合景大厦结构设计介绍

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1、? 路路 合景大厦结构设计介绍李盛勇 陈晓航广州容柏生建筑工程设计事务所 RBS Architecture Engineer Design AssociatesRBS 一 、 工 程 概 况 本 工 程 建 设 场 地 位 于 广 州 市 天 河 区 珠 江 新 城 J1-6地 块 ，其 西 侧 为 华 厦 路 ， 南 侧 为 华 就 路 ， 南 距 珠 江 河 流 约500m， 广 州 地 铁 三 号 线 南 北 走 向 在 场 地 西 侧 （ 华 厦 路 ）经 过 。 用 地 面 积 约 7260m2。 主 楼 地 上 38层 ， 屋 顶 标 高为 165.40m（ 未 计 向 上 延 伸

2、 至 198.00m的 外 墙 构 架 ） ；地 下 室 5层 ， 埋 深 20.80m。 总 建 筑 面 积 为 108000m2， 其中 地 下 28660 m2。 地 上 五 层 以 下 为 商 业 用 途 ， 五 层 以上 均 为 办 公 用 途 。 地 下 五 层 为 停 车 库 及 设 备 用 房 ， 其中 地 下 四 、 五 层 兼 作 五 级 人 防 地 下 室 。 工 程 建 设 场 地 各 层 层 高 ： 地 下 五 层 地 下 三 层 均 为 3.5m， 地 下 二层 为 4.3m， 地 下 一 层 为 6.1m； 首 层 5.5m， 二 层 四 层均 为 4.5m， 五

3、 层 二 十 二 层 均 为 4.15m， 二 十 三 二 十五 层 均 为 4.6m， 二 十 六 三 十 五 层 均 为 4.15m， 三 十 六 、三 十 七 层 均 为 8.2m。 裙 房 平 面 呈 L形 ， 长 宽 分 别 为 60.00m、 66.86m； 六 层以 上 平 面 为 长 方 形 ， 长 宽 比 L/B=60.00/24.76 2.42， 不计 裙 房 的 高 宽 比 H/B=(165.4-22.0)/24.76=5.79。 基 础 埋深 与 建 筑 总 高 度 比 值 :20.9/165.4=1/7.9。 建 筑 标 准 层 平 面 本 工 程 有 如 下 特 点

4、 ： 竖 向 交 通 井 位 于 平 面 的 一 侧 ， 抗 侧 力 构 件 的 布 置 需 均 衡 有 效 ， 避免 扭 转 对 结 构 的 不 利 影 响 ； 正 立 面 形 成 两 片 稍 为 外 凸 的 曲 面 幕 墙 ， 建 筑 要 求 框 架 柱 沿 曲 面 边 缘布 置 ， 形 成 弧 形 柱 ； 其 中 一 片 向 上 延 伸 至 屋 顶 以 上 标 高 198.0m处 ，屋 顶 构 架 要 承 受 较 大 大 且 风 振 复 杂 的 风 荷 载 ， 对 主 体 结 构 有 较 大的 影 响 ； 地 下 室 采 用 逆 作 法 施 工 ， 结 构 配 合 基 坑 支 护 设 计

5、 及 逆 作 法 的 施 工要 求 ； 五 层 地 下 室 很 大 的 水 浮 力 ， 采 用 预 应 力 抗 拔 锚 桩 解 决 局 部 浮 力 过 大的 问 题 ； 由 于 基 础 持 力 层 较 深 ， 挖 孔 桩 长 度 远 超 25m， 要 结 合 逆 作 法 施 工 来考 虑 基 础 选 型 ； 超 高 层 钢 结 构 体 系 的 选 择 ， 包 括 钢 管 砼 斜 柱 、 大 跨 度 梁 、 跨 层 支撑 、 偏 轴 支 撑 的 分 析 。 二 、 安 全 等 级 及 抗 震 设 防 本 工 程 设 计 基 准 期 为 50年 ， 结 构 的 设 计 使 用年 限 为 50年 。

6、 建 筑 结 构 的 安 全 等 级 为 一 级 , 地基 基 础 设 计 等 级 为 甲 级 。 本 工 程 的 抗 震 设 防 类 别 为 丙 类 建 筑 ， 本 工 程结 构 设 计 采 用 的 抗 震 设 防 烈 度 和 抗 震 构 造 措 施均 为 7度 。 结 构 阻 尼 比 为 0.02。 三 、 风 荷 载 基 本 风 压 强 度 验 算 时 按 100年 重 现 期 W0=0.6kN/m2考 虑 ， 位 移验 算 时 按 50年 重 现 期 W0=0.5kN/m2考 虑 ， 建 筑 物 地 面 粗 糙 度 类 别为 C类 。 为 配 合 南 立 面 弧 线 的 造 型 ， 本

7、 工 程 在 屋 面 设 有 30m高 的 构 架（ 主 体 幕 墙 向 上 延 伸 ） ， 形 状 复 杂 ， 受 风 力 很 大 。 根 据 高 钢规 JGJ99-98第 4.2.4条 ， 结 构 结 构 风 载 体 型 系 数 应 由 风 洞 试 验确 定 （ 本 工 程 拟 采 用 模 拟 风 洞 试 验 方 法 ） 。 初 步 设 计 阶 段 暂 时按 建 筑 结 构 荷 载 规 范 GB50009-2001第 7.3.1条 取 值 ， 取Us=1.3。 对 于 屋 顶 构 架 ， 按 高 钢 规 JGJ99-98第 4.2.6条 ， 应 计 入 鞭稍 效 应 ， 其 风 振 系 数

8、 根 据 其 作 为 独 立 体 时 的 基 本 自 振 周 期 T u与主 体 建 筑 的 基 本 自 振 周 期 T1的 比 例 来 采 用 。 四 、 作 用 效 应 组 合 根 据 高 层 民 用 建 筑 钢 结 构 技 术 规 程 JGJ99-98的 规 定 ， 荷 载 效应 与 地 震 作 用 效 应 组 合 的 设 计 值 ， 应 按 下 列 公 式 确 定 ： 1） 无 地 震 作 用 时 2） 有 地 震 作 用 ， 按 第 一 阶 段 设 计 时 （ 多 遇 地 震 作 用 下 的 弹 性 分析 ， 验 算 构 件 的 承 载 力 及 结 构 的 层 间 侧 移 ； 偶 遇

