平安金融中心结构设计
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•Site location
5
•Building area and section organization
6
•Podium roof terrace •Podium atrium
7
•Typical office layout
8
•Top of Tower observation deck
9
•Tower massing: aerodynamic form – tapered tower, stepped and chamfered corners
大震下的应力图
51
施工阶段结构验算
本工程施工周期较长，项目所在地台风频发，因此有必 要进行施工期间的抗风分析。按照上述施工步骤，伸臂桁架 腹杆等构件后安装，后安装之前结构侧向刚度较弱，是一个 比较不利的阶段，考虑在此阶段进行抗风分析。 刚度和强度满足以下性能设计指标：强度和刚度验算时取10 年一遇风荷载，最大层间位移角按1/500控制。
38
空间带状桁架设计
带状桁架采用空间带状桁架。 考虑竖向地震。 中震弹性设计。 桁架上、下弦杆、腹杆地震作用效应放大1.5倍。 杆件应力比小于等于0.85。 带状桁架设计不靠虑巨型斜撑的作用。
39
巨型斜撑设计
中震弹性设计。 地震作用效应放大1.3倍。 杆件应力比小于等于0.85。 考虑模拟施工、混凝土收缩、徐变对其的影响。
12
2、风工程研究
13
平安金融中心风洞试验由RWDI 完成
• To assess the wind environment around the site in terms of safety and comfort • 评估平安金融中心周围的风舒适性与风安全性 • To provide the wind loads for structural design • 提供结构设计风荷载 • To provide the wind pressures for cladding design • 提供幕墙设计风压 • To assess the wind-induced tower motions in terms of serviceability • 评估塔楼风致振动舒适性品质
14
Test Method试验方法 High-Frequency Force Balance Technique (HFFB)高频测力天平技术
Sway Flexure
Building Model
Torsion Flexure
installed on top of the balance
High-Frequency Force Balance
17
4、建筑结构体系发展与演变
18
投标方案
19
结构方案
10层高室内庭院 室内庭院
20
高区建筑平面
低区建筑平面
早期方案
方案报建阶段建筑结构方案
21
5、结构设计
• 结构体系 • 结构抗侧性能分析 • 结构分析主要结果
22
结构体系：巨型柱斜撑框架、伸臂桁架、筒体结构
巨型柱斜撑框架： 巨型柱、巨型斜撑、七道带状桁架、V形支撑 伸臂桁架： 四道伸臂桁架 筒体： 底部钢板混凝土剪力墙、 上部型钢混凝土剪力墙
Force Balance Model
15
Test Method试验方法 Full Aeroelastic Model Tests气动弹性模型试验
Shell to simulate aerodynamic shape Metal spine to simulate stiffness Spine and shell together to simulate mass distribution
36
巨型柱设计
混凝土强度等级小于等于C70。 采用型钢混凝土巨型柱。 型钢含钢率大于等于4%。 纵筋配筋率大于等于1.2%。 箍筋体积配箍率大于等于1.0%。 中震弹性设计。 轴压比小于等于0.65。
37
伸臂桁架设计
伸臂桁架贯穿筒体。 伸臂桁架设计不考虑楼板的贡献。 伸臂桁架与筒体连接在主楼施工完成后再连接，释放附加应力。 中震不屈服设计。
模型
M0 : 全部抗侧力体系 M1 : 去掉伸臂桁架 M2 : 去掉带状桁架
顶点位移
697 mm 808 mm 725 mm
刚度减少
16% 4%
M3 : 去掉巨型斜撑
M4 : 去掉V形支撑 M5 : 去掉刚接钢梁
746 mm
732 mm 704 mm
7%
5% 1%
43
改善巨型结构承担剪力方案
SLOPED MEGA COLUMN
Ping An IFC
1
平安金融中心
1、项目概述 2、风工程研究 4、建筑结构体系发展与演变 5、结构设计
2
1、项目概述
3
PROJECT GOALS • Create a tower form which is not only iconic, but intelligent and environmentally responsible.
