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1 CTBUH Technical Paper Subject: Paper Title: Author(s): Affiliation(s): Building Case Study / Architecture/Design / Structural Engineering Haihang International Plaza, Tower A, Main Building s Supertall Structural Design Xu, Fujiang & Sheng, Ping Beijing Institute of Architectural Design Publication Date: 2012 Original Publication: Paper Type: CTBUH 9 th World Congress Shanghai 2013 Proceedings 1. Book chapter/part chapter 2. Journal paper 3. Conference proceeding 4. Unpublished conference paper 5. Magazine article 6. Unpublished Council on Tall Buildings and Urban Habitat/Author(s)

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3 PO5 Structural Engineering 结 构 工 程 Shijiazhuang. 石 家 庄. Nanchang. 南 昌. Changsha. 长 沙. Mecca. 麦 加. Fuzhou. 福 州. Kyoto. 京 都. Dubai. 迪 拜. Nanning. 南 宁. Ningbo. 宁 波. Tokyo. 东 京. Seoul. 首 尔. Osaka. 大 阪. Jakarta. 雅 加 达. Delh 德 里. Manila. 马 尼 拉. Mumbai. 孟 买. Shanghai. 上 海. Calcutta. 加 尔 各 答. Tehran. 德 黑 兰. Karachi. 卡 拉 奇. Dhaka. 达 卡. Istanbul. 伊 斯 坦 布 尔. Beijing. 北 京. Bangkok. 曼 谷. Nagoya. 名 古 屋. Hong Kong. 香 港. Taipei. 台 北. Chongqing. 重 庆. Tianjin. 天 津. Chennai. 钦 奈. Guangzhou. 广 州. Shenyang. 沈 阳. Bangalore. 班 加 罗 尔. Ho Chi Minh City. 胡 志 明 市. Hyderabad. 海 德 拉 巴. Lahore. 拉 合 尔. Mumbai. 孟 买. Singapore. 新 加 坡. Wuhan. 武 汉. Harbin. 哈 尔 滨. Busan. 釜 山. Fukuoka. 福 冈. Kuala Lumpur. 吉 隆 坡. Yangon. 仰 光. Pune. 浦 那. Bandung. 万 隆. Surabaya. 泗 水. Riyadh. 利 雅 得. Ahmadabad. 阿 默 达 巴 德. Yokohama. 横 滨. Ankara. 安 卡 拉. Tashkent 塔 什 干. Chengdu. 成 都. Dalian. 大 连. Pyongyang. 平 壤. Nanjing. 南 京. Hangzhou. 杭 州. Taegu. 大 丘. Xian. 西 安. Tel Aviv. 特 拉 维 夫. Jeddah. 吉 达. Qingdao. 青 岛. Amman. 安 曼. Kaohsiung. 高 雄. Hanoi. 河 内. Jinan. 济 南. Incheon. 仁 川. Colombo. 科 伦 坡. Istanbul. 伊 斯 坦 布 尔. Hong Kong. 香 港. Seoul. 首 尔 Makati. 马 卡 蒂.ku. 巴 库. Kunming. 昆 明. Guiyang. 贵 阳. Beirut. 布 鲁 特. Shijiazhuang. 石 家 庄. Nanchang 南 昌. Shanghai. 上 海. Mecca. 麦 加. Fuzhou. 福 州. Kyoto. 京 都. Dubai. 迪 拜. Nanning. 南 宁. Ningbo. 宁 波. Datong. 大 同. Abu Dhabi. 阿 布 扎 比. Hefei. 合 肥. Singapore. 新 加 坡. Cebu. 宿 务. Ulsan. 蔚 山. Phnom Penh. 金 边. Wuxi. 无 锡. Shenzhen. 深 圳. Jerusalem. 耶 路 撒 冷. Nantong. 南 通. Kuala Lumpur. 吉 隆 坡. Suzhou. 苏 州. Wenzhou. 温 州. Kuwait City. 科 威 特 城. Makati. 马 卡 蒂. Doha. 多 哈. Bucheon. 富 川 Goyang. 高 阳. Hwaseong. 华 城. Abu Dhabi. 阿 布 扎 比. Tokyo. 东 京. Seoul. 首 尔. Osaka. 大 阪. Jakarta. 雅 加 达. Delhi. 德 里. Manila. 马 尼 拉. Mumbai. 孟 买. Shanghai. 上 海. Calcutta. 加 尔 各 答. Tehran. 德 黑 兰 Karachi. 卡 拉 奇. Dhaka. 达 卡. Istanbul. 伊 斯 坦 布 尔. Beijing. 北 京. Bangkok. 曼 谷. Nagoya. 名 古 屋. Hong Kong. 香 港. Taipei. 台 北. Chongqing. 重 庆. Tianjin. 天 津. Chennai. 钦 奈. Baghdad. 巴 格 达. Shenyang. 沈 阳. Bangalore. 班 加 罗 尔. Ho Chi Minh City. 胡 志 明 市. Hyderabad. 海 德 拉 巴. Lahore. 拉 合 尔. Guang zhou. 广 州. Singapore. 新 加 坡. Wuhan. 武 汉. Harbi 哈 尔 滨. Busan. 釜 山. Fukuoka. 福 冈. Kuala Lumpur 吉 隆 坡. Yangon. 仰 光. Pune. 浦 那. Bandung. 万 隆. Surabaya. 泗 水. Riyadh. 利 雅 得. Ahmadabad. 阿 默 达 巴 德. Yokohama. 横 滨. Ankara. 安 卡 拉. Tashkent 塔 什 干. Chengdu. 成 都. Dalian. 大 连. Pyongyang. 平 壤. Nanjing. 南 京. Hangzhou. 杭 州. Taegu. 大 丘. n. 西 安. Tel Aviv. 特 拉 维 夫. Dubai. 迪 拜. Qingdao. 青 岛. Goyang. 高 阳. Amman. 安 曼. Kaohsiung. 高 雄. Hanoi. 河. Jinan. 济 南. Incheon. 仁 川. Colombo. 科 伦 坡. Phnom Penh. 金 边. Guangzhou. 广 州. Kabul. 喀 布 尔. Ningbo. 宁 波. Baku. 巴 库. Kunming. 昆 明. Guiyang. 贵 阳. Beirut. 布 鲁 特. Colombo. 科 伦 坡. Zhengzhou. 郑 州. Changsha. 长 沙. Wuhan. 武 汉. Fuzhou. 福 州. Kyoto. 京 都. Dubai. 迪 拜. Nanning. 南 宁. Ningbo. 宁 波. Chengdu. 成 都. Hyderabad. 海 得 拉 巴. Beijing. 北 京. Chongqing. 重 庆. Cebu. 宿 务. Ulsan. 蔚 山. Phnom Penh. 金 边. Wuxi. 无 锡. Shenzhen. 深 圳. Tokyo. 东 京. Nantong. 南 通. Busan. 釜 山. Suzhou. 苏 州. Wenzhou. 温 州. Kuwai

