台北101大楼·抗震结构分析 台北101是一栋蕴含高科技的现代化大楼 ...

台北101大楼·抗震结构 台北101是一栋蕴含高科技的现代化大楼 ... 台北101大楼?抗震结构分析 台北101是一栋蕴含高科技的现代化大楼，其工程结构复杂先进。因为台湾于地震高发带，所以我会具体介绍101的抗震设计。可 以毫不惭愧的说:101的抗震设计是设计第一的。 1.先进技术带来完美结构 三大功能规划是安全、防灾、质量，并以前瞻设计的建物自动化、办公室自动化、通讯自动化使本建筑成为高科技汇集点。 超高标准抗风制震设计 我们以远超过建筑法规高层建筑的10倍防震标准，1000年回归期的耐震强度设计，实际可承受2500年一遇之10级以上大地震，在抗风设计上则可承受相当于17级以上之强烈台风。地质钻探侦测也证实信义路毫无断层通过。另外采用先进制震设备，800吨抗风制震，风阻尼器，自动计算摇晃幅度、自行调整移动方向，确保大楼 内人员之舒适性。 专业严谨结构设计 每 8层建构为一组，自主构成的空间，使超高层大楼的结构，如一栋11层的组合建筑，提供最大稳定度。以八大巨型钢骨梁柱为骨干，围绕周边，兼具强度及韧性。并采用远超过一般建筑要求之一万磅高性能混凝土，强化建筑结构。 多重防灾安全系统 大楼每层均设置安全避难走道。每8层设置先进观念的安全舱、防火避难室及避难阳台。采用不燃无烟装修，消防专用蓄水池、灭火排烟设备、无线电通信设备，并设置最新侦测警报系统与安全多回路系统。三重防灾的隔绝系统、烟控系统及避难系统，提供完整迅捷的防灾避难设备。 无障碍、最高速的沟通 最先进宽带网络、超时代性的信息流量容量，能提供本大楼使用者每人可达1000Mega Bite的网络频宽。双系统、双备援、多路由光纤骨干配送到户，附加微波传送及卫星传送系统，网络通讯绝不中断在楼层上下交通方面，采用全世界最高速的双层电梯系统，除考虑安全与舒适性之外，确保人员输送之最佳效率。 2.具体工程结构 台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101两大建筑所需克服的问题。为了评估地震对台北101所产生的影响，地质学家陈斗生开始探查工地预定地附近的地质结构，探钻4号发现距台北101 200米左右有一处10米厚的断层。依据这些资料，国家地震工程研究中心建立了大小不同的模型，来仿真地震发生时，大楼可能发生的情形。为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏，台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成。 但是良好的弹性，却也让大楼面临微风冲击，即有摇晃的问题。抵销风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器，而大楼外形的锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%风所产生的摇晃。 台北101打地基的工程总共进行了15个月，挖出70万吨土，基桩由382根钢筋混凝土构成。中心的巨柱为双管结构，钢外管，钢加混凝土内管，巨柱焊接花了约两年的时间完成。台北101所使用的钢至少有5种，依不同部位所设计，特别调制的混凝土，比一般混疑土强度强60%。 调质阻尼器 为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃(大楼内设置了“调谐质块阻尼器”(tuned mass damper，又称“调质阻尼器”)，是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。据台北101告示牌所言，这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。 防震措施方面，台北101采用新式的“巨型结构”(megastructure)，在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3公尺、宽2.4公尺，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。 直径5.5米世界第一 3.台北101大楼的耐震及抗风设计 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 101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至马尼拉海沟。因此板壳运动持续进行而不同规模的震仍然发生频繁，而有别于一般超高层大楼以抗风设计为其主要，台北101大楼耐震设计的重要性与抗风设计相当。 TAIPEI101大楼的耐震措施，除参考内政部所颁布的耐震设计外，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101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 101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，对应于设计震谱之 475年回归期设计震度 Z=0.23g，故此阶 段对应之设计震度为 0.23x1.25/4.5=0.064g。 (2)回归期 100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0.13g。 (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 0.39g。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，101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所示之高韧性接头主要是将梁柱接头的形式配合弯矩强度的需求进行断面修正。结构耐震检核最后则以 2500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(PGA)500gal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(500gal>400gal)。 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，还委托加拿大 Rowan WilliamsDavies&IrwinInc.(RWDI) 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 600m内的风场环境模型，以 10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?3000地形模型中进行边界层风洞试验 (Boundarylayerwindtunneltest)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(High-frequencyforce-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 5~10月都受到台风的威胁，对于 TAIPEI101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 5cm/sec，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 10m高度、10min平均风速为 39.93m/s。 (3)当 100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 10m高度、10min平均风速为 43.27m/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 6.2cm/sec,如统计时包含台风的影响时则提2高为 7.4cm/sec，均已超出台湾相关法规所建议的 5cm/sec，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(TunedMassDamper)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 3为风阻尼器设置位置的规划而于 87~92层间设置球形质量块，图 2及图 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 φ90mm的高强度钢索透过支架(Cradle)托住球体质量块的下半部，而将 660t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(PrimaryViscousDamper)以达到消能减振之目的，直径约为 5.5m的球体质量块共由 41层厚度125mm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 2.1~5.5m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(BumperRing)及 8组防撞油压式阻尼器(SnubberDamper)，一旦质量块振幅超过 1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒(BumperPin)则会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。 此外台北 101大楼建造高度为 448m，该高度为一般使用层之顶板(TopofRoof)高程。由于本工程因配合建筑造型，结构尺寸自 91F(EL.390.6m)逐渐退缩，101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 60m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100年内的疲劳强度需求,尖塔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 2000000次等值疲劳设计载重的振幅范围约可降低40%。 一栋好的建筑，可以改变一个都市的风貌与气质，现在台北 101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 101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 101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。 资料来自1.百度百科 2.台北101大楼的耐震及抗风设计 AseismaticandWind-ResistingDesignforTaipei101? 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) 3. 建筑学报:台北101大楼——李祖原