9、 地 震 下 的 弹 性 分析 ， 验 算 构 件 的 承 载 力 ） 为 考 虑 地 震 作 用 时 的 重 力 荷 载 代 表 值 。 3） 第 二 阶 段 抗 震 设 计 （ 罕 遇 地 震 下 的 弹 塑 性 分 析 ， 验 算 结 构 的 层 间 侧 移 和 层 间 侧 移 延 性 比 ） ， 当 采 用 时 程 分 析 法 验 算 时 ， 不 计入 风 荷 载 ， 其 竖 向 荷 载 取 重 力 荷 载 代 表 值 。 WWWkQQkQQkGG CQCQCGCS 222111EG kWWWEvkEvEvEkEEEGG CFCFCGCS 五 、 结 构 体 系1） 结 构 形 式 的

10、 确 定 本 项 目 结 构 形 式 通 过 实 地 调 研 、 参 考 有 关 文 献 、 经 过 充 分 比 较 、 结 合广 州 地 区 实 际 ， 并 考 虑 建 筑 要 求 和 业 主 的 投 资 能 力 确 定 采 用 圆 钢 管 混 凝土 柱 框 架 钢 支 撑 结 构 体 系 。2） 结 构 方 案 的 优 化 结 构 方 案 控 制 原 则 ： 刚 度 、 强 度 、 舒 适 度 、 延 性 满 足 规 范 要 求 。 小 震作 用 下 ， 主 、 次 结 构 均 要 求 处 于 弹 性 阶 段 ， 满 足 小 震 不 坏 的 目 标 ； 中 震作 用 下 ， 主 体 结 构

11、 基 本 处 于 弹 性 状 态 ， 无 损 坏 或 损 坏 程 度 小 ， 次 结 构 有一 定 程 度 损 伤 ， 但 损 伤 程 度 为 可 修 复 ， 修 复 时 不 会 对 主 体 结 构 的 稳 定 性和 安 全 性 造 成 很 大 影 响 ； 大 震 作 用 下 ， 地 震 能 量 主 要 依 靠 次 要 构 件 耗 散 ，少 数 抗 侧 力 构 件 出 现 塑 性 铰 ， 整 体 结 构 内 力 重 分 布 ， 结 构 整 体 仍 具 有 一 定 的 抗 侧 刚 度 ， 继 续 工 作 。 设 置 部 分 偏 心 支 撑 ， 在 支 撑 与 柱 之 间 或 支 撑 与 支 撑

12、之 间 形 成 耗 能 梁 段 。在 大 震 作 用 下 通 过 耗 能 梁 段 的 弹 塑 性 变 形 耗 能 ， 保 证 支 撑 不 屈 曲 。 高 出 屋 面 的 幕 墙 拟 采 用 钢 桁 架 结 构 ， 并 设 置 部 分 粘 弹 性 消 能 阻 尼 器 ，以 起 到 减 少 风 振 和 在 地 震 作 用 下 耗 能 的 作 用 。 3） 受 力 体 系 本 工 程 采 用 圆 钢 管 混 凝 土 框 架 钢 支 撑 结 构 体 系 ， 框 架 柱 采用 圆 钢 管 混 凝 土 柱 ， 支 撑 体 系 采 用 跨 层 形 矩 形 钢 管 支 撑 、 层 内人 字 形 及 V字 形

13、热 轧 或 焊 接 H型 钢 支 撑 ， 框 架 梁 采 用 热 轧 或 焊 接 H型 钢 与 闭 口 型 或 缩 口 型 压 型 钢 板 组 合 楼 板 的 组 合 形 式 。 利 用 钢 支 撑 作 为 主 要 抗 侧 力 构 件 ， 钢 框 架 主 要 承 担 竖 向 荷 载 。钢 柱 与 钢 梁 节 点 采 用 刚 性 连 接 ， 钢 支 撑 与 钢 管 连 接 节 点 构 造 按 刚性 连 接 ， 计 算 时 按 铰 接 ， 主 次 梁 节 点 为 铰 接 ， 框 架 梁 及 次 梁 弹 性分 析 时 考 虑 楼 板 的 组 合 效 应 。 由 于 建 筑 使 用 功 能 的 限 制

14、 ， 设 置 了 支 撑 的 电 梯 和 楼 梯 间 偏 向平 面 Y向 上 侧 ， 使 结 构 刚 度 中 心 偏 移 。 为 此 采 用 尽 量 强 化 （ D） 轴刚 度 ， 弱 化 （ E） 轴 刚 度 ， 此 外 在 平 面 Y向 两 侧 各 设 立 一 道 X形 支撑 ， 以 加 强 结 构 的 弱 向 刚 度 及 抗 扭 能 力 。 建 筑 立 面 在 X方 向 前 面为 两 片 不 同 曲 率 的 弧 形 面 ， 因 此 ， 在 该 立 面 的 结 构 柱 也 按 建 筑 立面 的 要 求 而 呈 弧 线 形 。 这 使 得 结 构 杆 件 的 受 力 比 较 复 杂 。 (D

15、)(E) 支 撑 部 分 支 撑 立 面 布 置 示 意 图 4） 楼 面 体 系 楼 面 梁 采 用 Q345B钢 梁 ， 梁 跨 度 约 在 9 18m之 间 ， 楼 板 采 用闭 口 型 或 缩 口 型 压 型 钢 板 组 合 楼 板 以 及 局 部 的 现 浇 混 凝 土 楼 板 ，通 过 抗 剪 栓 钉 将 楼 板 和 主 次 梁 连 为 整 体 ， 钢 梁 与 混 凝 土 之 间 的 剪力 ， 靠 设 置 栓 钉 来 传 递 ， 同 时 ， 栓 钉 可 作 为 压 型 钢 板 与 钢 梁 固 定连 接 件 。 钢 次 梁 的 设 计 按 照 钢 -混 凝 土 组 合 梁 设 计 ，

