北京银泰中心钢筋混凝土塔楼结构设计.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 中心钢筋混凝土塔楼结构设计 韩合军 吕佐超 林 涛 赵广鹏 李培彬 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 办公 写字楼 均 为高 1 8 6 m 的混凝 土筒 中筒结 构 。地 上 4 2层 ， 在 结 构层 2设 置 了 转换大梁。为减小转换层刚度突变的影响 ， 设计中调整 了转换层相邻各层柱、 外裙梁的截面， 增加 了转换层以 下内核心简墙体的厚度， 并在楼梯间设置了补偿剪力墙。转换层相邻各层柱还设置了型钢和芯柱以改善结构 的抗 震性 能 。针对外 筒 的剪力滞 后 ， 设 计 中尽 量增 大 了外框 筒裙 梁的截 面高 度 ， 并适 当调整 了角柱截 面 。 关键词 超限超高层筒中筒结构 巨型转换梁结构设计 S t r u c t u r a l D e s i g n o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e T o w e r B u i l d i n g o f B e ij i n g Y i n t a i C e n t e r H a n H e j u n ，L i a Z u o c h a o ， L i n T a o ， Z h a o G u a n g p e n g ，L i P e i b i n ，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 t i t u t e ， B e ij 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 o f f i c e b u i l d i n g 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 l e t u b e t u b e s t mc t u r e s w i t h 1 8 6 t o t a l s t r u c t u r al h e i g h t T h e r e a r e 4 2 fl o o r s a n d t r a n s f e r b e a ms a r e s e t i n t h e s e c o nd flo o r Fo r d e c r e a s i n g a b r u p t c h a n g e s i n t r a n s f e r l a y e r s t i f f n e s s，s e c t i o n s o f c o l u m n s a n d b e a m s b o r d e r u p o n t r a n s f e r l a y e r a r e a d j u s t e d ， t h i c k n e s s o f i n n e r t u b e i s i n c r e ase d and s h e a r w a l l i s s e t i n s t a i r h a l f S h a pe d s t e e l an d s t e m a r e s e t i n c o l u mn s b o r de r u po n t r a n s f e r l a y e r f o r i mp r ov i n g s t r uc t u r al ase i s ma t i c c a p ac i t yFo r s h e a r i n g f o r c e l a g i n o u t e r t u b e s e c t i o n s o f b e a m s i n o u t e r t u be a r e a u g me n