4 Haihang International Plaza, Tower A, Main Building s Supertall Structural Design 海 航 国 际 广 场 A 座 主 楼 超 高 层 结 构 设 计 Fujiang Xu Ping Sheng First-name Last-name Fujiang Xu & Ping Sheng Beijing Institute of Architectural Design No.62 Nan Li Shi Road, Xicheng District Beijing, China, tel ( 电 话 ): +86 (10) fax ( 传 真 ): +86 (10) ( 电 子 邮 箱 ): xufjbiad@126.com; sp @126.com Fujiang Xu is currently the Vice Principal Engineer in the 1S2 Office of the Beijing Institute of Architectural Design. He has participated in the structural design of many major projects such as the New Guangzhou Train Station, the Haihang International Plaza, and the Taiyuan Crowne Plaza. He has also publishedmany significant technical papers. 徐 福 江 先 生 现 任 北 京 市 建 筑 设 计 研 究 院 1S2 工 作 室 副 主 任 工 程 师, 参 与 过 新 广 州 火 车 站 海 航 国 际 广 场 太 原 皇 冠 假 日 等 多 项 结 构 设 计 工 作, 并 发 表 学 术 论 文 多 篇 Mr. Sheng, Ping is currently the Deputy Chief Engineer in the Structural Department of the Beijing Institute of Architectural Design (BIAD) and a member of the Concrete and Pre-Stressed Concrete Committee in the Chinese Civil Engineering Society. He has directed the structural design of many famous projects such as the New Guangzhou Train Station, the Haihang International Plaza, the Beijing Arboretum, the Film Museum, the Taiyuan Crowne Plaza, and the Poly Wangjing Office Tower. He has also published many significant technical papers. 盛 平 先 生 现 任 北 京 市 建 筑 设 计 研 究 院 结 构 专 业 副 总 工 程 师, 中 国 土 木 工 程 学 会 混 凝 土 及 预 应 力 混 凝 土 分 会 委 员 会 委 员, 主 持 过 新 广 州 火 车 站 海 航 国 际 广 场 北 京 植 物 园 电 影 博 物 馆 太 原 阳 光 皇 冠 假 日 保 利 望 京 写 字 楼 等 多 项 结 构 设 计 工 作, 并 发 表 过 多 篇 学 术 论 文 Abstract The Main Building of Tower A of the Haihang International Plaza is a 54-story out-of-code supertall structure which uses a CFST (Concrete-Filled Steel Tube) structure and a set of outriggers in level 17, 32 and 51 with circular trusses to enhance the lateral stiffness of the structure. Based on this out-of-code structure case, this paper examines the performance objectives and technical solutions to the project. Results from the elastic analysis and elastoplastic time-history analysis show that all the calculated indexes meet the requirement and the entire design meets code standards. Keywords: Supertall Structure, Structural Design, Outrigger 摘 要 海 航 国 际 广 场 A 座 主 楼 为 54 层 的 超 限 高 层 结 构, 采 用 钢 管 混 凝 土 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 结 构 体 系, 在 和 51 层 设 置 了 伸 臂 桁 架 和 环 向 桁 架 以 提 高 结 构 的 侧 向 刚 度 针 对 结 构 的 超 限 情 况, 提 出 了 性 能 目 标 和 超 限 技 术 措 施 弹 性 分 析 和 弹 塑 性 时 程 分 析 表 明, 工 程 各 项 计 算 指 标 比 较 理 想, 整 体 设 计 满 足 规 范 要 求 关 键 词 : 超 高 层 结 构, 结 构 设 计, 伸 臂 桁 架 Project Overview Haihang International Plaza is located in the Jinmao District in Haikou, Hainan Province and faces the Qiongzhou Strait in the north. This project complex consists of Tower A, Tower B, and an annex with a total building area of 215,000 square meters. Tower A has a 54-story new structure where the height of its main structure is meters. In addition, the lower levels of Tower A are used for luxury office