16、 将 混 凝 土 楼 板 作 为钢 次 梁 受 压 翼 缘 的 一 部 分 ， 可 以 明 显 减 小 钢 梁 的 断 面 ， 提 高 钢梁 的 刚 度 ， 减 小 钢 次 梁 的 挠 度 。 在 优 化 中 对 次 梁 的 断 面 ， 根 据跨 度 ， 分 别 采 用 不 同 的 断 面 形 式 和 断 面 大 小 ， 以 达 到 节 约 材 料的 目 的 。 对 所 有 的 次 梁 按 照 组 合 梁 来 设 计 ， 根 据 梁 的 跨 度 ， 将其 分 为 两 类 ： 跨 度 大 于 11米 的 梁 采 用 上 翼 缘 较 宽 较 薄 、 下 翼 缘较 厚 的 截 面 形 式 ， 以 获

17、 得 较 大 混 凝 土 有 效 面 积 ， 充 分 发 挥 混 凝土 的 抗 压 能 力 ， 减 小 用 钢 量 。 对 11m以 下 的 组 合 梁 ， 钢 梁 部 分采 用 热 轧 H型 钢 梁 ， 以 减 小 制 作 的 工 作 量 ， 加 快 工 程 的 施 工 进度 。 钢 框 架 梁 仅 跨 中 部 分 按 照 钢 -混 凝 土 组 合 梁 设 计 。 六 、 结 构 弹 性 计 算 及 设 计 验 证 1、 程 序 介 绍 SATWE是 一 个 为 现 代 多 、 高 层 建 筑 设 计 的 空 间 组 合 结 构 有限 元 分 析 软 件 ， 较 好 地 解 决 了 剪 力

18、墙 和 楼 板 的 模 型 化 问 题 ，使 简 化 模 型 尽 可 能 地 合 理 ， 能 更 好 地 反 映 出 结 构 地 真 实 受力 状 态 。 它 适 用 于 高 层 和 多 层 钢 筋 砼 框 架 、 框 架 剪 力 墙 、剪 力 墙 结 构 ， 以 及 高 层 钢 结 构 或 钢 砼 混 合 结 构 。 ETABS是 一 个 完 善 且 易 于 使 用 的 建 筑 结 构 专 用 分 析 和 设计 程 序 ， 具 有 一 流 的 集 成 于 通 用 数 据 库 中 的 建 模 、 分 析 和设 计 功 能 。 它 能 处 理 包 括 广 泛 的 非 线 性 效 应 在 内 的

19、， 巨 大且 极 其 复 杂 的 建 筑 模 型 。 它 提 供 了 中 国 规 范 的 验 算 功 能 。 2、 结 构 计 算 分 析 本 工 程 地 面 以 上 采 用 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 编 制 的PKPM系 列 SATWE 分 析 程 序 进 行 计 算 分 析 。 结 构 计 算考 虑 双 向 地 震 作 用 、 扭 转 耦 连 、 重 力 二 阶 效 应 及 施 工模 拟 ， 振 型 数 取 15个 （ 以 有 效 质 量 系 数 90 控 制 ） ，结 构 计 算 总 层 数 为 45层 （ 屋 顶 构 架 的 7层 作 为 提 供 质 量和 导 风 荷 载 之

20、 用 ， 该 部 分 结 构 另 行 专 门 设 计 ， 其 位 移亦 不 在 结 构 整 体 中 作 比 较 ） 。 人 防 地 下 室 另 作 计 算 。 本 工 程 采 用 美 国 CSI公 司 的 ETABS计 算 分 析 程 序 中国 规 范 版 进 行 设 计 验 证 ， 并 将 计 算 结 果 与 SATWE的 结果 进 行 比 较 。 本 工 程 还 采 用 上 述 两 个 程 序 对 结 构 进 行 多 遇 地 震（ 小 震 ） 和 偶 遇 地 震 （ 中 震 ） 下 的 弹 性 时 程 分 析 ， 作为 补 充 计 算 （ 根 据 抗 规 5.1.2条 表 5.1.2-1规

21、 定 ） ， 按 建筑 场 地 类 别 （ 类 场 地 ） ， 设 计 地 震 分 组 为 第 一 组 ，以 及 地 震 选 波 按 三 要 素 （ 频 谱 特 性 、 有 效 峰 值 和 持 续时 间 ） ， 选 用 由 广 东 省 智 源 工 程 抗 震 科 技 公 司 提 供 的Gdata.632、 Gdata.630两 组 本 场 地 模 拟 的 人 工 地 震 波 ，以 及 各 一 组 类 场 地 实 际 多 遇 地 震 强 震 记 录 TAFT2波 代入 程 序 计 算 ， 阻 尼 比 为 0.02， 考 虑 周 期 折 减 0.95。 结 构 计 算 结 果 表 明 ： 两 个

22、程 序 计 算 结 果 相 当 吻 合 ，结 构 周 期 及 位 移 符 合 规 范 要 求 ， 结 构 体 系 选 择 适 当 ，剪 重 比 适 中 ， 构 件 截 面 取 值 合 理 。 3、 有 关 技 术 指 标 如 下 ：1） 前 15个 振 型 的 自 振 周 期 （ 秒 ） （ 表 中 *表 示 第 一 扭 转 周 期 Tt） 周 期 号 T1 T2 T3* T4 T5 T6 T7 T8SATWE自 振 周 期 (s) 5.22 4.35 3.76 1.76 1.10 0.98 0.92 0.71SATWE平 动 系 数 1 0.98 0.05 0.99 0.82 0.35 0.

