北京银泰中心钢筋混凝土转换梁设计.pdf

第 3 7卷 第 1 1 期 建筑结构 2 0 0 7年 1 1 月 北京银泰 中心钢筋混凝土转换梁设计 韩合军 黄 健 李培彬 赵广鹏 吕佐超 娄 宇 ( 中 国电子工 程设 计 院北 京 1 0 0 8 4 0 ) 提要 北京银泰中心 B， C座塔楼为钢筋混凝土筒中筒结构 ， 在结构层 1顶部设置了巨型转换梁承托上部 4 0 层外框筒密柱。此转换梁按深粱计算方法进行配筋设计 ， 并 内置型钢以增强与柱的连接性能。为保证转换层 的施 工质 量 ， 工程从 降低混 凝土 水化 热 、 采用 高 标 号 自密 实 混凝 土 和延 迟转 换 梁拆 模 板 时间 等技 术 措施 进 行 了控 制 。 关键词 钢筋混凝土转换梁深梁 自密实混凝土 D e s i g n o f G i g a n ti c T r a n s i ti o n B e a ms f o r R C T o w e r B u i l d i n g o f B e i i n g Y i n t a i C e n t e r H a n H e j u n ，H u a n g J i a n ，L i P e i b i n ， Z h a o G u a n g pen g ，L U Z u o c h a o ， L o u Y u ( C h i n a E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g D e s i g n I n s ti t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 8 4 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e b u i l d i n g s B a n d C i n B e i j i n g Y i n t a i C e n t e r a r e t u b e a n d t u b e c o n c r e t e s t r u c t u r e s O n t h e t o p o f t h e fi r s t fl o o r g i g an t i c t r a n s i t i o n be a ms a r e s e t f o r s u pp o r t i ng d e n s e c o l u mns i n ou t e r t u b eTh e d e e p be am c o mp ut i n g me t h o d i s us e d f o r t r a ns i t i o n be am s de s i g n an d s ha p e s t e e l i s s e t t o i mp r o v e t h e c o nn e c t i o n p e r f o r man c e wi t h c o l u mn sS o me me as u r e s a r e a d o pt e d t o e n s ur e c o n s t ruc t i o n， s u c h a s d e c r e asi n g t o hy dr a t e he a t ， u s i ng hi g h g r a d e an d s e l f - c l o s e - g r a i n e d c o n c r e t e an d i n c r e a s i n g ma i n t a i n i n g t i me o f c y c l o s t y l e Ke y wo r d s ： gi g ant i c t r a n s i t i o n b e ams ；d e e p b e am ；s e l f - c l o s e - g r a i n e d c o n c r e t e 0 工 程概 况 北京银泰 中心 B， C座 钢筋混凝 土塔楼 ， 是两 幢结 构形式一样 的高档办 公写字楼 ， 均 为钢筋混凝 土筒 中 筒结构 ， 地上部 分都是 4 2层 ， 它们和 6 3层的 A座 钢结 构酒店公寓一起 ， 组成 了北京银泰中心综合性建筑 群。 塔楼 平 面 为 4 2 5 m4 2 ， 5 m 的正 方 形 ， 总 高度 1 8 6 m 。 为满足首层交通 大堂 大空 间的使用要 求 ， 在层 1结构 顶部设置 了转换 梁承托上部 4 0层外框筒密柱 ， 每道转 换梁上有 8根钢筋混凝土柱 。