spaces while the upper levels are used as a five-star hotel. Refuges and mechanical systems are set in level 17, 32 and 51. After the reconstruction of the original structure, Tower B currently has a seventeen-story main building and 5-story extension wing functioning as an office building and auxiliary facilities of the hotel. Tower A, B and the annex have the same three-story basements that do not have permanent deformation joints. Above ground, the annex is connected to Tower B but separated from Tower A by a joint, thus there exists two independent structural systems. Please refer to Figure 1 for the engineering rendering and Figure 2 for the section drawing. 工 程 概 况 海 航 国 际 广 场 位 于 海 南 省 海 口 市 金 贸 区, 北 临 琼 州 海 峡, 由 A 座 B 座 和 裙 房 组 成, 总 建 筑 面 积 21.5 万 m 2 A 座 为 54 层 新 建 结 构, 结 构 主 体 高 度 223.6m, 下 部 为 5A 级 高 档 写 字 楼, 上 部 为 五 星 级 酒 店 在 17 层 32 层 和 51 层 设 置 了 避 难 层 和 设 备 转 换 层 B 座 主 楼 17 层, 裙 房 5 层, 在 原 有 结 构 基 础 上 改 造, 主 要 功 能 为 写 字 楼 和 酒 店 附 属 设 施 A 座 B 座 及 裙 房 的 地 下 室 均 为 三 层, 未 设 永 久 变 形 缝 ; 在 地 上,B 座 主 楼 与 裙 房 连 为 一 体, 而 A 座 主 楼 与 B 座 主 楼 及 裙 房 设 缝 分 开, 为 两 个 独 立 的 结 构 单 元 工 程 效 果 图 请 见 图 1, 剖 面 图 请 见 图 2 A 座 主 楼 的 设 计 使 用 年 限 为 50 年, 结 构 安 全 等 级 为 一 级, 抗 震 设 防 烈 度 为 8 度, 设 计 基 本 地 震 加 速 度 为 0.30g, 设 计 地 震 分 组 为 第 一 组 场 地 类 别 为 Ⅱ 类, 但 覆 土 厚 度 接 近 于 Ⅰ 类 场 地 与 Ⅱ 类 场 地 的 分 界 线, 特 征 周 期 插 值 计 算 为 0.31s 重 现 期 100 年 的 基 本 风 压 为 0.90 KN/m 2, 地 面 粗 糙 度 取 A 类 795

5 Figure 1. Rendering of Haihang International Plaza (Source: Fujiang Xu) 图 1. 海 航 国 际 广 场 效 果 图 ( 出 自 : 徐 福 江 ) Figure 2. Profile of Haihang International Plaza (Source: Fujiang Xu) 图 2. 海 航 国 际 广 场 剖 面 图 ( 出 自 : 徐 福 江 ) Tower A is designed to have a 50-year service life, first-grade safety classification, eight-degrees of seismic fortification intensity, and a seismic acceleration of 0.30g, which places the design of the earthquake classification to the first group. The site classification belongs to Category II, but the thickness of the cover soil is close to the dividing line between Category I and Category II while the characteristic period interpolation is 0.31s.The fundamental wind pressure in a 100-year recurrence period is 0.90 KN/m 2 with the surface roughness belonging in Class A. 结 构 体 系 A 座 主 楼 平 面 呈 枣 核 形, 高 宽 比 约 为 5.0, 核 心 筒 高 宽 比 约 为 14.7, 典 型 标 准 层 平 面 结 构 图 请 见 图 3 采 用 带 有 加 强 层 的 钢 管 混 凝 土 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 结 构 体 系, 楼 面 为 钢 梁 + 钢 筋 桁 架 组 合 楼 盖, 在 外 框 架 的 四 个 角 部 设 置 了 防 屈 曲 耗 能 支 撑 现 浇 混 凝 土 核 心 筒 是 主 要 抗 侧 构 件, 承 担 了 绝 大 部 分 的 倾 覆 弯 矩 和 水 平 剪 力 在 核 心 筒 内 设 置 了 构 造 钢 骨 柱 和 钢 骨 梁 一 方 面, 内 置 钢 骨 框 架 方 便 了 核 心 筒 与 楼 面 钢 梁 的 连 接, 另 一 方 面 也 大 幅 提 高 了 结 构 的 抗 震 性 能 结 构 底 部 核 心 筒 外 侧 墙 厚 为 1500mm, 至 顶 部 收 进 为 500mm 底 部 混 凝 土 强 度 为 C60, 上 部 混 凝 土 强 度 为 C50 外 框 架 作 为 结 构 抗 震 体 系 的 第 二 道 防 线, 在 承 担 竖 向 荷 载 的 同 时, 也 抵 抗 了 部 分 倾 覆 弯 矩 和 水 平 剪 力 框 架 柱 采 用 钢 管 混 凝 土 柱, 底 部 楼 层 框 架 柱 的 截 面 为 2.05m 1.35m, 顶 部 楼 层 柱 截 面 为 1.05m 0.85m, 含 钢 率 约 为 10% 左 右 与 混 凝 土 柱 相 比, 钢 管 混 凝 土 柱 构 件 截 面 小, 有 效 地 提 高 了 建 筑 使 用 面 积 施 工 速 度 快, 虽 然 结 构 费 用 较 钢 骨 混 凝 土 柱 稍 高, 但 利 于 施 工 及 工 期 的 缩 短, 带 来 的 经 济 效 益 更 大, 对 超 高 层 结 构 而 言 更 是 如 此 框 架 梁 和 楼 面 梁 均 为 钢 梁, 楼 面 主 楼 主 梁 与 框 架 柱 刚 接, 与 核 心 筒 铰 接, 楼 面 次 梁 两 端 铰 接 框 架 梁 主 要 截 面 为 H , 楼 面 梁 的 主 要 截 面 为 H 钢 柱 与 钢 梁 的 材 料 均 选 用 Q345B 为 了 提 高 结 构 的 侧 向 刚 度, 利 用 建 筑 的 避 难 层, 在 第 17 层 32 层 和 51 层 设 置 了 加 强 层 加 强 层 的 伸 臂 结 构 采 用 桁 架 形 式, 楼 层 通 高, 并 贯 穿 核 心 筒 