23、86 0.65Etabs自 振 周 期 (s) 5.25 4.34 3.76 1.83 1.10 1.00 0.95 0.69 Etabs平 动 系 数 1.00 1.00 0.01 1.00 0.74 0.30 0.71 0.97周 期 号 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15SATWE自 振 周 期 (s) 0.65 0.53 0.51 0.47 0.45 0.42 0.37SATWE平 动 系 数 0.79 0.72 0.92 0.19 0.91 0.76 0.96Etabs自 振 周 期 (s) 0.59 0.53 0.48 0.48 0.41 0.39 0.34Eta

24、bs平 动 系 数 0.65 0.74 0.61 0.14 0.65 0.85 0.98 结 构 整 体 空 间 振 动 前 三 个 振 型 简 图 如 下 图 所 示 ： （ a） 第 一 振 型 （ X向 一 阶 平 动 ） （ b） 第 二 振 型 （ Y向 一 阶 平 动 ） （ c） 第 三 振 型 （ 扭 转 ） 2） 风 荷 载 和 地 震 作 用 下 结 构 的 最 大 层 间 位 移 角 见 下 表 : 层 间 位 移 角 作 用 SATWE ETABS X向 Y向 X向 Y向风 荷 载 1/787 (24层 ) 1/420 (24层 ) 1/981 (24层 ) 1/476

25、 (24层 )地 震 反 应谱 作 用 1/544 (24层 ) 1/586 (24层 ) 1/544 (24层 ) 1/591 (24层 )TAF-2 1/1341 (30层 ) 1/2404 (24层 ) 1/684 （ 30层 ） 1/2188 （ 33层 ）Gdata.630 1/2990 （ 24层 ） 1/3482 （ 35层 ） 1/2985 （ 31层 ） 1/4201 （ 27层 ） Gdata.632 1/2794 （ 24层 ） 1/2929 （ 32层 ） 1/2985 （ 25层 ） 1/2793 （ 33层 ） 说 明 ： l 风 荷 载 作 用 下 楼 层 层 间

26、 最 大 位 移 与 层 高 之 比 U/h 1/400， 满足 “ 高 钢 规 ” 第 5.5.1条 ； 地 震 荷 载 作 用 下 层 间 位 移 与 层 高 之 比 U/h 1/300， 满 足 “ 抗 规 ” 第 5.5.1条 ， 按 弹 性 方 法 计 算 时 对 结构 水 平 位 移 限 值 及 刚 度 控 制 的 要 求 。 l 风 荷 载 作 用 下 层 间 位 移 角 的 差 异 主 要 由 于 两 个 程 序 计 算 风 力 方法 不 同 所 导 致 。 l 从 风 荷 载 作 用 下 的 楼 层 位 移 曲 线 可 以 看 出 ， 局 部 位 移 突 变 与 层高 有 关

27、 ， 分 别 为 23层 （ 4.6m） 、 24层 （ 4.6m） 、 36层 （ 8.2m） 、37层 （ 8.2m） 。 同 时 明 显 可 以 看 出 22层 由 于 设 置 伸 臂 桁 架 ， 对 约束 主 体 结 构 的 变 形 和 位 移 量 有 明 显 的 作 用 。 风 荷 载 下 结 构 层 间 位 移 曲 线 如 下 图 所 示 ： 风 荷 载 作 用 下 层 间 位 移 曲 线 （ SATWE） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 5 10 15 位 移 （ mm） 高 度

28、 （ m） X风 Y风 风 荷 载 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 （ ETABS） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 5 10 15 位 移 （ mm） 高 度 （ m） X风 Y风 3） SATWE计 算 的 地 震 作 用 下 楼 层 最 大 位 移 （ 层 间 位 移 ）与 平 均 位 移 （ 平 均 层 间 位 移 ） 的 比 值 ： 考 虑 偶 然 偏 心 影 响 的 地 震 反 应 谱 作 用 下 ， 两 个 计算 程 序 中 楼 层 竖 向 构 件 最 大 弹 性 水 平 位

29、 移 和 层 间 位 移分 别 为 楼 层 两 端 弹 性 水 平 位 移 和 层 间 平 均 位 移 的 1.37和 1.47倍 ， 属 扭 转 不 规 则 平 面 ， 但 均 小 于 1.5倍 ， 满足 “ 抗 规 ” 第 3.4.3-1对 扭 转 不 规 则 的 限 制 。 4） 反 应 谱 作 用 下 基 底 剪 力 、 弯 矩 和 结 构 总 重 （ 不 含 地 下 室 ） ： 基 底 剪 力Q0(kN) 基 底 弯 矩M0(kNm) 总 重Wt(kN) 标 准 层 单 位面 积 重 度（ kN/m2） SATWE X向 9247 964484 592020 10.7(不 考 虑 活

30、 荷载 折 减 )Y向 10165 1025050ETABS X向 9454 978749 593613 10.7(不 考 虑 活 荷载 折 减 ) Y向 10579 1050802 5） SATWE计 算 剪 重 比 的 结 果 ：楼 层 号 X向 剪 重 比 Y向 剪 重 比 楼 层 号 X向 剪 重 比 Y向 剪 重 比37F 4.72% 5.67% 27F 2.91% 3.13%36F 4.37% 5.13% 26F 2.83% 3.03%35F 4.07% 4.73% 25F 2.75% 2.94%34F 3.81% 4.42% 24F 2.68% 2.85%33F 3.59% 4.

31、17% 23F 2.60% 2.78%32F 3.41% 3.95% 22F 2.53% 2.71%31F 3.28% 3.75% 21F 2.47% 2.65%30F 3.18% 3.56% 20F 2.41% 2.60% 29F 3.09% 3.40% 19F 2.36% 2.55%28F 3.00% 3.26% 18F 2.31% 2.49% 楼 层 号 X向 剪 重 比 Y向 剪 重 比 楼 层 号 X向 剪 重 比 Y向 剪 重 比17F 2.26% 2.44% 8F 1.87% 2.01%16F 2.21% 2.38% 7F 1.83% 1.98%15F 2.16% 2.33% 6

32、F 1.79% 1.95%14F 2.11% 2.27% 5F 1.76% 1.92%13F 2.07% 2.22% 4F 1.71% 1.88%12F 2.02% 2.17% 3F 1.66% 1.82%11F 1.99% 2.12% 2F 1.61% 1.77%10F 1.95% 2.08% 1F 1.56% 1.72%9F 1.91% 2.04% 均 满 足 抗 震 规 范 5.2.5 条 要 求 的 X向 楼 层 最 小 剪 重 比 = 1.20%， Y向 楼 层 最 小 剪 重 比 = 1.37%的 要 求 。 6） 层 刚 度 比 ： 各 层 侧 向 刚 度 均 大 于 相 邻 上