46
巨柱内埋型钢及钢筋布置
47
型钢混凝土巨型柱柱脚设计
图5 结构实体构件图
48
巨形型钢混凝土柱脚承载力校核还未有明确的计算依据，为了确保结 构设计的安全可靠，采用通用有限元软件ABAQUS对该巨型柱柱脚受力性 能进行有限元分析。巨柱混凝土C70，承台混凝土采用C40。
49
巨形柱、带状桁架、伸臂桁架的连接节点分析
32
平面布置—办公层
T2 T3 T5 T7
TG
TF
TC
TB
33
机电/避难层
T2
13,180m
T3
30,000m
T5
13,180m
T7
1.5米宽角桁架
TG来自百度文库
13,180m
TF
外伸臂桁架
30,000m
楼面水平支撑
TC
13,180m
空间周边双桁架
角部刚接梁
TB
34
结构设计原则及相应措施
35
筒体设计
混凝土强度等级小于等于C60。 底部加强区采用钢板混凝土剪力墙、上部型钢混凝土剪力墙。 筒体角部及剪力墙相交出全高设置型钢。 中震弹性设计。 大震受剪弹性。 部分连梁设置型钢。 轴压比小于等于0.5。
40
结构抗侧性能分析
在50年风力作用下，以结构顶点位移为衡量标准
每次仅去除抗侧力体系的一个组成部分 采用刚性楼盖假定
各模型的刚度变化皆为与初始模型相比
41
全部结构 697
去掉伸臂桁架 808
去掉带状桁架 725
去掉巨型斜撑 746
去掉V形支撑 732
去掉刚接钢梁 704
顶点位移
42
抗侧力体系各部分对侧向刚度的贡献
16
Assumed structural damping ratios 结构阻尼比假定
Strength Design 强度设计 2.0% and 4.0% for 100-year winds Serviceability Design (checking deflection)使用阶段品质验算 (位移 验算) 2.0% for 50-year winds without auxiliary dampers (Chinese Standard); Serviceability Design (checking occupants’ comfort level)使用阶段 品质验算 (居住舒适性验算) 1.0% for 1 to 10-year winds without auxiliary dampers;
10
Project status
•Foundation stone Laying ceremony August 29th, 2009 •EPD submission October 30th, 2009 •CD submission November 31th, 2010
11
•Architecture, Structure, MEP Integration and Optimization– “Swiss Watch”
1，单向规范风作用下最大层间位移角1/898，出现在第88层， 底层层间位移角1/15665，540m标高屋面水平位移437mm。 2，构件应力小于设计强度，满足强度要求。
52
钢筋混凝土收缩徐变的影响
收缩徐变模式采用CEB-FIP(90)
含钢率影响
s c F0 Ac 1 s ' c As ES c c 1 n 上式中： 构件含钢率
不含倾斜巨柱轴 力分量的外框剪 力 21% 25% 22% 15% 15% 12% 14% 21% 20%
增加巨型斜撑后，巨型框架承担的剪力相应增加约20%以上。
45
节点设计
节点分析和设计的基本原则及目标是：
采用“强节点弱构件” 的设计原则。 正常使用状态、小震和风荷载作用下节点处于弹性状态。 在中震下节点保持弹性。 在大震下节点不破坏，个别节点进入屈服工作阶段。 采用ABAQUS进行节点分析与设计。
23
建筑与结构的和谐共存
24
单层带状桁架
巨型斜撑框架
单层带状桁架
双层带状桁架
单层带状桁架
7道带状桁架
双层带状桁架
双层带状桁架
单层带状桁架
25
伸臂桁架
二层高伸臂桁架
二层高伸臂桁架
4道伸臂桁架
二层高伸臂桁架
二层高伸臂桁架
26
型钢筒体
Z7
13层以上型钢混凝土剪力墙
Z6
Z5
Z4
Z3 Z2
12层以下钢板混凝土剪力墙
Z1
27
=
+
+
28
劲性混凝土核心筒 +型混凝土巨柱 +钢外伸臂 +空间周边双桁架 +巨型斜撑 +V形支撑
29
巨型斜撑框架 轴侧图
30
重力体系—办公层
钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系 重力荷载由八根超级型钢混凝土组合柱，钢筋混凝土核心筒和V形支撑传 递到底部基础
31