剪 力 墙 加 强 层 平 面 布 置 图 和 伸 臂 桁 架 立 面 图 请 见 图 4 和 图 5 结 构 X 向 刚 度 较 大, 因 此 伸 臂 桁 架 仅 沿 Y 向 布 置 同 时, 在 加 强 层 外 围 设 置 了 楼 层 通 高 的 环 向 桁 架, 加 强 了 周 边 框 架 柱 的 联 系 伸 臂 桁 架 与 环 向 桁 架 共 同 作 用, 使 周 边 框 架 更 有 效 地 发 挥 了 抗 侧 性 能, 以 满 足 结 构 侧 向 位 移 要 求 海 航 国 际 广 场 A 座 主 楼 结 构 高 度 223.6m, 是 目 前 我 国 大 陆 8 度 半 抗 震 设 防 地 区 的 最 高 建 筑, 因 此, 为 了 确 保 结 构 在 地 震 下 的 安 全, 本 工 程 按 照 超 限 审 查 委 员 会 的 意 见, 采 用 了 消 能 减 震 措 施, 在 上 部 楼 层 的 四 个 角 部 设 置 了 防 屈 曲 耗 能 支 撑, 而 下 部 楼 层 的 角 部 由 于 相 对 位 移 较 小, 未 设 置 防 屈 曲 耗 能 支 撑, 而 以 普 通 钢 支 撑 替 代 防 屈 曲 耗 能 支 撑 具 有 较 高 的 刚 度 和 良 好 的 滞 回 耗 能 能 力 在 地 震 作 用 时, 防 屈 曲 耗 能 支 撑 耗 散 部 分 地 震 能 量, 从 而 减 少 结 构 主 体 构 件 的 损 伤 本 工 程 持 力 层 为 中 风 化 玄 武 岩 层, 地 基 承 载 力 特 征 值 为 2500kPa, 基 础 采 用 平 板 式 筏 板 基 础 Structural System The plan of Tower A resembles a date pit with a height to width ratio of 5.0 and approximately 14.7 for the core. Please see figure 3 for the structural plan drawing for the standard floor. Steel beam and steel truss composite floor slab systems are applied to the floor construction. The CFST (Concrete-Filled Steel Tube) structure system has a strengthened arrangement used in the structure with buckling restraining braces that are added at four corners on the outer frame. Figure 3. Plan of the standard floor (Source: Fujiang Xu ) 图 3. 典 型 标 准 层 平 面 图 ( 出 自 : 徐 福 江 ) 796

6 The cast-in-place concrete core is the major lateral resisting component which bears most of the overturning moments and horizontal shear. In addition, steel columns and beams were set up in the core. On one hand, the built-in steel frame makes it easier for the core and the floor-beam connections. On the other hand, it increases the seismic performance of the structure. The sidewall of the core at the bottom of the structure has a thickness of 1500mm, which decreases to 500mm at the top. The concrete strength is C60 at the bottom and C50 at the top. As the second defense line of the seismic structural systems, the outer frame bears vertical loads and resists part of the overturning moments and horizontal shear forces. CFST columns are used for the frame with a cross-sectional area of 2.05m 1.35m for the lower floors and 1.05m 0.85m for the upper floors which all contain a steel ratio of approximately 10%. In comparison to concrete columns, these CFST columns have a smaller cross section which reduces structure area and decrease the construction time. Even though the CFST columns cost more than normal steel reinforced concrete columns, the shorter construction period will compensate with greater economic benefits, especially for supertall buildings. Both frame beams and floor beams are made of steel. The floor girders are rigidly connected to the frame columns and pinned with the core tubes. The floor sub-beams are also connected in hinged joints at both ends. The main cross-sectional area of the frame beams is H 800 x 400 x 24 x 36; the main cross-sectional area of the floor beams is H 700 x 300 x 16 x 28 for the floors. The steel columns and beams are made of Q345B steel material. In order to increase the lateral stiffness of the structure and take advantage of the refuge at the same time, strengthened floors are set in the 17th-story, 32nd-story and 51st-story. The outriggers in the strengthened floors are using one-story-high trusses reaching all the way into the shear walls in the