33、 一 层 侧 向 刚 度 的 70%， 并 大 于 其 上相 邻 三 层 侧 向 刚 度 平 均 值 的 80%， 满 足 “ 抗 规 ” 第 3.4.2条 侧 向 刚度 规 则 性 要 求 。 7） 风 荷 载 作 用 下 结 构 顺 风 向 和 横 风 向 顶 点 最 大 加 速 度 ：X向 (m/s2) Y向 (m/s2) 顺 风 向 顶 点 最 大 加 速 度 0.092 0.210横 风 向 顶 点 最 大 加 速 度 0.249 0.249 结 构 顺 风 向 和 横 风 向 顶 点 最 大 加 速 度 均 0.28 m/s 2（ 公共 建 筑 ） ， 满 足 “ 高 钢 规 ”

34、第 5.5.1条 对 结 构 舒 适 度 的 要 求 。 4、 多 遇 地 震 （ 小 震 ） 下 的 弹 性 动 力 时 程 分 析 小 震 下 弹 性 动 力 时 程 分 析 选 用 的 地 震 波 见 图 12.11-a、 b、 c所 示 ， 其 中 Gdata.632、 Gdata.630为 两 组 本 场 地 模 拟 的 人 工 地 震 波 ，TAFT2为 类 场 地 实 际 多 遇 地 震 强 震 记 录 ： Gdata.632地 震 波 加 速 度 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 时 间 (s) 地面 运动 加速 度(c m/s* s

35、) Gdata.630地 震 波 加 速 度 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 5 10 15 20 25 时 间 (s) 地面 运动 加速 度( cm/ s*s ) TAFT2地 震 波 加 速 度 -40-30 -20-10 010 2030 40 0 2 4 6 8 10 时 间 (s) 地面 运动 加速 度 (cm /s* s) 弹 性 动 力 时 程 分 析 的 结 果 与 地 震 反 应 谱 按 CQC方 法 分 析 的 结 果比 较 列 于 下 列 各 图 中 。 由 图 中 的 结 构 层 位 移 曲 线 、 层 间 位 移 曲 线 及 层 剪 力 曲 线 可

36、知 ，地 震 反 应 谱 分 析 所 得 地 震 作 用 在 弹 性 阶 段 对 结 构 变 形 起 控 制 作 用 。而 沿 高 度 分 布 的 层 剪 力 在 不 同 地 震 波 作 用 下 在 顶 部 有 一 定 的 差 异 ，故 在 施 工 图 设 计 中 将 取 各 地 震 作 用 下 层 剪 力 的 最 大 值 来 验 算 结 构构 件 的 强 度 。 X向 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 （ SATWE） 010 2030 4050 6070 8090 100110 120130 140150 160170 180 0 50 100 150 200 250位 移 （

37、mm） 高度 （m） TAFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 （ SATWE） 010 2030 4050 6070 8090 100110 120130 140150 160170 180 0 50 100 150 200位 移 （ mm） 高度 （m） TAFT 630 632 反 应 谱 X向 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 （ ETABS） 010 2030 4050 6070 8090 100110 120130 140150 160170 180 0 50 100 150 200 250位 移 （ mm） 高度 （m） T

38、AFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 （ ETABS） 010 2030 4050 6070 8090 100110 120130 140150 160170 180 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00位 移 （ mm） 高度 （m） TAFT 630 632 反 应 谱弹 性 动 力 时 程 分 析 与 地 震 反 应 谱 分 析 的 楼 层 位 移 曲 线 比 较 X向 地 震 作 用 下 层 间 位 移 曲 线 （ SATWE） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1

39、30 140 150 160 170 180 0 2 4 6 8 10位 移 （ mm） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 层 间 位 移 曲 线 （ SATWE） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 2 4 6 8位 移 （ mm） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 X向 地 震 作 用 下 层 间 位 移 曲 线 （ ETABS） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

40、150 160 170 180 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00位 移 （ mm） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 层 间 位 移 曲 线 （ ETABS） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 2 4 6 8位 移 （ mm） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 弹性动力时程分析与地震反应谱分析的层间位移曲线比较 X向 地 震 作 用 下 层 剪 力 曲 线 （ SATWE） 0 10 20 30 40

41、50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 2000 4000 6000 8000 10000位 移 （ mm） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 层 剪 力 曲 线 （ SATWE） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 5000 10000 15000剪 力 （ kN） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 X向 地 震 作 用 下 层 剪 力 曲 线 （ ETABS） 0

42、 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 2000 4000 6000 8000 10000剪 力 （ kN） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 Y向 地 震 作 用 下 层 剪 力 曲 线 （ ETABS） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 5000 10000 15000剪 力 （ kN） 高度 （m ） TAFT 630 632 反 应 谱 弹性动力时程分析与地震反应谱分析的层剪力

43、曲线比较 5、 偶 遇 地 震 （ 中 震 ） 下 的 弹 性 反 应 谱 分 析 及 构 件 验 算 本 结 构 的 主 要 抗 侧 力 构 件 截 面 选 择 均 遵 守 “ 刚 度控 制 ” 原 则 ， 在 常 遇 地 震 组 合 下 ， 钢 管 混 凝 土 柱 和 钢支 撑 的 允 许 应 力 都 有 一 定 程 度 的 富 余 。 为 保 证 结 构 安全 性 ， 设 计 中 根 据 安 评 报 告 所 提 供 的 偶 遇 地 震 反 应 谱数 据 ， 对 结 构 进 行 了 偶 遇 地 震 （ 中 震 ） 下 的 弹 性 反 应谱 分 析 ， 水 平 地 震 影 响 系 数 最 大

44、 值 max为 0.26， 特 征周 期 Tg为 0.36秒 ， 结 构 阻 尼 比 仍 为 0.02。 取 荷 载 组 合 为重 力 荷 载 代 表 值 +偶 遇 地 震 荷 载 ， 对 偶 遇 地 震 组 合 下 各关 键 部 位 的 抗 侧 力 构 件 （ 柱 ， 支 撑 等 ） 作 了 承 载 力 验算 ， 现 列 举 部 分 验 算 结 果 如 下 （ 验 算 时 考 虑 承 载 力 抗震 调 整 系 数 RE， 对 柱 为 0.75， 对 支 撑 为 0.80） 。 1） 柱 底 轴 力 最 大 位 置 为 底 层 （ D） x（ 1/2） 轴 处 圆 钢 管 柱 ， 轴 力 N为