t e d a n d s e c o n s of c o me r c o l u mn s a r e a d j u s t e d Ke y wo r ds： e x c e e di n g l i mi t a n d h e i g h t ；t u b e t u b e s t r u c t ur e；g i g an t i c t r a n s i t i o n b e a ms ；s t r u c t u r a l d e s i gn 1 工程 概 况 北京银泰 中心是 一个 集酒 店公 寓 ( A座 ) 、 办公 写 字楼 ( B， C座 ) 、 商 场( 裙房 D) 、 娱乐 服务 ( 裙房 E) 于一 体 的大型综合性 建筑群 体 ， 其中东 、 西 塔楼( B ， c座 ) 采 用钢筋混凝土筒 中筒 形式 ， 为两 幢结构 布置 相 同的办 公 楼 ； 其 主要结构层数是地 下 4层 ， 地上 4 2层 ， 主要 屋 面标高 1 7 2 m， 4 2层 以上有 2层局 部塔 楼 ， 结构 总高 度 1 8 6 m。结 构形式 如图 1所示 。 B， c座塔楼的结构设计 使用年 限均 为 5 0年 ， 结 构 安全等级为一级 ， 抗震设 防烈度 8度 ， 设计地 震分组第 一 组 ， 抗震设防类别 为丙 类 ， 抗震 等级 特一 级 ， 建 筑场 地土类 别为 类 ， 地面特 征周 期 T =0 4 0 s ， 建筑 物地 面粗糙度类别为 c类 ， 基本风压 0 5 0 k N m2 。 2 地基与基础 工程 位 于 国 贸 桥 的西 南 角 ， 自然 地 面标 高 约 为 3 8 m。建筑场地表层 为厚 2 m的人 工堆积层 ， 基岩埋 深 在地 面下约 1 6 0 m， 以下为第 四纪沉 积层 ， 以粘性 土 、 粉 土与砂 土 、 碎石 土交互 沉 积层为 主。地下 四层基 底 最 大埋深 约 一2 3 m， 落于粉砂和卵石层上 。根据地质报 告 提供 的地质条件 和上部 结构 布置 及荷 载分 布情况 ， 基 础采用 整体性好 、 调整变形能力强 的桩筏基 础。 钢筋混凝土主楼 的基础底板厚 度为3 5 0 0 m m， 下 面 布置 1 8 0根 钻孔后 压浆 桩 ， 桩径 1 1 0 0 mm， 桩长 3 0 m， 计 算沉降量为 4 6 m m。现 钢筋混 凝 土主楼 正 在进行 室 内 装 修 ， 实 际观 测 到 的 沉 降 量 为 3 0 m m左 右。 3 结构设计 与计算 3 1结构体系与布置 结构体系采 用钢 筋混 凝 土 外框 筒 和 内筒结 构 。 结 构平 面 外 形 为正 方 形 ， 边长 4 2 5 m。 内核 心 筒 为 钢筋 混 凝 土 剪力 墙 ， 居 中 布置 ， 平面 尺 寸 1 8 0 5 m 2 1 2 m。内筒 上 下 贯 通 建 筑物 的 全高 ， 且 竖 向刚 度 均匀变 化。为满足 底部 大 空间要 求 ， 在结 构 层 2( 标 高 1 1 5 m) 设 置 了转 换 大 梁 。外框筒 自转换 层 以上 图1 结构轴侧示意图 由钢筋混凝土密柱组 成 ， 各 层柱 截面 尺寸 及柱 距如 表 1 所 示 。 柱及简 体 的 混 凝 土强 度 等 级 在 层 3 2以下 采 用 C 6 0 ， 层 3 2以上为 C 5 0 。转换梁 混凝土 强度等 级为 C 5 0 免振捣 自密实混凝土 。外框筒裙梁 的混凝 土强度等 级 为 C 4 0 。内核心筒体 内部 的梁 板混凝 土强 度等级均 为 C 3 0 。为减小 结构 自重和利于施工 ， 内外筒 之间的楼板 采用 了组合楼 板 ， 内筒楼 面仍然 是 现浇钢 筋混凝 土 梁 板体系 。 