设备/避难层
钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系 周边桁架转换来自重力柱的荷载到八根巨柱
DIA BRACE
X-BRACE
44
巨型框承架担剪力占楼层总剪力的比例 区
加入巨型斜撑前
八区 七区 六区 五区 四区 三区 二区 一区 裙房区 20% 21% 6% 2% 2% 2% 7% 42% 41%
加入巨型斜撑后
21% 25% 22% 15% 15% 12% 14% 51% 49%
巨型框架承担的 剪力增加百分比 5% 19% 260% 650% 650% 500% 110% 21% 20%
n 钢材与混凝土弹性模量的比值
53
混凝土收缩徐变引起巨柱内型钢和混凝土内力重分配，型钢 部分承担的轴力增加，但不影响巨柱的极限承载力 投入使用20年后，竖向荷载作用下型钢的应力为154MPa， 小于设计强度，较不考虑收缩徐变大54 MPa。
160 140 120
应力(MPa)
100 80 60 40 20 0 100天 2年 5年 8年 11年 14年 17年 20年 仅考虑弹性变形 考虑弹性变形、收缩、徐变
• Minimize the use of energy and materials by designing an aerodynamic form and efficient structure.
PAIFC is applying for LEED Gold status.
4
Design overview
50
大震作用下，部分杆件开始出现局部屈 服，但未达到极限强度。最高应力发生 在外伸臂斜杆与节点板相交处局部区域， 最高应力约为395N/mm2。
由伸臂桁架、周边桁架、巨型斜支撑及 巨柱钢骨连接而成的节点在给定的地震 作用下的有限元分析结果可知，在设防 烈度作用下，节点区应力未达到屈服， 伸臂桁架和周边桁架各杆件也未屈服。 在罕遇地震作用下，伸臂桁架以及伸臂 桁架与巨柱钢骨连接处的应力较大，部 分杆件开始屈服，但未达到极限强度
底部巨柱中型钢轴向应力随时间变化
54
THANK YOU!
55
5
•Building area and section organization
6
•Podium roof terrace •Podium atrium
7
•Typical office layout
8
•Top of Tower observation deck
9
•Tower massing: aerodynamic form – tapered tower, stepped and chamfered corners
大震下的应力图
51
施工阶段结构验算
本工程施工周期较长，项目所在地台风频发，因此有必 要进行施工期间的抗风分析。按照上述施工步骤，伸臂桁架 腹杆等构件后安装，后安装之前结构侧向刚度较弱，是一个 比较不利的阶段，考虑在此阶段进行抗风分析。 刚度和强度满足以下性能设计指标：强度和刚度验算时取10 年一遇风荷载，最大层间位移角按1/500控制。
38
空间带状桁架设计
带状桁架采用空间带状桁架。 考虑竖向地震。 中震弹性设计。 桁架上、下弦杆、腹杆地震作用效应放大1.5倍。 杆件应力比小于等于0.85。 带状桁架设计不靠虑巨型斜撑的作用。
39
巨型斜撑设计
中震弹性设计。 地震作用效应放大1.3倍。 杆件应力比小于等于0.85。 考虑模拟施工、混凝土收缩、徐变对其的影响。
12
2、风工程研究
13
平安金融中心风洞试验由RWDI 完成
• To assess the wind environment around the site in terms of safety and comfort • 评估平安金融中心周围的风舒适性与风安全性 • To provide the wind loads for structural design • 提供结构设计风荷载 • To provide the wind pressures for cladding design • 提供幕墙设计风压 • To assess the wind-induced tower motions in terms of serviceability • 评估塔楼风致振动舒适性品质
14
Test Method试验方法 High-Frequency Force Balance Technique (HFFB)高频测力天平技术
Sway Flexure
Building Model
Torsion Flexure