转换梁相邻楼 层立面如 图 1 所 示。 1 转 换梁选 型及整体分析 1 1转换 梁选 型 根据 高层混凝 土结构技术规程) ( J G J 3 -2 0 0 2 ) ( 简 称 高规 ) ， 转 换梁 截面宜 由剪压 比控制 ， 以避免脆 性 破坏和具 有合适 的含箍 率。同时 高规 规定 ， 转换 梁 的剪压 比在不考 虑地震作 用组合 时 ， 应小 于 0 2 ， 考 虑 地震作用组合时 ， 应小于 0 1 7 。 工程框架抗震 等级为 特一级 ， 适 宜 的转 换 梁剪压 比控制值在 0 0 8以下 。转换梁剪压 比： t z ： V b h 0 ( 1 ) 式 中 一 为转换 梁支座 截面最 大组合 剪力设 计值 ， ， e 为转换梁混凝土抗 压设计 强度 ， b为转 换梁截 面宽度 ， 为转换梁截 面有效高度 。 对转换梁进行 了多次试算 、 调整 ， 在 混凝 土强度等 1 4 4 2 5 0 0 4 5 0 0 层 5 1 - L 层 。 r7 ， 转 换梁 ， 一 ， 一 一 - 层 l r J U L U L 一 5 0 0 9 7 5 0 2 2 5 0 l 3 5 0 0 2 1 5 0 97 5 0 25 0 0 1 45 0 0 1 35 0 0 1 45 0 0 图 1 转换梁相邻楼层立面示意图 f 8 8I 1 1 5 0 量 器 O 0 0 级为 C 5 0时 ， 转换梁 的截面最后采用2 0 0 06 0 0 0 。 1 2整体静力分析 根据梁式转换 结构形 式 的特 点 ， 在 进行 整体结 构 计算分析时 ， 转换梁 可 以作 为梁单元 考虑 。但 是在转 换梁 的截面高度 大于或 等于该层 层 高时 ， 计 算 中转换 梁的位置取在梁 顶标高处 ， 即下层 层 高取到 转换梁顶 标高 处_ 4 J 。转 换 层 楼 层 高 度 =5 5 0 0+6 0 0 0= 1 1 5 0 0 m m ， 转 换 层 上一 层 楼 层 高度 为 h ，=4 0 0 0 m m 。 计算结果所得的柱端弯矩应乘 以下式 的修正系数 ： = h j ， ( h l+ 2 ) ( 2 ) 此时 ， 转换梁作为考虑轴 向变形的弯曲杆单元 ， 并应同 时考虑剪切变形 的影响 。 维普资讯 在进行有 限元计 算分 析时 ， 转换 梁上部 楼层 分 别 取层 2， 3 ， 4及层 6与 下部转 换梁 一起进 行计 算分 析 ， 这时 ， 转换梁与上部框架共 同参与工作 ， 上部 框架作 为 空腹桁架考虑 。通过计 算分析 得 出 ， 只要 上部楼 层 总 高度大于下部 转换 梁处 的楼层 高度 ， 计算 出来 的转换 梁 内力就基 本 上趋 于一致 。转换 梁 楼 层计 算 层 高 为 1 1 5 m， 对其进行 有 限元分 析时 ， 实际取 上部 四个 楼层 ( 四个楼层的计算层高为 44：1 6 m) 与下部转 换梁组 成一体 ， 并考虑杆件的轴 向变形 。 2 截面设计 目前 国内对转换 梁截 面的结 构设计 方 法主要 有 ： 1 ) 按普通梁截 面设 计方 法 ， 这时 转换 梁的受 力基本 与 普通梁相同 ； 2 ) 规程 J G J 3 -2 0 0 2 ， J 1 8 6 -2 0 0 2中有 具体 的偏心 受拉构 件截 面设计 方法 ， 其关键 是 利用有 限元 分析得到转换 梁截 面上 的应力转 化成 截 面内力 ， 然后 再按偏 心受拉 构件 进行 配筋计算 及设 计 ； 3 ) 按深梁 截 面设计 ， 实际工程 中的转换梁 的高跨 比 f =1 81 6 ， 其受力 和破坏特征类 似于深 梁 ， 可 以按 混凝土结 构设 计规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ) 中的规定 进行转 换梁截 面 的 配筋计算及设计 。依据银泰 中心工 程转换梁 的实际情 况 ， 工程采用 了深梁法进行转换梁截 面设计 。 2 1等效侧向刚度 比 底部大空 间大 于 1层 时 ， 其转 换层 上部 与 下部 结 构 的等 效 侧 向刚 度 比 可 按 规 程 J G J 3 -2 0 0 2附 录 E 0 2中的计算 公式计算 ： 。 = 1 H2 , 5 2 H1 ( 3 ) 式 中各符号的意义参见规程 J G J 3 2 0 0 2附 录 E 。上式 可改写为 ： 。 = K 2 H2 K1 日1 ( 4 ) 其 中 K 和 K 分别 为计算模型 1 和 2在水平方 向的刚 度 。