1 1 维普资讯 http:/ 外框 筒柱截 面尺寸 及柱距 表 1 楼层 截面尺寸 ( m m) 柱距 编号 角柱 其它柱 ( m) 一4一 l 2 5 0 o X 2 5 0 0 X 2 0 0 0 2 O 0 0 X 2 O 0 0 l 3 5 l一2 2 5 0 o X 2 5 0 o X 2 0 0 0 1 5 0 o l 3 5 23 2 0 0 0 X 2 0 0 0 l 2 0 o X l 7 0 o 4 5 4一l 2 l 2 0 o X l 2 0 o l 2 0 o X 9 o 0 4 5 l 2以 上 l 2 0 o X l 2 0 o l 2 0 o X 6 0 o 4 5 内外钢筋混凝土简 体之间 以 H型钢 梁铰 接连接 。 H型钢梁在结构角柱范围内若 按单一方 向布置则会使 一 个方向柱受力增 大， 另一个方 向减小 ， 因此在标 准层 楼面 ， 四个角部外 框架 柱与核 心筒 之间的钢 梁分 别在 奇 、 偶数层旋转 9 0 。 布置 ， 见 图 2 。这一措施 保证 了外框 架柱在角柱范 围内受力 的相对均匀 。H型钢梁截 面尺 寸沿纵 向为 H3 4 02 5 091 4， 横 向为 H 2 9 42 0 08 1 2。 ( ( 5 5 0 0【 4 5 0 0 l e o o L 4 5 o o L 4 o 0 I 4 5 。 。 l 4 5 0 0 l 4 s 。 o 【 5 ,5 0 0 7 量 5 ” g 8 l l L I 8 一 丁 ( a ) 弱数 楼层 三I 一 。 一 T I Ff f f 7 量 - r _ l j l 山 l j l _ I I g I L一j T 8 l l l l g i 一去 。 =一 i I 图 2标 准 层 结构 平 匝 3 2超 限问题 塔楼 B ， c的主要 屋面高度 超过 了 高层 混凝 土结 构技术规程 ( J G J 3 2 o o 2 ) ( 简称 高规 ) 第 4 2 2 - 2条 中 B级高度 钢筋 混凝 土 高层建 筑最 大适用 高度 1 7 0 m 的要求 。另 外 ， 层 2的转 换梁造 成结 构竖 向抗 侧力 构 件不连续 ， 属于不规则结构。 为解决上述问题 ， 在施工图设计 中 ， 除了将结构 刚 度 、 振动特 性 、 位 移 、 位 移 比等主要指 标控制 在规 范允 许范围内 ， 还在 改善 结构抗震 性能 方面采取 了一 些必 要的措施 。 1 型钢和芯柱 的设置 在外筒钢筋混凝 土柱 中 ， 从地 下层 2至转 换层 以 上的层 6增设 了构造 型钢 ， 层 6至结构 顶部 的框 架柱 增加 了芯柱 ， 典 型框 架柱截面形 式见图 3 ， 型钢 柱中型 钢 的截面尺寸及芯柱 配筋见 表 2 。型钢及 芯柱 的采用 使结构延性有 了较大 的提高 ， 结 构 的抗 震性 能得 到 了 改善 。 型 钢柱 中型 钢截面 尺寸 及芯柱 配筋 表 2 型钢( r n 珊) 芯柱 腹 板厚 翼缘厚 腹板高 翼 缘宽 截 面 纵筋 9 1 4 3 5 0 2 0 o一2 5 0 7 0 o X 6 0 o 8 2 8 l 8 2 0 3 5 0 9 5 0 2 0 o 一7 0 o l 2 0 o X 6 0 o l 2 尘2 8 3 6 4 0 l O 0 0 ， l 1 0 o 3 0 o ， 4 0 o l 2 0 o X 7 0 o l 2 2 8 4 0 5 0 l 5 0 o 6 0 o l 2 0 o X 9 0 0 l 6 尘2 8 2 0 o X l 2 0 o l 6 尘2 8 注 ： 芯柱箍筋为 圭l 2 1 0 0 。 2 侧 向刚度 的调整 为尽量 减小转换层 刚度 突变 给结构抗震 带来 的不 利影 响 ， 设计 中通过调整转换层相邻各层框 支柱 、 外裙 梁 的截面 ， 改变 内核心 筒体 的厚 度 以及在 楼梯 问设 置 补偿剪力墙等措施 ， 使刚度的突变满足 了规范 的要求 ， 避免 了出现结构薄弱层 。调整后的结构侧 向刚 度如图 4所示 ， 转换层 上 下层 侧 向刚度 比为 0 7 4 。层 间位 移 角分布见图 5 。 