core. Please see figure 4 for the plan of the strengthened floor and figure 5 for an elevation of the outrigger. The structural stiffness is stronger in the x-direction so the outriggers are only set in the y-direction. Additionally, circular trusses are arranged on the strengthened boundary layers and reach all the way to the floor which improves its connection to the frame columns. The reliability of outriggers and circular trusses ensures a more effective lateral resistance performance in order to fulfill the lateral displacement requirement of the structure. The Haihang International Plaza Tower A has a m main structure which is currently the tallest building in the M8.5 earthquake fortification area in China. To ensure structural safety under earthquakes, this project has taken advice from the supertall out-of code committee and has applied seismic energy dissipation measures and arranged buckling restraining braces on four corners in the upper levels. However, regular steel braces are used in the lower floors instead because of the relatively small displacements. Buckling restraining braces have great stiffness and hysteretic energy which can consume seismic energy and prevent major structural components from failure during earthquakes. A bearing stratum is used in this project for the intermediate weathered basalt layer with a foundation bearing capacity value of 2500 kpa for the basic usage of a flat plate raft foundation. Supertall Structural Situations and Technical Solutions Supertall Out-of-Code Structural Situations The main building structure of Tower A is 223.6m exceeding 150m the maximum height limit of a composite structure in a M8 seismic Figure 4. Plan of the strengthened floor (Source: Fujiang Xu ) 图 4. 加 强 层 平 面 图 ( 出 自 : 徐 福 江 ) Figure 5. Elevation of the outrigger (Source: Fujiang Xu) 图 5. 伸 臂 桁 架 立 面 图 ( 出 自 : 徐 福 江 ) 结 构 超 限 情 况 及 技 术 措 施 结 构 超 限 情 况 A 座 主 楼 结 构 高 度 223.6m, 超 过 了 混 合 结 构 8 度 设 防 时 的 最 大 高 度 限 值 150m, 属 于 超 限 高 层 结 构 结 构 的 平 面 基 本 规 则, 扭 转 周 期 比 为 0.85, 位 移 比 为 1.19 而 竖 向 则 同 时 存 在 着 刚 度 突 变 和 承 载 力 突 变 的 情 况 加 强 层 的 下 一 层, 即 16,31,50 层 的 承 载 力 均 小 于 上 一 层 的 75%, 属 于 竖 向 承 载 力 突 变 ; 酒 店 的 大 堂 层 设 在 结 构 的 层, 层 高 较 高, 侧 向 刚 度 小 于 上 面 三 层 侧 向 刚 度 平 均 值 的 80%, 属 于 竖 向 刚 度 突 变 此 外, 结 构 的 东 西 两 侧 首 层 入 口 局 部 拔 柱, 通 过 斜 撑 结 构 进 行 转 换, 竖 向 构 件 不 连 续 因 此, 本 结 构 属 于 平 面 基 本 规 则, 竖 向 不 规 则 的 超 限 复 杂 高 层 结 构 性 能 目 标 根 据 本 工 程 的 特 点, 结 构 在 地 震 作 用 下 的 性 能 目 标 请 见 表 1: 超 限 技 术 措 施 针 对 本 工 程 的 超 限 情 况, 在 结 构 设 计 中 采 取 了 以 下 技 术 措 施 : 底 部 加 强 区 的 竖 向 构 件 在 大 震 下 按 照 抗 弯 不 屈 服, 抗 剪 弹 性 验 算 ; 转 换 构 件 按 中 震 弹 性 验 算, 包 括 转 换 斜 撑 和 斜 撑 下 框 架 柱, 并 在 大 震 下 确 保 不 屈 服 ; 将 底 部 加 强 区 的 框 架 抗 震 等 级 提 高 为 特 一 级 ; 外 框 架 采 用 钢 管 混 凝 土 柱, 内 核 心 筒 设 置 构 造 钢 骨 框 架, 提 高 结 构 的 延 性 ; 在 外 框 架 角 部 设 置 防 屈 曲 耗 能 支 撑, 提 高 结 构 的 耗 能 能 力 ; 加 强 层 及 其 相 邻 层 的 核 心 筒 的 配 筋 加 强, 箍 筋 全 高 加 密, 提 高 延 性 ; 楼 板 厚 度 加 大, 双 层 双 向 配 筋 ; 对 薄 弱 层 的 地 震 剪 力 乘 以 1.15 的 增 大 系 数 ; 采 用 动 力 弹 塑 性 分 析 验 算 结 构 在 罕 遇 地 震 作 用 下 的 变 形 797

