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    台北101大楼的耐震及抗风设计_图文

    第 27 卷第 10期 Vo1.27 No.10

    建 筑 施 工

    BU I LDI NG CONSTR U CTI ON

    ●特 稿

    台北 101 大楼的耐震及抗风设计
    As e is m a t ic a n d Win d - Re s is t in g De s ig n fo r Ta ip e i 101
    □ 谢绍松 张敬昌 钟俊宏
    ( 永峻工程顾问(股份)有限公司 中国 台湾) 【 摘 要】台湾地处大地板块交错运动频繁的区域,因此台北 101 大楼不仅要考虑抗风要求,其耐震设计更是重点。由于 采用专利之高韧性接头和改良的调质阻尼器,形成了台北 101 大楼不屈之脊梁。 【 关键词】超高层建筑 台北 101 大楼 巨钢架构 高韧性接头 调质阻尼器 【 中图分类号】 TU973.+3 /文献识别码 A 【 文章编号】1004- 1001( 2005) 10- 0007- 03

    1 耐震设计
    一般超高层大楼以抗风为主的,因此劲度与强度是 最重要的考量,而台湾位处板块交错运动频繁的区域, 因此耐震设计成为台北 1 01 大楼设计的另一项考虑重 点。 1.1 耐震参数研究 台湾地区位处欧亚大陆板块与菲律宾海板块之复杂 交接地带,在台湾的东北部,菲律宾海板块由南向北沿 着琉球海沟向下嵌入欧亚大陆板块下方,而在台湾东南 部,欧亚板块则又引没入菲律宾海板块而一直向东延伸 至马尼拉海沟。因此板壳运动持续进行而不同规模的地 震仍然发生频繁,而有别于一般超高层大楼以抗风设计 为其主要,台北 1 01 大楼耐震设计的重要性与抗风设计 相当。 TA IPEI 1 01 大楼的耐震措施,除参考内政部所颁 布的耐震设计规范外,并委托国立台湾大学与严庆龄工 业发展基金会合设之工业研究中心,研究制定 「各回归 期地震地表加速度」 、 「均布危害度设计震度曲线」 、 「设计震谱」等参数以进行动力分析与设计。因此台北 1 01 大楼的耐震设计参数已考虑各活动断层在不同回归 期所对应的地震规模作用下,工址的加速度反应、结构 物的反应及相关统计需求曲线。 1.2 耐震设计标准 基于安全与经济性的考量,台北 1 01 大楼结构设 计时同时考虑结构劲度、强度与韧性的需求。 (1 )法规标准 (ZI/4.5)之地震作用下,进行弹性分 析以检核结构之劲度是否符合层间变位之要求。而依据 “台北金融中心工址耐震设计参数研究”之建议,对应
    收稿日期】2005- 09- 28 !!!!!【
    2005年 2005年 10 10 月出版 月出版

    于设计震谱之 475 年回归期设计震度 Z=0.23 g,故此阶 段对应之设计震度为 0.23x1 .25/4.5=0.064 g。 (2)回归期 1 00 年之地震作用下,进行弹性分析 与设计以确保结构体的强度在中度地震作用下不受任何 损坏。而依据 “台北金融中心工址耐震设计参数研究” 之建议,如配合研究报告中之”均布危害度设计曲线” , 其对应于设计震谱之设计震度为 0.1 3 g。 (3)回归期 950 年之地震作用下,进行非线性历时 动力分析以确保结构体之韧性在大地震作用下,其韧性 容量需求仍小于规范所要求的 2.5。而依据 “台北金融 中心工址耐震设计参数研究”之建议,其相对之地表加 速度为 0.39 g。所使用的地震历时则包含历年工址附近 测站所收集的强震纪录与设计反应谱相合之人工地震。 在满足抗风设计的需求下,1 01 大楼结构已具基本 的劲度与强度要求,而其结构系统虽以巨形构架系统为 基本概念,但大地震发生时,韧性抗弯构架中柱与柱之 间的梁柱接头仍需形成塑性铰以消散能量,对于需要发 挥韧性的接头则采用国科会专利之高韧性接头以确保梁 柱接头之韧性容量能满足设计需求,而图 1 所示之高韧

    图1

    高韧性接头切割示意图

    性接头主要是将梁柱接头的形式配合弯矩强度的需求进
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    第 10 期

    谢绍松、 张敬昌、 钟俊宏:台北 101 大楼的耐震及抗风设计

    10/2005

    行断面修正。结构耐震检核最后则以 2 500 年回归期的 地震进行非线性动力分析,结果显示经韧性细部处理之 构架亦可满足最大地表加速度 (PG A )500 gal 作用下之结 构稳定要求,而此一震度已达到台湾震度分级中最高的 第 7 级标准 (500 gal>400 gal ) 。

    高为 7.4 cm/sec2,均已超出台湾相关法规 所 建 议 的 5 cm/sec2,因此基于舒适度的需求,本大楼必须有额外的 阻尼系统或消能装置以减低塔楼受风时的摇晃程度,经 提出多种减振装置之评估后,选择调质阻尼器 (Tuned M ass D amper)以解决风力舒适性的问题,而随着大楼受 风力而摆动的钟摆式调质阻尼器同时成为建筑师空间表 现的另一项特点,调质阻尼器设置的位置与造型配合建 筑空间的规划而于 87 ̄ 92 层间设置球形质量块,图 2 及 图 3 为风阻尼器设置位置及其基本构造图,类似单摆之 被动式调质阻尼系统系由 8 组 φ90 mm 的高强度钢索透 过支架(Cr adle)托住球体质量块的下半部,而将 660 t 的 载重悬吊支承于 92 层结构,支架周围并设置 8 组主要 油压式阻尼器 (Pri mary V i scous D amper)以达到消能减振 之目的,直径约为 5.5 m 的球体质量块共由 41 层厚度 1 25 mm 之圆形钢钣分片吊装至 87 层后电焊组合而成, 各层钢钣之直径则配合球体形状呈约 2.1  ̄ 5.5 m 之尺寸 变化。此外为避免大风及大地震作用时质量块摆幅过 大 , 87 楼 夹 层 楼 板 上 方 另 外 使 用 缓 冲 钢 环 (Bumper amper ),一旦 Ri ng)及 8 组防撞油压式阻尼器 (Snubber D 质量块振幅超过 1 .0 m 时,质量块支架下方的筒状钢棒 (Bumper Pi n)则会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。