0 1 00 2 0 0 3 0 o 楼层侧 向刚度 ( 1 0 k N m) 图 4 结构侧 向刚度分布 糕 噬 鞋 ： 4 风荷载 ， ： 厶 一以 0 1 2 3 7 8 1 81 7 x向层间位移 角 ( r i d ) 图 5 层间位移角曲线 另外 ， 为提 高结构 的整体性 ， 增加 了转换层及其相 邻楼层 的楼板厚 度 。转 换层 楼板厚 度 为 2 5 0 ram， 双层 双向配筋 ， 每层每 个方 向的配筋 率为 0 6 3 。转 换层 上一层楼板 的厚度 为 1 8 0 ra m， 双层双向配筋 的 同时 ， 每 层 每个方 向的配筋率为 0 8 7 。 3 设计指标的提高 严格控制转换层 及转 换层 以下楼层 墙 、 柱 的轴 压 比， 使框支柱的轴压 比不 大 于 0 5 ， 简 体墙体 的轴压 比 不大于 0 4 。提高柱箍筋最小配 箍特征值 ， 使 不 小于 0 1 9 。 3 3静力分析 在设计 中使 用 了 E T A B S和 S A T WE两 种软件 进行 分析与设计 ， 用杆单元模拟柱和粱 ， 用壳单元 模拟剪力 墙 ， 用膜单元模拟楼板 。计算 出的结构周期见表 3 。 柏 ： 2 ， O 维普资讯 http:/ 周期 计算 结果 ( S ) 表 3 参数 ( 向平动 ) ( Y向平动) ( 扭转 ) E T AB S 3 5 9 3 4 8 2 1 9 O 6 l S AT WE 3 4 6 3 4 3 2 1 8 O 6 3 表 中计算结果表明 ， 结构的主振型以平动 为主 ， 扭 转振 型的周期与平动 周期之 比较小 ， 体现 出结 构设计 的合 理 性 。 在结构整体静力计算 中考 虑 了 p - A效 应 、 扭转 效 应 、 风荷载及地 震作 用 的最不利 方 向。表 4给出 了结 构在风荷载和地震作 用下 的楼层 最大 水平 位移值 ， 各 楼层最大剪力和弯矩 分布情 况如 图 6所示 。计算结 果 表明结构有 很好 的 抗侧 刚度 ， 满 足 高 规 4 4 2条 的 要 求 。 结构最 大位 移及层 间位 移角 表 4 S A TE E T AB S 侧 向荷载 最大位移 最大层间 最 大位移 最 大层 问 ( m m) 位移角 ( m i l1 ) 位移角 向风 6 8 8 O l l 9 8 3 7 2 9 l l 9 6 8 Y向风 6 8 2 O l 2 0 1 7 6 6 2 l 2 2 l 2 向地 震 1 6 2 9 l 8 3 7 1 6 3 4 l 8 3 5 Y向地 震 l 6 4 5 l 8 3 2 l 5 2 5 l 9 l 9 扭转放大效应定义为楼板最大水平位移 与质 心位 移之比 ， 计 算结 果在 1 2 6范 围之 内 ， 小 于抗 震规 范 中 1 5 的限值和高层 规范 中 1 4的 限值。结 构在地 震 作 用下 ， Y向最大 位移 比分别为 1 1 5 ， 1 2 ， 满足 高 规 4 3 5条的要求。 剪力 ( 1 0 3 k N ) 图 6 向风 和 小 震 作 用 F楼 层 最 大 内力 层 2 42 7的跃层 区为结构 薄弱层 ， 为提 高这一 区 域的抗侧刚度 ， 跃 层 区角部范 围内的柱 截面 由1 2 0 0 6 0 0增大到 了1 2 0 01 2 0 0 。 在筒中筒结 构 中 ， 外 框筒 的受力 比内核心 筒要 复 杂得多 。剪力滞后 现象使翼 缘框 架各 柱受力 不均 匀 ， 中部柱子的轴 向应 力减 小 ， 角柱 轴 向应力增 大 。外 框 筒各柱在 向地震作用下 的轴力分布情况见 图 7 。 影响剪 力滞 后 的 因素很 多 ， 主 要 有柱 距 、 裙 梁 高 度 、 角柱面积 、 框筒 高度 和框筒平面形状 等。减小翼缘 框架的剪力滞后 ， 可以使翼缘框架 中间柱的轴力增 大 ， 3 72 5 1 3 8 2 5 1 层 4 层 1 5 层 3 0 图 7外框 筒 柱 轴 力 分 布 ( 1 5 0 0 k N ) 提高结构整体抗倾覆力矩的能力及结构的抗侧刚度 。 工程中 ， 从方 案设 计到施 工 图设计 均对翼缘 框 架 的剪力滞后做 了考虑 。