北京移动通信综合楼型钢混凝土结构设计与施工.pdf

第 3 7卷 第 l 2 期 建 筑 结 构 2 0 o 7年 l 2月 北京移动通信综合楼型钢混凝土结构设计与施工 王多民 陈 雷 岳君威 ( 北 京东方 筑 中建设规 划设计 有 限公 司 1 0 0 0 3 6 ) 提要】 北京移动通信综合楼机房楼楼面荷载大， 建筑及设备对结构梁柱断面 、 刚度 、 耐火及抗震性能均有很 高要求， 型钢混凝土框架一 剪力墙结构可以很好地满足各项指标要求。办公楼存在大量错层较多的长柱， 底部 四层楼板削弱严重， 且存在斜柱的转换问题， 采用型钢混凝土结构可以增加结构安全储备和延性 ， 提高结构抗 震性能； 采用组合梁则有助于减轻 自重， 节约用钢量。还介绍了型钢混凝土结构一些设计及施工要点。 关键词】 型钢混凝土抗震 长柱 刚度 D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n E x p e r i e n c e o f B e i j i n g Mo b i l e C o mmu n i c a t i o n B u i l d i n g Wa n g D u o m i n ， C h e n L e i ，Y u e J u n w e i ( B e ij i n g O r i e n t a l E l i t e P r o g r a m m i n g D e s i g n i n g C O ， L T D ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e e q u i p m e n t b u i l d i n g o f B e ij i n g M o b i l e C o m mu n i c a t i o n B u i l d i n g s h a s gr e a t l o a d o n e a c h fl o o r ， a n d a r c h i t e c t s a n d e q u i p me n t e n g i n e e r s h a v e h i g h r e q u i r e me n t s f o r s e c t i o n a l d i me n s i o n of f r a m e s ，s t i f f n e s s ，fi r e a n d s e i s mi c r e s i s t an c eS e c t i o n s t e e l c o n c r e t e f r a me s h e a r w all s t r u c t u r e c a n s a t i s f y a l l of t h e m B e s i d e s ，t h e r e are ma n y u n f a v o r a b l e f a c t o r s t o t h e e a r t h q u a k e - r e s i s t a n t b e ha v i o r of t h e o f fic e b ui l di n g，s u c h a s l o n g c o l u mn s，s e rio u s we a k n e s s of t h e s l a b s an d t r a n s f e r of l e a n i ng c o l u mns S e c t i o n s t e e l c o n c r e t e s t ruc t u r e w i t h c o mp o s i t e b e a ms i s a p p l i e d f o