩布置在墙下,基础底板主要承受均布的水土反力。设计技巧的合理运用,为建设节约了大量资金。(3)钢天线的顶升设计作为电视塔,东方明珠的顶部设计了一根11Om的天线杆,而钢天线杆的施工从来就是电视塔建设的难题,无论用直升飞机起吊(多伦多塔)还是用拔杆安装(北京塔)都遇到过很大的困难。考虑到这点,我们设计了顶升法施工的钢桅杆,把11Om长的钢桅杆,分成11节,在地面上组装,用20束钢绞线从35Om高空(混凝土桅杆顶)吊下,20个机器人(计算机控制的千斤顶)沿着它攀升,同时把天线杆带上去(见图4),仅花10天的时间,就完成了攀升和安装。图4机器人沿铜绞线攀升,并提升天线杆(4)悬挂结构和愚挑结构同时应用许多人问两个漂亮的大球是怎样做出来的。东方明珠上球45m直径,9层1万平方米,采用双重悬挂结构,犹如一把张开的巨伞,单筒内埋设钢环,筒内楼板作横隔,钢环伸出12个耳朵,安装悬挑钢屋架,吊挂柱子,支承楼板(见图5)。关键技术是尽可能使构造简单,析架和钢环梁的连结以及柱与析架的连结,都仅使用一个销子(见图6),使施工安装非常方便,半个多小时就可安装一福析架。另一关键技术是充分考虑受拉的吊柱和受压的筒体间的变形差,在静荷载下的变形完成后,再连结吊柱和它底下的斜撑,使得结构变形协调,减少次应力,并避免楼板倾斜。十二福悬挑析架,吊九层楼板,是我国目前最多层最高的悬挂结构。5Om直径的下球,下端和三个竖及三根斜撑相交,上端和三个竖筒及中筒相交,支承条件十分复杂。我们在球的底部设计了一个锥形的混凝土碗,碗底和6个筒体整浇在一起,解决了复杂的支承关系,碗边支承48根折线形柱子,支托析架和楼板.在受力复杂的地方,加大安全度以覆盖一些难于预料的问题。初步设计时,它是一个截球碗壳,在大量的内力分析之后,施工图改成为锥壳,使得复杂的内力变得简单。为减少碗边沿的水平位移,通常的作法是沿环向加预应力箍,我们在此基础上,对锥壳顶面的楼板施加法向预应力,它的受力更加直接而明确,取得了很好的效果。图5悬挑12榀钢屋架图1Ф200的销子连接析架、钥环粱和柱结语：技术创新意味着突破常规,走前人没有走的路,必然承担着一定的风险,这就要求技术创新具有严格的科学态度。