塔楼 B， c正方形的平面尺寸是 减小剪力滞后 最理 想的平 面形状 ， 也是 解决这 一 问题 最直接有效 的方 式。另外 ， 在 满足 建筑使 用要求 的情 况下 ， 尽量增 大外框筒裙梁 的截面 高度 ； 适 当调整角柱 的截面 ， 并对 角柱采 用 了双向弯 曲设计 截面 配筋 。这 些措 施 对 改 善 翼 缘 框 架 的 受 力 性 能 起 到 了 一 定 的 效用 。 计算 中还发现 ， 转换层 及相邻 楼层 楼板 厚度 的增 加不仅能够 提高结 构 的整体性 ， 也可 以调节转 换层 内 外筒剪力分配 。转换层层 2 和相邻楼层 内外筒地震 作 用下的剪力分配 比例见表 5 。 转换层 及相 邻楼 层 内外 筒剪 力分 配 比例 ( ) 表 5 向 Y向 层 1 层 2 层 3 层 1 层 2 层 3 内筒 8 1 2 4 7 5 1 6 5 5 8 6 6 8 3 9 6 3 8 9 3 5 3 3 外筒 l 8 7 6 2 4 8 4 4 4 1 4 3 1 6 l 3 6 1 l 6 4 6 7 3 4结构的弹性 时程分析 对结构 进行 了弹性动力 时程 计算 。在设 计 中， 从 S A T WE波形库里选取 了 类 场地 土 、 特征 周期 为 0 4 s 的二 条实际地震 波及针对 场地 的一条人 工模拟 的加速 度 时程曲线进行动力 时程分析 。输入分 量地 震峰值加 速度为 7 0 c r r d s ， 结构 阻尼 比 5 ， 计算结果见表 6 。 弹性 时程分 析结 果 表 6 三波 输入地震 波 T H 2 T I3 JD 4 O T H 3 T ( 4 o R H 2 T C O 4 0 C Q C 平 均 基底剪力 ( k N ) 3 3 9 6 8 3 2 9 8 4 3 O 9 7 7 3 2 643 3 5 9 6 5 与 C Q C之比( ) 9 4 9 2 8 6 9 1 基底剪力( k N) 2 5 4 0 5 2 4 l O 7 2 8 9 6 7 2 6 l 6 0 3 l 6 0 7 与 C Q C之比( ) 8 0 7 6 9 2 8 3 ( 下转第 3 0页) 1 3 维普资讯 http:/ V = 6 1 4 7 k N 1【 南x ( 0 4 x 1 7 1 x 3 5 0 5 4 7 0 + 0 ) + 0 8 3 0 0 5 4 7 0 1 = 6 3 9 2 k N 配 2 02 0 0横 向筋可满足要求 。 ( 2 ) 变形验算 横墙总刚度计算 ( 取 计算单元 中的一道 横墙 ) ： =3 5 0 0 mm，E = 3 2 5 1 0 4 N mm2，J = 4 8 5 2 6 1 0mmm4 ， =1 2， G =0 4E = 1 3 1 0 N mm2 。 F = 1 92 5 1 0 m m 2 。代入式 ( 7 ) 后得 C =1 1 0 41 0 N m m 。则 = 4 9 1 8 k N， 占= 0 4 5 m m =3 5 m m， 满足要求 。 4 设 计中应 注意的问题 ( 1 ) 由于基础存在高差 ， 高低 两部分基础不是 一个 位于同一标 高的完整基础 ， 方案有先天性不 足 ， 荷 载大 的主体建筑物基 础下 面压缩 土层反 而更厚 ， 又兼 主体 建筑基础 因与 车库基 础相连放 大而产 生 的偏 心 ， 因此 对于中高压缩性地基不宜采用主体基础标 高高于 车库 基础 的方案 。如果采 用 ， 建议 对 主体 建筑 下面地 基 进 行处理 ， 以减小 由于不均匀沉降而导致建 筑物的倾斜 。 ( 2 ) 为减小基础不均匀沉降 ， 建议在车库 与主体之 间设置沉降后浇带 ， 位置 以靠近挡墙为宜 ， 以减 小主体 建筑基 础的偏心 。 ( 3 ) 由于设 置后 浇带 ， 在 后浇 带浇 筑之 前 ， 挡 墙在 主体 自重和土体 自重产 生 的侧 向压 力作用 下 ， 以及 与 挡墙相连的部分 车库底 板地基 反力 的作用 下 ， 有绕 挡 墙上端根部转 动 的趋 势( 见 图 2 ( b ) ) ， 需要 对挡墙 上端 根部的抗弯能力进 行验算 ， 这也 是后浇 带宜靠 近挡墙 的原因之一。 