r i t s l e s s w e i g h t a n d be t t e r e a r t h q u a k e - r e s i s t an t b e h a v i o r Ke y p o i n t s of d e s i g n a n d c o n s t ruc t i o n of t h i s k i n d of s t ruc t u r e a r e d i s c u s s e d Ke y wo r ds： s e c t i o n s t e e l c o n c r e t e；s e i s mi c r e s i s t a n c e；l o n g c o l u mn；s t i ffn e s s 1 工 程概 况 北京移动通信综合楼地处北京市东城区海运仓路 与东直 门南大街路 口西北 角 ， 总建 筑 面积 6万 m ， 建 成后将是北京移动通信公 司总部办公楼及世界先进 的 通信枢纽。建筑物地上 由南北两楼及连接 中厅共 同组 成 。南楼是公 司的主要行 政办公 场所 ， 地上 1 6 层 ， 总 高度是 6 7 5 m； 北 楼 是通 信 机 房 ， 地 上 1 5层 ， 总 高度 6 3 3 m； 中间是高达 5 0 m的独立玻璃幕墙及玻璃顶 围合 的钢结构连体 ， 为南 北两楼 的公共 出入 口及 主要竖 向 交通 ， 内设 6部观光 电梯 、 连廊及三层休息平 台。大底 盘地下室为停车库 ， 设备用房 ， 物业用房等。其 中地下 3 层车库在战时为六级人防。建 筑效果见 图 l ， 结构平 面布置见图 2 。该建筑物于 2 0 0 4年 4月完成设计 ， 2 0 0 4 年 1 2月 2 7日结构封顶。 该场地本平 坦 ， 地 面标高约 4 3 1 9 4 4 6 6 m 。场地 深度 2 0 m范围内土层等效剪切 波速 =2 3 2 m s ， 中软 场地土 ， 场地类别 为 类 。北京城 区抗震设 防烈度 为 8 度。勘察场地不存在液化土层 。 2 结构选型及计算分析 由于建筑物 地上 三部分刚度差 异较大 ， 难 以作 为 整体结构设计 ， 因此把地 上作为 3栋不 同 的建 筑物分 别设计。大底盘 地下室按 多塔结 构计 算 ， 以考 虑上部 建筑物对其影响 。 5 8 2 I机房楼 机房楼 系 乙类 建 筑 ， 设计 耐 久 年 限 1 0 0年 ， 故 抗震 措 施 按 9度设 防， 设 计地 震 作 用 放 大 系 数 取 1 2 。层 1 ， 2层高 4 8 m， 标 准层层 高 4 1 m， 标 准层 平 面布 置见 图 2 。该 楼使 用 荷 载 较 大 ， 普 通 机 房 为 6 k N m ， 层 2 ， 3 ， 5的 I D C机 房 为 1 0 k N m 2 ， 层 4 ， 9， 1 3 的 电 池 电 力 室 达 1 5 图1 移动通信综合楼效果图 2 0 k N m 。这么大 的楼 面使用 荷载若 采用 普通钢 筋混 凝土结构将导致 非常大 的梁柱断 面， 严 重影 响建筑使 用空间 ， 以致 不能满足 后期使用要 求。如 果采用 钢结 构 ， 必定在耐火性能及刚度上都稍差 ， 考虑到该楼的特 殊重要性及设备 的使用要求 ， 设计跟业主都觉不妥 。 经多次方案 比较 ， 机房楼最终 采用 了型钢混凝 土 框架 剪力墙结 构体系 ， 即在梁 、 柱 、 剪力墙边缘 构件及 连梁 内均设 型钢 的混凝土结构体系 。 层 1 ， 2中柱 断面 9 0 09 0 0， 层 3以上收 为 8 0 0 8 0 0 ， 边柱均取 8 0 08 0 0 。柱内设箱形钢骨口4 0 02 0 I 8 ， 内灌 自密实高强混凝土。混凝土层 1 6为 C 6 0 ， 层 维普资讯 http:/ 一 * 一 ， 。 