7 Seismic Intentsity 地 震 烈 度 Performance Level 性 能 等 级 Story Drift Angle Limit 层 间 位 移 角 限 值 Component Performance 构 件 性 能 Frame Column 框 架 柱 Frame Beam 框 架 梁 Core Coupling Wall 核 心 筒 墙 肢 Core Coupling Beam 核 心 筒 连 梁 Transfer Support 转 换 斜 撑 Buckling Restrained Braces 防 屈 曲 耗 能 支 撑 Frequent Earthquake 多 遇 地 震 Fortifiable Earthquake 设 防 地 震 Rare Earthquake 罕 遇 地 震 No Damage Repairable Demage No Collapse 没 有 破 坏 可 修 复 损 坏 无 倒 塌 1/554-1/100 Standard Requirement, Elasticity No Yield Allowable Plasticity; Meet the Shear-Setion-Control Conditions 不 屈 服 允 许 进 入 塑 性, 满 足 受 剪 截 面 控 制 条 件 Standard Requirement, Elasticity Allowable Yield Allowable Plasticity 允 许 屈 服 允 许 进 入 塑 性 Standard Requirement, Elasticity No Yield Allowable Plasticity,Meet the Shear-Setion-Control Conditions 不 屈 服 允 许 进 入 塑 性, 满 足 受 剪 截 面 控 制 条 件 Standard Requirement, Elasticity Allowable Crack Allowable Plasticity 允 许 开 裂 允 许 进 入 塑 性 Standard Requirement, Elasticity Elasticity No Yield 弹 性 不 屈 服 Elasticity Yield Yield 弹 性 屈 服 屈 服 Table 1. Performance objective under earthquake (Source: Fujiang Xu ) 表 1. 地 震 作 用 下 的 性 能 目 标 ( 出 自 : 徐 福 江 ) zone which makes Tower A an out-of-code supertall structure. The structural plan is essentially normal with a torsion period ratio of 0.85 and a displacement ratio of The stiffness mutation and bearing capacity change also exists in the vertical direction. The floors below the strengthened stories, which are the 16th-story, 31st-story and 50thstory, have a bearing capacity of less than 75% of the strengthened stories above them and they have a vertical bearing capacity of mutation. The hotel lobby is on the 34th and 35th floors and has a vertical stiffness mutation with a lateral stiffness of less than 80% of the average lateral stiffness of the three stories above it. There are no columns on the east and west sides of the entrance and the forces are transferred by the bracing structure, so this can be identified as vertical components that are not continuous. Therefore, the structure of the project has a regular structural plan but an irregular intricate supertall structure in the vertical direction. Performance Objective According to the characteristics of this project, please refer to Table 1 for the performance objectives of the structure under seismic activities: Out-of-Code Technical Solutions Aiming toward the project s supertall conditions, the following technical solutions can be adopted in the structural design: Make sure that vertical members in the strengthened area at the bottom will not yield under bending during major earthquakes, check the shear elasticity; Check the elasticity of transfer components under moderate earthquakes, these include transfer braces and frame columns below it in order to ensure the tower from yielding during a major earthquake; Vibration Mode 振 型 ETABS Period (s) 周 期 (s) Vibration Mode Participation Mass Ratio(%) 振 型 参 与 质 量 比 (%) SATWE Period (s) 周 期 (s) Direction Factor(%) 方 向 因 子 (%) T Ux Uy Rz T Ux Uy Rz % 48.10% 0.70% % 0.00% 0.10% % 0.00% 16.10% Table 2. Period (Source: Fujiang Xu ) 表 2. 周 期 ( 出 自 : 徐 福 江 ) 结 构 计 算 弹 性 分 析 分 别 按 照 场 安 评 报 告 和 抗 震 设 计 规 范 提 供 的 设 计 地 震 动 参 数 对 结 构 进 行 了 计 算 由 于 安 评 报 告 提 供 的 反 应 谱 中 下 降 段 较 快, 按 照 安 评 报 告 提 供 的 设 计 反 应 谱 计 算 得 到 的 地 震 作 用 及 结 构 反 应 要 远 小 于 按 照 规 范 反 应 谱 计 算 的 结 果 因 此, 本 工 程 按 照 规 范 的 设 计 参 数 进 行 抗 震 设 计 分 别 采 用 SATWE 和 ETABS 对 结 构 进 行 了 整 体 计 算, 主 要 结 果 汇 总 请 见 表 2 至 表 4: 从 上 述 结 果 可 以 看 出, 本 工 程 为 地 震 作 用 控 制, 风 荷 载 不 起 控 制 作 用 经 核 算, 风 荷 载 作 用 下 的 顶 点 加 速 度 最 大 值 为 0.14m/s 2, 舒 适 度 满 足 规 范 要 求 结 构 的 周 期 位 移 剪 重 比 等 各 指 标 均 满 足 规 范 的 要 求 Item 项 目 ETABS SATWE Structure Dead Loads (kn) 结 构 总 恒 载 (kn) Structure Live Loads (kn) 结 构 总 活 载 (kn) Total Loads (kn) 总 荷 载 (kn) Direction 方 向 Seismic Action 地 震 作 用 Wind Action 风 作 用 Foundation Shearing Force (kn) 基 底 剪 力 (kn) Foundation Shear- Weight Ratio 基 底 剪 重 比 Foundation overturning moments (kn.m) 基 底 总 倾 覆 弯 矩 (kn.m) Shearing Force in the Basement (kn) 基 底 剪 力 (kn) Foundation overturning moments (kn.m) 基 底 总 倾 覆 弯 矩 (kn.m) Table 3. Actions on the structure (Source: Fujiang Xu ) 表 3. 结 构 作 用 力 ( 出 自 : 徐 福 江 ) X Y X Y % 4.10% 4.20% 3.90%