installed on top of the balance
High-Frequency Force Balance
17
4、建筑结构体系发展与演变
18
投标方案
19
结构方案
10层高室内庭院 室内庭院
20
高区建筑平面
低区建筑平面
早期方案
方案报建阶段建筑结构方案
21
5、结构设计
• 结构体系 • 结构抗侧性能分析 • 结构分析主要结果
22
结构体系：巨型柱斜撑框架、伸臂桁架、筒体结构
巨型柱斜撑框架： 巨型柱、巨型斜撑、七道带状桁架、V形支撑 伸臂桁架： 四道伸臂桁架 筒体： 底部钢板混凝土剪力墙、 上部型钢混凝土剪力墙
Force Balance Model
15
Test Method试验方法 Full Aeroelastic Model Tests气动弹性模型试验
Shell to simulate aerodynamic shape Metal spine to simulate stiffness Spine and shell together to simulate mass distribution
36
巨型柱设计
混凝土强度等级小于等于C70。 采用型钢混凝土巨型柱。 型钢含钢率大于等于4%。 纵筋配筋率大于等于1.2%。 箍筋体积配箍率大于等于1.0%。 中震弹性设计。 轴压比小于等于0.65。
37
伸臂桁架设计
伸臂桁架贯穿筒体。 伸臂桁架设计不考虑楼板的贡献。 伸臂桁架与筒体连接在主楼施工完成后再连接，释放附加应力。 中震不屈服设计。
模型
M0 : 全部抗侧力体系 M1 : 去掉伸臂桁架 M2 : 去掉带状桁架
顶点位移
697 mm 808 mm 725 mm
刚度减少
16% 4%
M3 : 去掉巨型斜撑
M4 : 去掉V形支撑 M5 : 去掉刚接钢梁
746 mm
732 mm 704 mm
7%
5% 1%
43
改善巨型结构承担剪力方案
SLOPED MEGA COLUMN
Ping An IFC
1
平安金融中心
1、项目概述 2、风工程研究 4、建筑结构体系发展与演变 5、结构设计
2
1、项目概述
3
PROJECT GOALS • Create a tower form which is not only iconic, but intelligent and environmentally responsible.
46
巨柱内埋型钢及钢筋布置
47
型钢混凝土巨型柱柱脚设计
图5 结构实体构件图
48
巨形型钢混凝土柱脚承载力校核还未有明确的计算依据，为了确保结 构设计的安全可靠，采用通用有限元软件ABAQUS对该巨型柱柱脚受力性 能进行有限元分析。巨柱混凝土C70，承台混凝土采用C40。
49
巨形柱、带状桁架、伸臂桁架的连接节点分析
32
平面布置—办公层
T2 T3 T5 T7
TG
TF
TC
TB
33
机电/避难层
T2
13,180m
T3
30,000m
T5
13,180m
T7
1.5米宽角桁架
TG来自百度文库
13,180m
TF
外伸臂桁架
30,000m
楼面水平支撑
TC
13,180m
空间周边双桁架
角部刚接梁
TB
34
结构设计原则及相应措施
35
筒体设计
混凝土强度等级小于等于C60。 底部加强区采用钢板混凝土剪力墙、上部型钢混凝土剪力墙。 筒体角部及剪力墙相交出全高设置型钢。 中震弹性设计。 大震受剪弹性。 部分连梁设置型钢。 轴压比小于等于0.5。
40
结构抗侧性能分析
在50年风力作用下，以结构顶点位移为衡量标准
每次仅去除抗侧力体系的一个组成部分 采用刚性楼盖假定
各模型的刚度变化皆为与初始模型相比
41
全部结构 697
去掉伸臂桁架 808
去掉带状桁架 725
去掉巨型斜撑 746
去掉V形支撑 732
去掉刚接钢梁 704
顶点位移
42
抗侧力体系各部分对侧向刚度的贡献
16
Assumed structural damping ratios 结构阻尼比假定
Strength Design 强度设计 2.0% and 4.0% for 100-year winds Serviceability Design (checking deflection)使用阶段品质验算 (位移 验算) 2.0% for 50-year winds without auxiliary dampers (Chinese Standard); Serviceability Design (checking occupants’ comfort level)使用阶段 品质验算 (居住舒适性验算) 1.0% for 1 to 10-year winds without auxiliary dampers;