一 T 1 I 。 一 诤 4 -一 一 -一 + -一 4- 一 i,- 4- 一 一 4 - - r I凯房楼层2 -1 5 中 厅 一 l ： ： 8 ；1o 邑 l 1 舟 棱 屠 4 1 -一 ： ： ： 图 2 移动通信综合楼结构平面布置 6以上采用 C 4 5 。 主梁截面各层 均为 6 5 06 5 0 ， 均加设 HB 3 8 02 5 0 焊 接 H型钢 ， 根据使用荷 载大小调 整翼缘钢板 厚度及 梁配筋 。跨 内设十字交 叉次 梁 ， 以加强楼 层 刚度及减 小板跨 ； 楼盖均采用 C 3 5混凝土 。 梁柱 钢 结 构 均 按 现 行 钢 结 构 设 计 规 范 ( G B 5 o 0 1 7 2 0 0 3 ) 及 高 层 民用 建筑 钢结 构技 术 规程 ( J G J 9 9 9 8 ) ( 简称 高钢规 ) 要求进行构造及节点设 计。钢梁柱 连接均 采 用柱 上 伸 出悬臂 梁段 的栓 焊 连 接 ， 因此完全 自成框架 。为保证钢 与混凝 土的共 同作 用 ， 除 了要求加密 区柱 体积配 箍率不 小于 1 0 外 ， 还 要求钢柱设置栓钉 ， 具体为 ： 栓钉在底部加强 区全长设 置 ， 其他部位 节点上下各 1 倍柱截 面高度范围 内设置 ； 箍筋直径取 1 2 m m以上 ， 加 密 区间距 1 0 0， 非 加密 区 间 距 1 5 0 。梁柱节点核心 区由于钢梁存在 ， 为了减小穿筋 量 ， 箍筋采用 1 6 m m直径焊接封闭箍 ， 间距取 1 2 0 m m， 且 仅保 留外套箍 ， 四角设置拉筋 。 剪力墙利用 楼 电梯 间及设 备用房周 边进 行布设 ， 形成 4组筒体 ， 为弥补左边两个端筒尺寸上 的不足 ， 又 在轴 间设 置 2片纵墙 加以补强 ， 使 得全 楼左 右 两边 墙体数量较为均匀。 方 向轴线 上剪力墙厚度 取 4 0 04 5 0 m m，Y方 向 轴 线 上 剪 力 墙 厚 度 取 4 5 0 5 0 0 m m，其它 简体外 围墙厚 4 0 04 5 0 m m， 筒 内分 隔墙 厚 2 0 02 5 0 m m。轴线 上 及 筒体 周 边 剪 力墙 暗 柱 、 暗 梁 、 连梁内也加设型钢 ， 形成暗钢框 。这样 既方便剪力 墙与钢梁的连接 ， 又增 加 了墙 体的延性 。为便于 型钢 混凝土剪力墙施工 ， 剪力墙断面沿全楼高度范 围不变 。 混凝土部分按照 高层建筑混凝 土结构技术规程 ( J 1 8 6 -2 0 0 2 ) ( 简称 高规 ) 有关混合结构设计部分的要 求进行设计 ， 框架抗震等级按一级 ， 剪力墙按特一级 。 结构计算采用 S A T WE程序 ， 主要 振型计算指标见 表 1 。底层剪重 比： 向 6 5 0 ， Y向 6 3 9 ； 层 间位移 角 ： 向 1 1 3 7 5 ， Y向 1 1 3 3 4 ； 偶 然偏心 下最 大楼层位 移 比： 向 1 0 8 ， Y向 1 1 6 。可见该楼各 项计算指标均 能很好地满足规范要求 。 主 要振型计 算指标 表 1 振型 周期( S ) 平动系数 ( Y ) 扭转系数 l 1 1 2 9 1 0 0( 0 0 0+1 0 0) O o 0 2 1 0 9 7 1 0 0( 1 0 0+0 0 0) O o 0 3 0 7 4 0 0 0 4( 0 0 0+0 0 4) O 9 6 这样的结构可 以形成 多道抗震 防御体系 ， 使得 在 罕遇 地震下 即便混凝土结 构有较严重的开裂甚至剥落 后 ， 钢框架仍能作 为完整 的结构与横 向箍筋 约束 内的 混凝 土组成具有 一定 刚度 的抗侧体 系 ， 以保 护昂贵 的 通信 设备 ， 保证 通信进行 。很好 地满 足了重要 建筑物 的抗震性能要求 。 