45、62812kN， 其 对 应 弯 矩 为 3866kNm， 截 面 稳 定 应 力 比 为 0.788。 这 一 组合 同 时 也 是 该 柱 最 大 弯 矩 组 合 。 2） 未 设 支 撑 的 （ 3/4） 轴 柱 底 层 最 大 轴 力 为 36003kN， 对 应 弯 矩 为1570kNm， 截 面 稳 定 应 力 比 为 0.333。 3） 外 立 面 斜 柱 最 大 轴 力 为 28380kN， 对 应 弯 矩 为 2815kNm， 截 面 稳 定应 力 比 为 0.303； 4） 加 强 层 附 加 外 立 面 斜 柱 最 大 弯 矩 为 2440kNm， 对 应 轴 力 为 1

46、7955kN，截 面 稳 定 应 力 比 为 0.143。 5） （ 1） 、 （ 7） 轴 底 层 18m长 跨 层 斜 撑 最 大 轴 力 8730kN， 截 面 稳 定 应力 比 为 0.473。 （ 1） ， （ 7） 轴 底 层 以 上 各 层 支 撑 最 大 轴 力 为 15118kN，稳 定 应 力 比 为 0.673。 6） Y向 其 余 各 榀 支 撑 中 最 大 轴 力 为 5007kN， 稳 定 应 力 比 为 0.489。 7） 22层 加 强 层 桁 架 最 大 轴 力 为 5510kN， 稳 定 应 力 比 为 0.872。 综 上 所 述 ， 由 于 本 工 程

47、结 构 体 系 和 构 件 的 确 定 实 际 为 风 荷载 控 制 ， 在 地 震 作 用 下 的 反 应 较 小 。 因 此 经 进 一 步 验 算 ， 结 构各 主 要 抗 侧 力 构 件 （ 柱 ， 支 撑 等 ） 在 偶 遇 地 震 作 用 下 均 仍 处 于弹 性 阶 段 ， 本 结 构 的 抗 侧 力 构 件 可 达 到 “ 中 震 不 坏 ” 的 抗 震 水平 。 七 、 结 构 计 算 结 果 的 分 析 与 说 明 1、 抗 扭 刚 度 的 处 理 由 于 建 筑 平 面 交 通 竖 井 位 于 建 筑 物 的 一 侧 （ “ 侧 筒 ” ） ， 如 抗 侧构 件 布 置

48、不 当 将 产 生 较 大 的 扭 转 。 本 工 程 通 过 结 合 建 筑 的 功 能 要 求 ，调 整 支 撑 的 平 面 分 布 位 置 ， 强 化 （ D） 轴 和 弱 化 （ E） 轴 侧 向 刚 度 ， 使结 构 的 刚 度 中 心 与 质 量 中 心 尽 量 保 持 一 致 ， 从 而 有 效 地 解 决 了 “ 侧 筒 ”偏 心 引 起 的 扭 转 问 题 。 为 进 一 步 增 强 结 构 的 抗 扭 能 力 ， 与 建 筑 相 配 合在 （ 1） （ 7） 轴 处 设 跨 层 交 叉 支 撑 ， 在 提 高 结 构 抗 扭 刚 度 的 同 时 提高 Y向 抗 侧 刚 度

49、。 (E)(D) (1) (7) 2、 避 免 出 现 侧 向 刚 度 薄 弱 层 的 措 施 由 结 构 位 移 曲 线 可 知 ， 局 部 楼 层 位 移 的 突 变 主 要 是 由 层 高的 变 化 引 起 的 ， 如 5层 37 38层 （ 8.2m） 。 为 保 持 结 构 侧 向 刚度 的 规 则 性 ， 避 免 出 现 薄 弱 层 ， 设 计 中 分 别 在 37 38层 采 取 增设 支 撑 的 措 施 ， 同 时 适 当 加 强 了 其 上 下 楼 层 的 楼 板 厚 度 ， 由楼 层 位 移 曲 线 可 见 ， 曲 线 光 滑 无 突 变 ， 上 述 加 强 措 施 是 有

50、 效 的 。 3、 Y向 变 形 的 控 制 由 结 构 层 位 移 及 层 间 位 移 曲 线 可 知 ， 本 工 程 的 侧 向 变 形 、特 别 是 Y向 的 变 形 属 于 弯 剪 型 。 风 荷 载 的 作 用 在 弹 性 阶 段 对 结构 的 变 形 起 控 制 作 用 。 由 于 建 筑 物 长 宽 比 及 高 宽 比 较 大 ， 加 上屋 面 以 上 风 帆 造 型 的 屋 顶 构 架 结 构 ， 其 高 度 达 34m且 宽 而 薄 的 形状 使 得 Y向 迎 风 面 大 ， 引 起 相 当 大 的 风 荷 载 作 用 在 整 体 结 构 上 ，而 Y向 的 抗 侧 刚 度

51、相 对 薄 弱 。 设 计 时 利 用 22层 避 难 层 作 为 结 构 加 强 层 ， 设 置 了 5道 Y向 的 伸 臂 桁 架 ， 由 层 间 位 移 曲 线 可 看 出 加 强层 对 控 制 Y向 层 间 位 移 的 作 用 明 显 。 4、 屋 顶 构 架 的 分 析 处 理 屋 顶 构 架 与 主 体 结 构 的 高 度 之 比 为 34/162.9=1/4.8， 其 结 构 层 数 有 6层 ，侧 向 刚 度 （ 尤 其 Y向 ） 相 对 主 体 小 很 多 。 据 初 算 ， 屋 顶 构 架 作 为 独 立 体 时的 基 本 自 振 周 期 T u 与 主 体 建 筑 的 基