8 Increase the anti-seismic grade of the strengthened area at the bottom to Primary First Grade; Use CFST columns in the outer frame and steel encased frames in the core to increase ductility in the structure; Use buckling restrained braces on all corners of the outer frame to increase the energy dissipation capacity for the structure; Increase the strength of reinforcing bars and increase the density of the stirrups in the strengthened floors and adjacent floors to improve ductility; increase the thickness of each floor with a two-way reinforcement; Multiply a 1.15 enhancement coefficient to the seismic shear forces in the weak stories; Use dynamic elasto-plastic analysis to calculate the structural deformation during rare earthquakes. Structural Calculations Elastic Analysis Structural calculations are prepared with respect to the on-site safety evaluation report while vibration parameters are provided by the seismic design code. Due to the fast decline in the response spectrum from the safety evaluation report, the calculated results of seismic activities and structural responses are much less than the results provided by the code s response spectrum. Thus, this project s seismic design is created in accordance to the seismic design code. Using SATWE and ETABS to calculate the whole structure, the main results are shown in Table 2-4: The tower is controlled by seismic activities, not by wind loads. After calculations are completed, the maximum acceleration under wind loads is established as 0.14m/s 2 which meets the comfort criteria. The period, displacement, and shear to weight ratio all meet the code requirements as well. Elasto-plastic Analysis The structure is analyzed by a general FEM (Finite Element Method) software ABAQUS. Geometric nonlinearity and material nonlinearity are considered in the analysis taking into account the impact of the construction process on the analysis results. Based on the results from the elasto-plastic time-history analysis, the evaluation of this project s seismic performances during rare earthquakes is as follows: Three groups of Magnitude-8 rare earthquake data and a twoway elasto-plastic time-history analysis show that the maximum roof displacement for the structure is 825mm, maximum story drift ratio is 1/104 which meets the requirement of a stipulated limit of 1/100. Please see figure 6 for the maximum story drift displacement curve. During the entire calculation process, the whole structure is always upright and able to meet the no collapsing during a big earthquake specification; All of the coupling beams undertaking serious damages create a hinged mechanism while playing a dissipating energy consuming role during rare earthquakes; All of the shear walls below the 34th-story take less damage while the shear walls above the 34th-story obtain more failures in the y-direction. It is mainly due to the partial discontinuity of the core tube and high floor height which decreases the lateral Item ETABS SATWE maximum inter-story drift angle 最 大 层 间 位 移 角 floor location 所 在 楼 层 maximum story drift ratio 最 大 层 间 位 移 比 floor location 所 在 楼 层 Seismic Action 地 震 作 用 Table 4. Displacement (Source: Fujiang Xu ) 表 4. 