工 程中 ， 标 准层 13作 为模 型 1 ， H，=1 6 5 m； 取 层 36作 为模 型 2 ， 日，=1 6 0 m。各 标准层的侧 向刚度 可采用 S A T WE整体模型中的数据 ， 见表 1 。 转 换层 相邻 各层侧 向 刚度( 1 0 7 k N m) 表 1 层 号 R J X R J Y i 层 号 R J X R J 1 6 1 1 4 3 0 4 1 6 2 1 1 3 2 1 2 0 0 8 5 5 1 3 9 0 9 7 3 1 3 0 0 9 5 6 1 1 8 0 8 4 若引入 剪切变 形 的假 定 ， 则 模型 的侧 向刚度 可 以 用下式求 出 ： K rx =而 瓦 =1 1 0 7 ( 5 ) K zx = 历 I _ 历 瓦 = 0 3 3 91 0 7 ( 6 ) 同理可以得到 ： Kl = 0 7 11 0 ， K2 = 0 2 3 41 0 由此可以得到结 构在 ， y两 个方 向上 的转 换层 上下 等效侧向刚度 比： = = 0 3 3, Z y = 一 o s 2 可以看 出 ， 转换层 上下等效侧 向刚度 比满足规范要求。 2 2转换梁截 面抗剪验算 转 换梁在各荷载工况作用下的抗剪载力验 算结果 见表 2 。 转 换梁 抗剪 验算 ( k N) 表 2 工况组合 1 2 D+0 6 L一0 2 8 W 一1 3 E 3 2 8 5 7 竖 向地震下剪力 0 5 S k 1 5 1 2 2 5 设计总剪力 3 4 0 8 2 受剪承载力 0 1 5 p 厂 c b h 0 y R E 5 0 2 1 8 设计剪力 允许剪力 ( ) 6 8 剪压 比 =V b h 0 0 1 2 注 ： S e v k 取 1 0 重力荷载代表值作 用下的剪力。 2 3转换梁截面抗弯验算 转换梁在各种荷 载工况 下的抗 弯承载力 的验算 结 果 见 表 3 。 转换 梁截 面抗 弯验算 ( k N in ) 表 3 工况组合 1 2 D+0 6 L一 0 2 8 W 一1 3 E 一1 0 4 2 1 9 竖向地震下 弯矩 1 6 6 8 设计 总弯矩 1 0 5 8 8 7 所需纵筋 面积 ( n l l n ) 6 8 0 0 o 配筋 率( ) 0 5 7 2 4截面配筋及构造措施 根据 以上计算 结果 得 到转换 梁最终 的截面尺 寸 及配筋情况如 图 2所示 。 为提高转换 梁混 凝土 的抗裂性 能及增 强混凝土 和钢 筋 的协 同 工作 ， 在转 换梁纵 筋保护层 范围 内增 设 45 05 0的 U形 钢 筋网片 ， 见图 3 。 在转换 梁相邻 楼层 的 外筒 框架柱 中内置 了型钢 以提 高 结 构 整 体 抗 震 性 图2 转换梁配筋示意图 能 ， 柱 内型钢在 转换层 应可 靠 连接 、 传 力连续 ， 才 能实 现这一设计 意图 。为 此 ， 在转 换 梁 内与 柱轴线 对 应位 置处 预埋了工字形 钢 梁 ， 并在 节点 处理 上保证 钢 梁和 柱内型钢等强连接 。转换梁型钢 与柱 内型钢连接示 意 见 图 4 。 ( 下转第 4 8页) 1 5 维普资讯 等方面因素 ， 提出四种可能的加 固方 案 ， 分别对 四个方 案处理后的地基承载力 、 稳定安全性 、 变 形情况进行 了 设计计算 ， 结 果见表 5 。 加 固方案 比较 表 5 高 压 旋 喷 桩 灌 浆 稳 定 变 形情 况 名称 长 度 总 量 经 济 地基 承 直 径 孔数 性 载 力 安 全 罐 心沉 罐 周沉 不 均 匀 ( m ) ( m ) 系 数 降( m 皿 ) 降( m m ) 变 形 罐 内浅 层压密注 浆 、 环基 下 旋 喷 桩 9 5 8 0 0 2 1 7 5 2 7 4 加 一 般 满 足 I 3 0 4 5 9 4 2 1 4 2 6 3 满足 高 压 旋 喷 桩 4 鲫 1 0 0 0 2 I 一 较高 满 足 I 9 8 6 2 8 8 I 3 5 一 I 7 3 满 足 浅 层 压 密 注浆 一 8 5 0 7 3 加 较低 满 足 1 15 6 5 8 6 2 6 3 3 7 1 满 足 压 密注 浆 ( 至 碎 石 桩 底) 一 8 5 o I2 枷 较 低 满 足 1 5 3 2 5 6 6 2 5 4 3 5 6 满 足 表 5中四种 方案 在对环境 的影 响和社 会效 益 、 施 工工期方面的差别 不大 ， 而在经济性方 面， 方案 c造价 最低 ， 方案 D次之 。