52、 本 自 振 周 期 T 1 的 关 系 为Tu=0.6sT1/3=1.74, 根 据 高 钢 规 JGJ99-98第 4.2.6条 ， 可 在 整 体 计 算 时将 主 体 建 筑 的 高 度 延 伸 至 屋 顶 构 架 的 顶 部 。 由 整 体 计 算 分 析 可 知 ， 该 构 架对 结 构 整 体 的 刚 度 、 周 期 影 响 不 大 ， 可 忽 略 不 计 。 但 作 用 于 构 架 Y向 迎 风 面 的 风 荷 载 相 当 大 ， 导 致 结 构 的 位 移 大 大 增 加 ，屋 顶 构 架 本 身 的 位 移 达 到 1/300。 同 时 ， 由 于 构 架 的 造 型 复

53、杂 ， 对 其 体 型 系数 的 取 值 （ 计 算 时 取 1.3） 和 横 风 向 风 振 的 等 效 风 荷 载 的 确 定 （ 见 “ 荷 载 规范 ” 第 7.6.4条 ） ， 规 范 没 有 确 切 的 参 数 ， 亦 无 相 关 资 料 可 循 。 因 此 有 必 要对 整 个 结 构 作 空 气 弹 性 模 型 的 风 洞 试 验 （ 拟 采 用 计 算 机 模 拟 风 洞 试 验 ） ，以 便 分 析 找 出 屋 顶 构 架 在 风 荷 载 作 用 下 的 最 不 利 情 况 （ 如 发 生 微 风 共 振 、强 风 共 振 及 反 复 荷 载 下 的 疲 劳 破 坏 等 ）

54、 ， 保 证 结 构 设 计 的 安 全 性 和 经 济 性 。 由 整 体 结 构 空 间 振 型 简 图 可 知 ， 高 阶 振 型 对 屋 顶 构 架 的 影 响 颇 大 ， 使 其 地 震 反 应 成 倍 数 级 增 加 ， 即 简 称 的 “ 鞭 稍 效 应 ” 。 鉴 于 以 上 两 点 ， 拟 考 虑 在 屋 顶 构 架 Y向 的 某 些 层 间 变 形 较 大 位 置 的 斜撑 部 件 中 设 置 “ 粘 弹 性 消 能 减 震 装 置 ” ， 以 增 加 结 构 的 附 加 阻 尼 ， 控 制 其在 风 荷 载 和 地 震 作 用 下 的 变 形 及 振 动 ， 避 免 发

55、生 严 重 破 坏 。 消 能 减 震 装 置的 数 量 和 分 布 ， 需 根 据 进 一 步 弹 塑 性 分 析 的 结 果 而 确 定 ， 另 作 专 题 研 究 。 八 、 工 程 结 构 设 计 难 点 专 题 分 析 1、 钢 管 混 凝 土 柱 强 度 和 稳 定 验 算 根 据 钢 管 混 凝 土 的 特 点 ， 最 适 宜 用 作 轴 心 受 压 和 小 偏 心 构 件 ， 其 轴向 承 载 力 ， 抗 剪 承 载 力 和 抗 扭 承 载 力 均 比 空 心 钢 管 有 较 大 提 高 ， 但 抗 弯承 载 力 则 提 高 较 少 。 本 结 构 以 钢 管 混 凝 土 柱

56、+钢 支 撑 为 抗 侧 力 构 件 ， 在侧 向 水 平 风 荷 载 和 地 震 作 用 下 ， 钢 管 混 凝 土 柱 将 承 受 弯 距 作 用 。 虽 然 本结 构 的 抗 侧 刚 度 主 要 来 自 支 撑 体 系 ， 钢 管 柱 所 分 担 的 水 平 剪 力 较 小 ， 柱弯 距 也 较 小 ， 绝 大 部 分 柱 均 为 小 偏 心 受 压 ， 但 其 仍 处 于 压 ， 弯 ， 剪 ， 扭的 复 杂 应 力 状 态 。 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 CECS28:90出 版 于 1992年 ， 在 此后 的 十 余 年 间 ， 对 钢 管 混 凝 土

57、 柱 的 分 析 研 究 又 有 了 长 足 的 进 步 ， 上 述 规程 已 不 能 完 全 反 映 当 前 的 钢 管 混 凝 土 柱 设 计 与 研 究 水 平 。 因 此 ， 在 本 工程 的 钢 管 混 凝 土 柱 设 计 中 ， 除 满 足 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 要 求 外 ， 另 行 参 考 了 钢 混 凝 土 组 合 结 构 设 计 规 程 DL/T5058-1999，作 为 本 工 程 计 算 钢 管 混 凝 土 柱 稳 定 系 数 ， 复 杂 应 力 状 态 下 强 度 承 载 力 和稳 定 承 载 力 的 主 要 依 据 。 1） 钢 管

58、 混 凝 土 截 面 承 载 力 计 算 本 工 程 所 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 截 面 较 大 ， 长 细 比 多 在 10 20之 间 ，稳 定 系 数 接 近 于 1。 本 工 程 所 用 各 钢 管 混 凝 土 柱 截 面 承 载 能 力 见 下 表 。 截 面 直 径 D（ mm） 壁 厚 t（ mm） 轴 向 承 载 力（ kN） 抗 弯 承 载 力（ kN*m） 抗 剪 承 载 力（ kN） 抗 扭 承 载 力（ kN*m） 1200 26 70200 14010 21150 104901200 24 67930 13140 18550 97211200 22 65620

59、 12270 16120 89531200 20 63260 11390 13850 8191 1000 28 54430 9950 22590 7793700 26 30210 4256 18100 3524 本 工 程 中 采 用 的 钢 管 混 凝 土 柱 强 度 承 载 力 设 计 公 式 ： 当 N Asc 0.2 1 T T0 2 V V0 2 fsc 时 N 1.4 N0 M M0 1.4 T T0 2 V V0 2 1 当 N Asc 0.2 1 T T0 2 V V0 2 fsc 时 N N0 M 1.071M0 1.4 T T0 2 V V0 2 1 本 工 程 中 采 用