位 移 ( 出 自 : 徐 福 江 ) Wind Action 风 作 用 Seismic Action 地 震 作 用 Wind Action 风 作 用 Y X Y X Y X Y 1/1163 1/580 1/3906 1/1230 1/ 958 1/567 1/2375 1/ 弹 塑 性 分 析 采 用 通 用 有 限 元 软 件 ABAQUS 对 结 构 进 行 了 动 力 弹 塑 性 分 析 在 分 析 时 考 虑 了 几 何 非 线 性 和 材 料 非 线 性, 同 时 也 考 虑 了 施 工 过 程 对 分 析 结 果 的 影 响 根 据 弹 塑 性 时 程 的 计 算 结 果, 对 本 工 程 在 罕 遇 地 震 作 用 下 的 抗 震 性 能 主 要 评 价 如 下 : 三 组 8 度 罕 遇 地 震 记 录 双 向 作 用 下 的 弹 塑 性 时 程 分 析 表 明, 结 构 顶 点 最 大 位 移 825mm, 最 大 层 间 位 移 角 为 1/104, 满 足 规 范 限 值 1/100 的 要 求 最 大 层 间 位 移 角 曲 线 请 见 图 6 整 个 计 算 过 程 中, 结 构 始 终 保 持 直 立, 能 够 满 足 规 范 的 大 震 不 倒 要 求 ; 结 构 中 的 所 有 连 梁 均 破 坏 较 重, 说 明 在 罕 遇 地 震 作 用 下, 连 梁 形 成 了 铰 机 制, 发 挥 了 屈 服 耗 能 作 用 ; 结 构 第 34 层 以 下 的 剪 力 墙 破 坏 较 轻 ; 而 第 34 层 以 上,Y 方 向 剪 力 墙 破 坏 较 重 主 要 是 由 于 该 位 置 核 心 筒 存 在 一 定 程 度 的 不 连 续 及 局 部 层 高 较 大 造 成 的 Y 方 向 侧 向 刚 度 及 承 载 力 削 弱 核 心 筒 剪 力 墙 破 坏 严 重 区 域 请 见 图 7; 结 构 外 框 架 柱 伸 臂 桁 架 和 环 向 桁 架 基 本 保 持 弹 性, 框 架 梁 局 部 进 入 了 塑 性, 但 程 度 不 大 ; 结 构 底 部 的 斜 撑 转 换 构 件 未 出 现 塑 性, 抗 震 性 能 达 到 了 大 震 弹 性 ; 防 屈 曲 耗 能 支 撑 均 进 入 了 塑 性 阶 段, 发 挥 了 耗 能 作 用, 减 少 了 结 构 主 体 构 件 的 损 伤 Figure 6. Curve of maximum inter-story drift displacement (Source: Fujiang Xu) 图 6. 最 大 层 间 位 移 曲 线 ( 出 自 : 徐 福 江 ) 799

9 stiffness and bearing capacity in the y-direction. Please see figure 7 for the location of the major failures in the core tube shear wall; Outer frame columns, outriggers, and circular trusses essentially maintain their elasticity, and parts of the frame beams have some plasticity but do not have a significant impact; The transfer braces at the bottom of the structure have no plasticity which means that the seismic performance has reached its elasticity during severe earthquakes Buckling-restrained braces have entered the plastic stage, producing energy consumption effects, which decrease the destruction of major members. Conclusion The Haihang International Plaza is currently the tallest building under construction in the M8.5 seismic fortification intensity area in mainland China. The complex supertall structure of the building upholds characteristics such as a regular plan, lateral stiffness mutation, partial discontinuity of vertical components, and floor bearing capacity mutation. However, by means of rational structural arrangement and certain performance objectives, the structure achieves excellent seismic performance. According to analysis, each index in the project has met the requirements of codes and standards. Figure 7. Partial failure of the core (Source: Fujiang Xu ) 图 7. 核 心 筒 局 部 破 坏 情 况 ( 出 自 : 徐 福 江 ) 结 论 海 航 国 际 广 场 是 目 前 中 国 大 陆 8 度 半 抗 震 设 防 区 域 在 建 高 度 最 高 的 建 筑, 属 于 平 面 基 本 规 则 侧 向 刚 度 突 变 局 部 竖 向 构 件 不 连 续 楼 层 承 载 力 突 变 的 超 限 复 杂 高 层 结 构 通 过 合 理 布 置 结 构 确 定 性 能 目 标, 并 针 对 结 构 的 超 限 情 况 采 用 相 应 的 技 术 措 施, 使 得 结 构 具 有 良 好 的 抗 震 性 能 分 析 计 算 表 明, 工 程 各 项 指 标 均 满 足 规 范 要 求 References ( 参 考 书 目 ): JGJ Technical Specification for the Structures of Tall Building [S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2002 GB Code for Seismic Design of Buildings (2008 version)[s]. Beijing: China Architecture & Building Press,