10
Project status
•Foundation stone Laying ceremony August 29th, 2009 •EPD submission October 30th, 2009 •CD submission November 31th, 2010
11
•Architecture, Structure, MEP Integration and Optimization– “Swiss Watch”
1，单向规范风作用下最大层间位移角1/898，出现在第88层， 底层层间位移角1/15665，540m标高屋面水平位移437mm。 2，构件应力小于设计强度，满足强度要求。
52
钢筋混凝土收缩徐变的影响
收缩徐变模式采用CEB-FIP(90)
含钢率影响
s c F0 Ac 1 s ' c As ES c c 1 n 上式中： 构件含钢率
不含倾斜巨柱轴 力分量的外框剪 力 21% 25% 22% 15% 15% 12% 14% 21% 20%
增加巨型斜撑后，巨型框架承担的剪力相应增加约20%以上。
45
节点设计
节点分析和设计的基本原则及目标是：
采用“强节点弱构件” 的设计原则。 正常使用状态、小震和风荷载作用下节点处于弹性状态。 在中震下节点保持弹性。 在大震下节点不破坏，个别节点进入屈服工作阶段。 采用ABAQUS进行节点分析与设计。
23
建筑与结构的和谐共存
24
单层带状桁架
巨型斜撑框架
单层带状桁架
双层带状桁架
单层带状桁架
7道带状桁架
双层带状桁架
双层带状桁架
单层带状桁架
25
伸臂桁架
二层高伸臂桁架
二层高伸臂桁架
4道伸臂桁架
二层高伸臂桁架
二层高伸臂桁架
26
型钢筒体
Z7
13层以上型钢混凝土剪力墙
Z6
Z5
Z4
Z3 Z2
12层以下钢板混凝土剪力墙
Z1
27
=
+
+
28
劲性混凝土核心筒 +型混凝土巨柱 +钢外伸臂 +空间周边双桁架 +巨型斜撑 +V形支撑
29
巨型斜撑框架 轴侧图
30
重力体系—办公层
钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系 重力荷载由八根超级型钢混凝土组合柱，钢筋混凝土核心筒和V形支撑传 递到底部基础
31
设备/避难层
钢梁及压型钢板加钢筋混凝土面层组合楼板体系 周边桁架转换来自重力柱的荷载到八根巨柱
DIA BRACE
X-BRACE
44
巨型框承架担剪力占楼层总剪力的比例 区
加入巨型斜撑前
八区 七区 六区 五区 四区 三区 二区 一区 裙房区 20% 21% 6% 2% 2% 2% 7% 42% 41%
加入巨型斜撑后
21% 25% 22% 15% 15% 12% 14% 51% 49%
巨型框架承担的 剪力增加百分比 5% 19% 260% 650% 650% 500% 110% 21% 20%
n 钢材与混凝土弹性模量的比值
53
混凝土收缩徐变引起巨柱内型钢和混凝土内力重分配，型钢 部分承担的轴力增加，但不影响巨柱的极限承载力 投入使用20年后，竖向荷载作用下型钢的应力为154MPa， 小于设计强度，较不考虑收缩徐变大54 MPa。
160 140 120
应力(MPa)
100 80 60 40 20 0 100天 2年 5年 8年 11年 14年 17年 20年 仅考虑弹性变形 考虑弹性变形、收缩、徐变
• Minimize the use of energy and materials by designing an aerodynamic form and efficient structure.
PAIFC is applying for LEED Gold status.
4
Design overview
50
大震作用下，部分杆件开始出现局部屈 服，但未达到极限强度。最高应力发生 在外伸臂斜杆与节点板相交处局部区域， 最高应力约为395N/mm2。
由伸臂桁架、周边桁架、巨型斜支撑及 巨柱钢骨连接而成的节点在给定的地震 作用下的有限元分析结果可知，在设防 烈度作用下，节点区应力未达到屈服， 伸臂桁架和周边桁架各杆件也未屈服。 在罕遇地震作用下，伸臂桁架以及伸臂 桁架与巨柱钢骨连接处的应力较大，部 分杆件开始屈服，但未达到极限强度
底部巨柱中型钢轴向应力随时间变化
54
THANK YOU!
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