60、 的 钢 管 混 凝 土 柱 稳 定 承 载 力 设 计 公 式 ： 当 N1Asc 0.2 1 TT0 2 VV0 2 fsc 时 N1 1.4 N0 m M 1 0.4 N1NE M0 1.4 T T0 2 VV0 2 1 当 N1Asc 0.2 1 TT0 2 VV0 2 fsc 时 N1 N0 m M 1.071 1 0.4 N1NE M0 1.4 T T0 2 VV0 2 1式 中 ， N， T， V， M构 件 设 计 内 力 m等 效 弯 矩 系 数 ， 按 钢 结 构 设 计 规 范 规 定 取 值 N0， T0， V0， M0构 件 截 面 承 载 力 (1-0.4N/NE)

61、考 虑 挠 度 对 弯 矩 的 附 加 影 响 NE欧 拉 临 界 力 钢 管 混 凝 土 柱 稳 定 系 数 2） 弧 形 斜 柱 整 体 受 力 分 析 如 前 所 述 ， 钢 管 混 凝 土 柱 最 适 宜 用 作 轴 心 受 压 和 小 偏 心 受 压 构件 ， 抗 弯 承 载 力 提 高 较 少 。 本 结 构 由 于 建 筑 造 型 的 要 求 ， 在 主 立面 采 用 了 由 多 段 斜 柱 组 成 的 弧 形 柱 体 系 （ 如 图 所 示 ） 。 这 种 竖 向结 构 布 置 方 式 在 受 力 上 有 以 下 两 个 特 点 ： 在 竖 向 荷 载 作 用 下 ， 在 柱

62、的 主 弯 曲 平 面 内 将 产 生 附 加 弯 距 。 由 于 在 竖 向 荷 载 作 用 下 斜 柱 同 时 发 生 轴 向 变 形 和 弯 曲 变 形 ， 加之 中 部 加 强 层 在 水 平 力 作 用 下 会 带 来 额 外 附 加 轴 力 ， 因 此 其 累 积P-delta效 应 将 较 其 他 柱 更 为 明 显 。 轴 力 N 主 弯 距 M 主 剪 力 V 图 a 、 外 立 面 斜 柱 布 置 图 b、 在 荷 载 作 用 下 斜 柱 的 主 弯 距 图 针 对 以 上 两 个 问 题 ， 在 结 构 设 计 中 利 用 ETABS软 件 的 几 何 非线 性 分 析

63、能 力 ， 对 斜 柱 的 受 力 变 形 情 况 做 了 专 题 分 析 ， 具 体 分 析结 果 如 下 。 对 线 性 与 非 线 性 加 载 方 式 计 算 结 果 的 比 较 经 初 步 分 析 发 现 ， 弹 性 阶 段 在 1.0恒 -1.4Y风 这 一 荷 载 组 合 下 ，斜 柱 受 力 处 于 最 不 利 状 态 ， 轴 力 偏 心 矩 最 大 。 因 此 ， 在 ETABS分析 中 ， 采 用 两 阶 段 加 载 的 方 法 ， 先 在 结 构 上 施 加 竖 向 荷 载 ， 使 结构 产 生 第 一 阶 段 变 形 ， 在 此 基 础 上 再 施 加 水 平 风 荷 载

64、 ， 使 结 构 产生 第 二 阶 段 变 形 （ 图 c） 。 在 此 分 析 过 程 中 考 虑 了 P-delta效 应 ， 现将 其 最 终 结 果 与 直 接 将 两 荷 载 工 况 相 加 ， 且 不 考 虑 P-delta效 应 的斜 柱 内 力 比 较 如 下 表 （ 略 ） 。 第 一 阶 段 （ 1.0恒 ） 第 二 阶 段 （ -1.4Y风 ） 图 c 、 两 阶 段 非 线 性 加 载 示 意 图 由 比 较 结 果 可 知 ， 非 线 性 加 载 所 得 柱 内 力 均 比 线 性 加 载 结 果 略大 ， 但 二 者 差 异 多 在 5 以 内 ， 个 别 差 异

65、较 大 的 比 值 是 由 于 舍 入 误差 所 至 。 由 此 可 见 斜 钢 管 混 凝 土 柱 具 有 较 大 的 轴 向 刚 度 和 弯 曲 刚度 ， 非 线 性 和 P-delta效 应 的 影 响 并 不 明 显 。 但 在 加 强 层 附 近 的 斜柱 内 力 差 异 较 其 它 层 略 大 ， 在 设 计 中 应 予 以 加 强 。 此 外 ， 在 竖 向 恒 载 （ 第 一 阶 段 荷 载 ） 作 用 下 ， 线 性 与 非 线 性分 析 所 得 的 柱 顶 竖 向 位 移 极 为 接 近 ， （ 4） 轴 第 39层 柱 顶 竖 向 位 移均 约 等 于 36mm， 也 证

66、 明 斜 柱 具 有 较 大 的 刚 度 。 在 施 加 第 二 阶 段荷 载 后 ， （ 4） 轴 第 39层 柱 顶 水 平 位 移 线 性 分 析 结 果 为 296mm，而 非 线 性 结 果 为 318mm， 两 着 相 差 约 7.4 。 但 这 一 差 异 主 要 是 由于 结 构 的 整 体 弯 曲 效 应 所 造 成 的 ， 在 后 文 中 将 另 有 专 题 论 述 。 斜 柱 非 线 性 加 载 状 态 下 受 力 状 态 由 分 析 可 知 ， 虽 然 顶 层 和 加 强 层 斜 柱 偏 心 距 较 大 ， 但 仍 远 小于 圆 钢 管 柱 半 径 ， 斜 柱 均 处 于 小 偏 心 受 压 状 态 ， 各 层 斜 柱 稳 定 应力 比 均 有 很 大 富 余 ， 具 有 足 够 的 安 全 度 。 2、 跨 层 斜 撑 抗 侧 刚 度 分 析 本 工 程 在 最 外 侧 （ 1） 、 （ 7） 轴 各 有 一 榀 跨 越 4层 的 “ X” 型支 撑 ， 这 两 榀 支 撑 对 结 构 的 抗 侧 和 抗 扭 刚 度 均 有 很 大 贡 献 。 由 于其 跨