5 结 论 ( 1 ) 地 下车库基 础低 于相连 的多高 层建 筑基 础标 高的方案 ， 在结构采取可靠措施后可 以采用 。 ( 2 ) 此类基 础方 案需要 避免 中高压 缩性地 基或 者 对地基进行处理 ， 以减少压缩变形 的差异 。 ( 3 ) 地 下车库 与多高层 建筑之 间需设沉 降后 浇带 ， 且宜靠近挡墙 。 参 考 文 献 1 高层建筑混凝土 结构技术规 程 ( J G J 3 -2 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 2 2 天津大学等 地基与基础 M 天津 大学 出版社 ， 1 9 7 8 3 室外给水排 水和燃 气动力 工程 抗震设 计规 范( G B 5 0 0 3 2 -2 0 0 3 ) S ( 上接第 1 3页) 每条时程曲线计算所得 的结构 底部剪力 均大于振 型分解反应谱法求 得 的底部 剪力 的 6 5 ， 三 条时 程 曲 线计算 所得的结构底 部剪力 的平均值大于振 型分 解反 应谱法求得 的底 部剪力 的 8 0 ， 满足规 范要求 高规 3 3 5条。在实 际配筋时 ， 取三条时程曲线计算结果 的 平 均值 与振型分解反应谱法计算结果中的较大值。 3 5静力弹塑性分 析 为 了保证结构在罕遇地震时仍有充 足的延性 和承 载力而不至倒塌 ， 在弹性分析 的基础 上 ， 采用 E P D A程 序进行弹塑性静力计算 ( P u s h o v e r 法) 做 补充分析 ， 计算 结果如 图 8所示 。 图 8 抗倒塌验算结果 从图 8中可 以看 出 ， 能力 曲线 与需 求 曲线 的交 点 坐标 是( 4 2 5 5 s ， 0 1 4 9 ) ， 需求层 间位移角为 1 2 1 4 ， 满足 3 0 高规 不大于 1 1 2 0的规定 。同时 ， 塑性铰全部 出现在 梁端 ， 没有 出现在柱端 ， 符合强柱弱梁 的设计要求 。 4 结论 工程采 用合 理 的建筑平 面布 置和 结构措 施 ， 很 好 地解 决 了地 震高烈 度地区房屋高度及转换层超 限的工 程难题。作 为钢筋 混凝土筒中简体 系 ， 结构受力 明确 ， 抗风 、 抗震性 能可靠 ， 为今后钢筋混凝 土结构在超高层 建筑设计方 面提供 了一定 的借鉴 意义 。 工程现 已竣工 ， 与钢 结构 主楼 一起 成为北 京 C B D 的新地标 。 参 考 文 献 1 高层建筑混 凝土结 构技术规程 ( J G J 3 -2 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 2 2 混凝土结构设计规 范( G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) S 北京 ： 中国建筑工业 出版 社 ， 2 0 0 2 3 钢结构设计规 范 ( G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ) S 北京 ： 中 国计 划 出版 社 ， 2 0 0 3 4 建筑抗震设计规范( G B 5 0 0 1 l 一2 o o 1 ) S 北京 ： 中国建筑工业 出 版 社 。 2 0 0 1 5 高层民用建筑钢结构 技术 规程( J G J 9 9 -9 8 ) S 北京 ： 中国建筑 工 业 出 版社 。 1 9 9 8 6 本 格 尼 S 塔 拉纳 特 ( 美 ) 高 层建 筑钢 混 凝 土组 合 结 构设 计 M 罗福午 ， 方鄂华 ， 王娴明 ， 张 良铎译 北 京 ： 中国建筑 工业出 版社 ， 1 9 9 9 7 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 S 2 0 0 3 躬 酊 鲫 n 九 九 九 九 维普资讯 http:/