    2 抗风设计
    2.1 风力设计参数研究 一般超高层大楼的设计主要都是受到风力的控制, 因此设计风力的条件影响结构设计的结果甚大,而由于 本案为超高层大楼,除参考国内相关风力设计规范外, an 还 委 托 加 拿 大 Row W i lli ams D avi es & Irw i n Inc. (RW D I)研究大楼之风力设计载重,其设计风力之推导源 于风洞试验,系以 1 :500 比例制作工址半径 600 m 内的 风场环境模型,以 1 0 度为单位置入风洞中吹袭以模拟 实际建筑物受风的情形。其中各个角度的风速高度分布 特性则是由 1 ∶3 000 地形模型中进行边界层风洞试验 (Boundary layer w i nd t unnel t est )后而得到大气边界层 风速分布,而结构体模型则是采用高频率力平衡模式 (H i gh- f requency f or ce- balance) ,结构基本风压则是 由应变计所量测到的弯矩扭力和剪力的分布曲线统计回 归而得,并配合结构动力特性计算结构体的加速度反应 后,一并提供设计单位作为设计风力之依据。 2.2 抗风设计标准 台湾每年 5 ̄ 1 0 月都受到台风的威胁,对于 TA IPEI 1 01 而言,建筑结构抗风设计的主要目的在满足日常使 用者的舒适度与强风作用下的结构安全,而依据台湾地 区风力设计规范草案之要求, 本大楼结构之抗风设计必 须考虑: (1 )结构物于半年回归期风速作用时,顶层办公 室楼板所产生的加速度不逾 5 cm/sec2,人员仍可照常办 公无不舒适感。 (2)当 50 年回归期风速之台风发生时,楼层之变 位皆在法规允许范围内,其中地况 C 对应之 1 0 m 高度、 1 0 mi n 平均风速为 39.93 m/s。 (3)当 1 00 年回归期风速之台风发生时,结构体 构件仍处于弹性阶段。地况 C 对应之 10 m 高度、 1 0 mi n 平均风速为 43.27 m/s,设计风力则藉由风洞试 验推算而得。 如前所述,超高层建筑结构之设计除了以安全为首 要考量,还必须考虑舒适性。由风工程顾问所完成的试 验与分析结果显示,在不考虑台风的效应下,大楼顶部 办公楼层 89 楼位置于半年回归期风力作用下的加速度 反应已达到 6.2 cm/sec2,如统计时包含台风的影响时则提
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    图2

    塔楼调质阻尼器设置立面图

    此外台北 1 01 大楼建造高度为 448 m,该高度为 一般使用层之顶板(Top of Roof )高程。由于本工程因配 合建筑造型,结构尺寸自 91 F(EL. 390.6 m) 逐渐退缩, 1 01 屋顶层以上尖塔则为渐变断面的细长形结构其上方 则配合建筑造型之需要而设置 60 m 尖塔,部分平台供 作天线附挂使用; 尖塔顶部则配置避雷针与航空障碍灯。 尖塔的构件除依据大楼的抗风、耐震需求标准进行设计 外,由于尖塔的平面尺寸相对于高度而言相当小,因此 在较小的风速作用下就有造成尖塔的振动,而由于此一 振动使尖塔构件产生应力的反复变化,对于微观上会产 生应力集中的细部或瑕疵都会造成塑性变形,此一效应 会日积月累,一旦材料的韧性不足就会产生裂缝的延 伸,因此疲劳强度的检核亦成为尖塔设计中相当重要的 一环。为满足使用年限 1 00 年内的疲劳强度需求 , 尖塔
    《建筑施工》 第 27 卷

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    谢绍松、 张敬昌、 钟俊宏:台北 101 大楼的耐震及抗风设计

    第 10 期

    顶部亦配合空间限制的条件而设置图 4 所示之两组调质 阻尼器,尖塔阻尼器设置后 2 000 000 次等值疲劳设计 。 载重的振幅范围约可降低 40%

    图3

    大楼调质阻尼器组合构件图 图4 尖塔阻尼器组合构件图

    3 志谢
    一栋好的建筑,可以改变一个都市的风貌与气质, 现在台北 1 01 已然成为台北甚至是亚洲、地球的新地 标,然而我们非常清楚,世界第一高的梦想不断有人追 求,以今日的技术在非地震带上盖一栋更高的大楼并不 困难,因此没有永远的世界第一,但是台北 1 01 大楼 所具有的独特性却是不容易被取代的。 在向空间挑战的竞技中,每一栋超高层大楼的完成 都需要资本、技术与时间的充分配合,因此谁能掌握安 全(可靠度)、经济、舒适性并符合施工性与工期的要领, 谁就能在这舞台上扮演推手的角色。在此由衷感佩本工 程业主的远见与胸襟,并发挥了睿智及毅力成功地完成 了台北 1 01 大楼的兴建,同时培养出一批有超高层设 计经验的菁英,这对于国际上建筑设计与营建技术的提 升显然具有极重大的意义及深远之影响。

    图5

    台北 101 大楼的实景
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    2005年 2005年 10 10 月出版 月出版

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