2 2 办公楼 办公楼 耐久年 限要求 亦为 1 0 0年 ， 其 最大 特点及 难点在于 以下方面。 1 层 2 4楼板缺失严重 ， 从而使得 轴上 多根柱 单层高度达 1 7 8 m， 轴上多根 柱也是贯通底 部 3层 ， 无任何梁 板与 之连 接。 由于这些 柱 均为 主要 承重 构 件 ， 保证这些长柱 的安全 、 上 部地震力 的有效传 递 、 以 及底部核心筒 抗震性能 ， 都 成为设计 成败 的关键 。办 公 楼层 2 4布置见图 2 ， 标 准层平面见图 3 。 图 3办公 楼 层 标 准 层 平 面 布置 图 2 层 5开始轴外逐层增加 外挑 0 6 m， 如 图 3所 示 ， 至顶层最 大外挑 达 8 m。为支承该 部分 ， 结 构需 设 置斜柱 ， 斜柱采用边 长 4 0 0 m m的方钢管柱 。斜柱生根 处的设计也是设计的重点。 根据该建筑物体 形及平 面布置 的特 殊性 ， 结 构方 案应本 着减轻 自重 、 减小柱 轴力 、 增加 简体延性 、 增强 结构 的整体性 的原则 。故经 讨论 ， 采用 型钢混 凝土柱 钢框架一 简体结构体 系 ， 体系 的具体设计 采取 了如下措 施 。 ( 1 ) 让简体承担底 部绝 大部分 地震力 。利 用两侧 空调机房 、 楼电梯 间及设备管井形成东西 两个端 筒 ， 两 个简体通过楼板连接协 同工作 ， 形成抗侧体 系 ， 两个端 5 9 维普资讯 http:/ 筒还 可 以提 供 巨 大 的扭转 刚度 。简 体 外墙 厚 4 0 0 5 0 0 m m， 简体边框 柱 、 暗柱 及暗梁 内均设 置 型钢 ， 并 形 成暗框架 ， 以增加墙体承载力和延性 ， 并形成罕遇地震 下 的第二道防线 。 ( 2 ) 对长柱进行加 强 ， 减小长 柱 的轴 压 比， 并 通过 设置劲性梁 加强长柱 柱顶部 的约束。具体 为： 轴层 1 5的长柱采用截面1 2 0 01 2 0 0 的型钢混凝土柱 ， 型 钢取口8 0 02 4箱形断面 ， 并通长 设置栓 钉。层 6以上 截面变为1 0 0 01 0 0 0 ； 轴长柱采用 1 0 0 01 0 0 0 断面 型钢混凝土柱 ， 内置箱形型钢 口6 0 02 0 。为将上部地 震力有效传递给 两个端筒 ， 层 5 ， 6均采用 了型钢混凝 土框 架梁 。其 中建筑 物 周边 框架 梁采 用 了 9 0 08 0 0 的断面 ， 以增加对下 部长柱 的约束 。除此 之外 ， 层 5 ， 6 楼板均采用厚 1 8 0 ， 双层双向配筋 。 其他柱 均 采用 截 面 8 0 08 0 0的 型钢 混 凝 土柱 。 柱混凝土层 1 5为 C 6 0 ， 以上 为 C 4 5 ， 型钢 内均灌相 同 标号的 自密实混凝土 。 ( 3 ) 标准层楼 盖体 系采用钢梁 +钢筋混凝土楼板 ， 减少了结构 自重 ， 降低了结构高度 ， 增加 了梁下使用空 间。仅在轴线上设 置钢梁 ， 板 采用普通 钢筋混凝 土楼 板 ， 厚 1 6 0 ra m， 通过栓钉与钢梁连接。主梁支座抗震验 算时不考虑 钢一 混凝土楼板的共 同作用 ， 次梁 及主梁跨 中均考虑组 合楼板 的作用 。经实践证 明 ， 这样 的楼盖 体系支模方便 ， 施 工速度快 ， 混凝土 浇筑质量好 ， 并且 由于考虑了组合楼板的作用 ， 大大减少 了用钢量 。 ( 4 ) 斜柱基础采用整层高的型钢混凝土外挑牛腿 ， 生根于层 5柱上 ， 见 图 4 。斜柱 传来 的达2 0 0 0 k N 的斜 向轴力的分力将分别传给层 5 ， 6两层楼板及下柱 。因 此设 计上应保证这 两层楼 面的刚度 ， 而对层 5 ， 6楼盖 的加强正好满足 了这一点。 另外 ， 为增加轴挑 出部分 的竖向刚度 ， 出挑跨顶 层设置两道交叉支撑。 