但 考虑到方 案 c加 固后 的地 基稳 定安全 系数接 近规范 要求 的下限 ， 且 浅层注 浆时 浆液 将会 自动流人深 部碎石桩 及桩 间土 的孔 隙中 ， 进 而影 响加 固效果 ， 故综 合 考虑 ， 选 用方 案 D， 即原碎 石桩 桩 间压密注浆方案 ， 在罐 区及 罐基 环粱处 分别 布置垂直 注浆孔 ， 钻孔直 径 1 1 0 mm， 加 固深度 至原碎 石桩 底 ， 孔 深约 1 4 6 m， 孔距 2 0 m X 2 0 m， 呈放射状布置。经过处 理后的地基承载力和沉降均满足要求 。 6 结 论 ( 1 ) 由于地基土层厚度变化大 、 碎石桩 复合地基承 载力不足等原 因， 油罐地基 的不均匀沉 降明显 ， 充水预 压结束 时油 罐边缘 的最大非平面倾斜 已经超过 规范允 许值 4 8 。满载时 ， 实测环基最 大 日沉降 为 1 2 0 2 m m， 油罐地基稳定性 已难 以保证 。 ( 2 ) 三个月 的充水预压结 束后 ， 碎石桩复合地基加 固区固结 已基本 完成 ， 而下卧层的固结完成不足一半 。 ( 3 ) 使用三年后 ， 油罐底板及基础底 面出现典型 的 锅底 状变形 ， 地基 不均匀沉 降明显 ， 非平 面倾 斜和罐基 础 拱度均 已超过 允许值 。 ( 4 ) 为解决油罐在满载状态下的稳定 和沉降 问题 ， 确保油罐 的重新 使用 ， 需 对该油 罐采 取相应 的加 固处 理措施 ， 对 比分析后建议采用压密注浆方案 。 参 考 文 献 1 贾庆山 大 型油罐 软 土地 基容 许倾 斜值 J 岩 土工程 学报 ， l 9 9 1 ， 1 3 ( 1 ) ： 5 4 6 0 2 应宏伟 ， 杨晓刚 ， 卞守中等 大型油罐地基现场试验分析 J 岩 土工程学报 ， 2 o 0 5 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 5 7 1 6 1 3 赵同顺 ， 周波大型油罐地基变 形特性 的研究 J 岩石 力学 与 工程学报， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 0 3 7 1 o 4 3 4 龚晓南 高等土力 学 M 杭州 ： 浙江大学出版社 ， 1 9 9 6 ( 上接第 1 5页) l Z j 图3转换梁钢 筋网片示意图 图 4 转换 梁型钢与 柱 内型钢连接示意图 3 施 工控 制 对于 大截 面转 换梁 ， 针对施 工技术方 面还 提 出 了 以 下 要求 ： ( 1 ) 降低水化热。在材料方 面 ， 通过在水泥 中掺 人 粉煤灰和 5 8 的 U E A微膨胀剂 ， 降低混凝 土的水 化热并部分抵 消 由水化 热引起 的混凝 土约束 应力 ， 从 而减少温度裂缝 的出现。在施工 工序安 排上 ， 将 转换 梁 的混凝土分两层浇筑 ， 每层 高 3 m。在混凝土 温度监 测方面 ， 要求施 工单 位在梁侧布置数量较 多的测温点 ， 实时监 测转换 梁 的温差 变化 ， 并 将 温差变化 控制 在规 定的允许范围内。 ( 2 ) 参照大体积混凝土结构的经验 ， 采用免振 捣的 4 8 自密实混凝土保 障施工质量 。 ( 3 ) 延迟拆 模 时间。为保证 转换 梁 能与上 部楼 层 协 同工作 ， 施工 中延迟转换梁的拆 除模板时 间 ， 要求 施 工单位必须在上部四层施 工完毕且梁柱混凝土达到 设 计要求的强度后 ， 才可以拆 除转换 梁的支撑模 板。 4 结 论 北京银泰 中心现在 已全部 结构 封顶 ， 转 换梁 结 构 检验分项评定 、 观感质量及浇筑养护 的测温 报告 ， 均达 到了预期 的设 计要 求。其设 计 、 施工 中取得 的经 验可 以供其 它类似工程参考 。 参 考 文 献 1 娄字 ， 魏琏 。 丁大钧 高层建筑 中转换层结构 的应用 和发展 J 建筑结构 ， 1 9 9 7 ( 1 ) 2 娄宇 ， 魏琏 ， 刘伟庆等 高层建筑转 换层大 梁内力分 析及配筋 设 计方法探讨 J 南京建筑 工程学 院学报 ， l 9 9 5 3 张家华 高层建筑预应 力混凝土板 式转换 层结构性 能及设 计研 究 D 南京 ： 东南大学， l 9 9 8 4 唐兴荣 多高层 建筑 中预应力混凝 土桁架转换 层结构 的试验研 究 和理论分析 D 南京 ： 东南大学 ， l 9 9 8 5 李豪邦 高层建筑结构转换层 的新 型式 斜 柱转换 J 建 筑结构 学报 ， 1 9 9 7 ( 2 ) 6 熊进刚 ， 李爱群等 高层建筑转换层中混凝土连续短梁受力 性能 的试验研究 J 建筑技术 ， 2 o 0 l ( 5 ) 7 超限 高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 S 2 o 0 3 维普资讯