鉴于办公楼为丙类 建筑 ， 框架 及剪力墙 抗震 等级 均取 1 级 ， 但 由于设计耐久年限要求 ， 全楼 地震作用放 大系数仍取 1 2 。 结构计算采用 S A T WE程序 ， 主要振 型计算 指标见 表 2 。底层剪重 比 向为 5 2 8 ， Y向为 5 5 7 ； 层 问 位移角 ： 向为 1 9 1 8 ， Y向为 1 8 9 1 ； 偶然偏心 下最大楼 层位移 比 向为 1 3 8 ， Y向为 1 2 8 。可见 ， 该楼各项计 算 指标均能满足规范要求 。 主 要振型 计算指标 表 2 振型 周期( s ) 转角( 。 ) 平动系数( Y ) 扭转系数 1 1 4 9 3 1 O 3 3 5 0 9 9 ( 0 0 6+0 9 3) O O1 2 1 4 7 0 1 5 5 9 0 9 6 ( 0 9 0+0 0 6) 0 0 4 3 1 0 3 3 1 6 O 1 5 0 0 6 ( 0 0 5+0 01 ) 0 9 4 6 0 _ 塑 堑 旦 量 m0v 一 一 一 l c j 一 、 。 。 三 牟 _ 厚 6 0 0 混 凝 土 墙 茫 鲁 褥 n 一 、 M- 州 富 量 = 竺兰三! 一 一 图 4斜 柱 生根 不 意 3 典型设计节点 图 5 9 是该工程的一些较典 型的设 计节点构造 。 图 1 0为节点现场照片。图 5所示典型框架 梁截面 ， 梁 上下各 配 4 8根主筋 ， 根据受力 大小 调节直径及钢板 厚度。钢筋少于 6 根时 ， 不穿孔 ， 钢筋均 从钢柱两边绕 过 ， 中间钢筋 间距用加构造筋 的方法满足规范要求 ； 多 于 6根时 ， 中间两根钢筋从型钢柱穿孔通过 。 柱钢骨 6 5 0 I 图 5 典型框架梁 截面示意 墙 内设三 排钢筋H 寸 、 钢 筋 位、 4 m 1 0 同墙毒 图 6 钢筋混凝土剪力墙 与钢骨混凝土柱的连接构造 图 7暗柱 截 面大 样 图 6为钢筋混凝土剪力墙与钢骨混凝 土柱的连接 构造 。剪力墙水平筋均锚入柱 内不小于 f 。 ， 底 部加强 部位设约束边缘构件 。图 7为暗柱截面大样。暗柱 内 型钢翼缘宜窄。考虑连梁 、 暗梁内钢骨及 钢筋布置 ， 钢 骨每侧距构件边缘距离不小于 1 2 0 。 型钢混凝 土柱应满 足配箍率要 求 ， 但 为减少节 点 薤 维普资讯 http:/ 一 图 8 型钢混凝 土柱截 面 ( a )项层钢梁柱节 点 图 9框 架 柱 再 梁 柱 节点 伪装箍筋构造 一 ( b )不需梁筋穿柱 时梁 中间加 构造筋 满足钢筋间距要求 ( c )梁中间两要钢筋穿箱型 柱 ( d )剪力墙边缘 构件内钢骨架 图 l 0 部 分现场施工照片 核心区箍筋穿孔量 ， 该位置应采用大直径外套箍 ( 焊接 箍) ， 内侧可采用八 字箍或拉筋 ， 箍筋问距适 当加 大， 见 图 8 ， 9 。次梁下部钢筋锚入主梁内 1 5 d ， 当水平锚 固不 足时 ， 可将钢筋伸至主梁腹板 ， 向上弯折锚 。 4 型钢混凝土结构的施工问题 由于现行 型钢混凝土结构技术规程 沿 用的是 8 9 系列规范 ， 在该工程设计时 已经不适用 ， 只能部分借鉴 相关 内容 ， 故现在型钢混凝 土结构设计应严格执行 高 钢规 及 高规 的所有 规定 。因为 高规 对配 筋( 箍 ) 率 、 钢 ( 箍) 筋间距 要求非 常严 格 ， 使得 一些 节点钢 筋 、 钢骨穿插复杂 ， 给施 工带来一定 的困难 。设计 、 施 工过 程中有 以下几点体 会。 ( 1 )型钢混凝土梁 宽不宜小 。型钢 上翼缘侧边 至 梁侧边距离不宜小于 1 0 0， 否则角筋 与型钢 距离太 小 ， 振捣棒难 以下去。 ( 2 )型钢上翼缘顶 面距梁顶 面距 离不宜小于 1 2 0 。 否则， 当梁采用双排 筋时 ， 钢筋交叉导致顶部保护层厚 度 不足 。 ( 3 )剪力墙 暗柱 ， 暗梁 内若 采用 型钢 ， 一定考虑施 工的可行性 ， 尽量采用窄翼缘 型钢 。设计 时 ， 应仔 细排 布钢筋 与型钢的关系 ， 保证振捣棒能下去 。否则 ， 墙体 振捣不实 ， 得不偿失 。 ( 4 )若柱设置栓钉 ， 长 度不宜高 出外套 箍筋 内皮 ， 否则 ， 箍筋不能一次套人 ， 大直径箍筋施工相当费力 。 ( 5 )梁钢筋 如需穿 柱钢 骨 ， 则 穿孔宜 统一 ， 否则 ， 加工时容易弄错 。孔 径可适 当 留大 ， 一般 为钢筋 直径 +( 81 0 ) mm， 以利 于穿 筋 ， 当 对截 面削弱 较多 时 ， 应 考 虑其影响 。 ( 6 )为方便 节点 区施 工 ， 建 议柱箍 筋 在节点 区只 用外套箍 ， 可采用大直径 焊接箍 ， 并把 间距调 为 1 2 0 1 5 0 ， 以减小穿梁腹板钢筋数量 。 ( 7 )柱采用 箱形钢 骨时 ， 柱 芯 内混 凝 土一次 性浇 灌 高度不宜大于 1 5 m。实践 证明 ， 若高度太 大 ， 自密实 混凝 土离析严重 ， 达不到设计 强度。建议每 34层浇 灌一 次。 ( 8 )型钢 混凝 土结 构 由于 牵涉单 位较 多 ， 只有 设 计 、 加 工 、 施 工 、 监 理 四方 密切 配合 ， 及 时发 现隐 藏问 题 ， 并通过 回馈信息来 优化设计 ， 才能保证工程顺利实 施 ， 不至于导致人力 、 物力 的浪费 。 5 结 语 型钢混凝 土结构 以其较 高的承载力 ， 良好 的抗震 性能及防火性 能 ， 用 于重要及 复杂建筑 物时有不 可 比 拟 的性能 。同时 ， 只要设计合理 ， 型钢混凝 土结构并不 比普通钢结构经济性 能差 ； 但 两种不 同施 工工 艺的交 叉也给施工带来 复杂性 。移动通 信综合 楼设计 、 施 工 经验表明 ， 只要设计 时充分考虑施工的可行性 ， 并切实 配合现场不断完善设 计 ， 型钢 混凝土结 构一样 可以做 到较快的施工速度 ： 办公 楼标 准层 为 7 d一层 ， 机 房楼 为 8 d 一层 。可 以相信 ， 型钢混凝土结构 以其独特的优 点一定会被越来越多地 用于建筑物 中。 参 考 文 献 1 刘大海 ， 杨翠如 高楼钢结构设 计 M 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 ， 2 0 0 3 2 本格尼 S 塔拉 纳特( 美)高层建筑 钢 混凝 土组 合结构设 计 MI 罗福午 ， 方鄂华 ， 王娴明 ， 等译 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 1 9 9 9 3 刘维亚 ， 张兴武 ， 姜维 山， 等型钢 混凝 土组合结 构构造与计 算 手册 f M1 北 京 ： 中国 建 筑 工 业 出版 社 2 0 0 4 o c c , o 8 ( 悬挂运输设备轨道设计计算 国家建筑标准设计 图集与标准图 悬挂运输设备轨道设计计算 ) ( 2 0 0 5年合 订本 ) G 3 5 9 1 4和 0 7 S G 3 5 9 -5配套使用 ， 用 于悬挂运输设 备轨道工字钢及连接件的设计和计算 。 参考 图针对 0 5 G 3 5 9 -1 4和 0 7 S G 3 5 9 -5 ， 详 尽地 阐述 了直线轨道 、 弧线轨 道和悬臂轨 道的设计 原则 及计算方法 ， 并配有轨道设计计算软件 ， 方便 使用者 根据具 体工程情 况 ， 利用本软件进行各种应 力验算 ， 再根据 计算结 果 ， 参 照 国标 图集 G3 5 9各 分 册 选 定 悬 挂 运 输 设 备 轨 道需 用 的 工 字 钢 型 号 及连接件 ， 完成设计 。 ( 中国建筑标准设计研 究院马颖芳) 6】 维普资讯 http:/