北京· 国际大厦结构设计

第二十届全国高层建筑结构学术会议 2008年 北京· 国际大厦结构 钱维萍1顾燕宁1孙建华2 (I方略建筑设计有限责任公司北京100036)(2中国建筑科学研究院抗震所北京l咖13) [提要】 北京·国际大厦是大底盘四塔连体高层结构，七个空中廊桥将高度不同、平面相似但相互垂直的四塔连接在 一起。详细地介绍了该工程的抗震设计，包括概念设计、廊桥及节点连接、单塔及整体计算分析、廊桥位 移及舒适度分析、结构悬挑部分的抗震加强，以及如何将sAP2000ll通用软件计算结果与sATwE软件相结 合以解决施工图的内力及配筋计算问题。 [关键词】 四塔连体廊桥悬挑抗震设计舒适度 1 工程简介 北京·国际大厦位于海淀区中关村南大街东侧解放军艺术学院内。总建筑面积123500m2，占地 12428m?，总高度85m。主要功能为写字楼。建筑由德国著名建筑师奥托·斯泰德勒主持，初设及施 工图设计由方略建筑设计有限责任公司完成。2004年4月完成施工图设计，2006年10月竣工验收。 建筑群平面由A、B、C、D四座主楼通过7个空中廊桥围合而成。4层地下室，地上裙房3层，各楼座 平面尺寸均为24．3×43．2m，柱网尺寸6．75×8．10m；高度不等，分别为lO层、16层、19层及22层，首、 二层层高5m，3层以上3．7m；空中廊桥跨度均17．55m，双层或单层，分布在6～19层不同的高度，通 过防震缝将主楼两两连接(图1)。每座主楼的顶部3层沿长向外挑出5．4m。建筑师利用在不同的立面、 不同的高度的空中廊桥，将四个单体建筑整合成一个群体建筑。顶部的悬挑既为写字楼内提供了一个较 大的空间，同时也丰富了建筑立面。从保持整体建筑风格考虑，建筑师要求所有外立面竖向结构构件正 交。 钱维萍，女，1960．4生生，大学本科，高级工程师 ．296． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 ————————————————————————————————————————————————————————————————————————一 b丰奇—罩二型E七车年毒—#抖． I每 摩轿8～9层 22层 咄 o ’ 腱i～。 ：：橱两。匾盲：『： ? h ．旷韧一． 血嘲． 摩轿1k19层 簟 一捌固· 啦∞ 啦 ：一嘲： ?Ln 苫一 蠕 蟑 昔 愠 g 捷台7C^，?层唑， b层 ．．浏二～!l 菇I ．k鲴訾． ·一．I国豳 岫 10层 ．一。 庸柞：5屡 ：孽 ～●o：一r蔺瞒{i闭??∞ dn 稿 席挤9～10层 扼台 4～16层 建筑群平向布置图(图1) 工程结构具有较鲜明的特点：1)大底盘多塔结构，各塔平面相似，但高度相差大，且相互垂直布 置，从而造成整体刚度及形心不对称；2)四塔连体，不同高度处的7座廊桥将相互垂直、整体刚度及 形心不对称的4个塔联系在一起，地震效应较大；3)较大跨度的悬挑。 主楼采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，首层剪力墙除A座纵墙300厚外，A座横墙及其余各座均 为400厚；首层框架柱尺寸A座700×700、B座800×800、C、D座900x900；框架梁均为400×650。各 层梁、柱混凝土标号为：_4～-1层柱C60、梁c40，1～4层柱C60、梁C30，4层以上柱C50、梁C30。 廊桥高度范围及其下两层相邻梁、柱均采用钢骨混凝土结构。 2 廊桥及连接形式 空中廊桥将四个单体建筑连成一个整体，并且提供了宽敞的空间。为保持外立面平整，廊桥偏向建 箪物一侧布置。廊桥采用钢与混凝土组合楼面结构，层层支撑在两端主楼上。廊桥每层沿跨度方向设四 根钢梁，将各层荷载分别传递至两端主楼上。廊桥设计主要从两方面考虑，一是正常使用状态下，保证 舒适度的要求，在风力作用下空中廊桥应具有良好的稳定性，风动变形很小，不会使桥上人员产生不舒 适感；二是在地震的作用下满足规范的要求，即小震不坏，中震可修，罕遇地震作用下，保证建筑物不 ．297． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 倒，空中廊桥不会被甩落下来。 日{ 1 一 l o几 口 口 T —T 一 一 ⋯ ⋯⋯㈣" j 两 l—T ．‘ ● 肌。]m 目 l*舯 一 一 厂 『． ㈣㈣ ⋯l0 J ]’m．=—=—；—；，÷’，。I『．r!jn _ ”哺n’ 厂 T 而盯 _ 11 广rm 丌ln]n ● 9mrrr 1r『【l叮r 』 n’㈣ ， 1 1mn 』 i{ 琊丽 mm I．Ⅱ nn砸 1 ， T In_n i!m 一 田t1010i～n加耵 耵mr! t 口，。旺“．。Hr1御 i ／ ：i mn ‘ ”m耵 厂 ■ 盹丁r t rT椰1一一m『rT t．} 加耵 r ， ’T， 丌了町广 t『一 n晌0 r ■ ㈣『T E———J± 广 ¨⋯～．ⅢⅢ1一 r，_1 舯 t I 7：i_后～f崩一 ，■m‘j ” 目 ●m ～ * l l ttl1 一j1 一ITi17 Ⅲ n『] m 1一 lm一 ¨ LⅢ 田目 划。” ，’广1一i ㈨ n—n一川一m’T一一产-i 越。目 —J· 1 mnm? 目 ．Ⅱ。}丑 蛐。目 —I： 1 }i 1 旷 厂一 m 1 目Ⅲ 。．目 I’～L_J+二’二一’=一一1f一’。。=一二 q∥ 伊c座剖面图(图2) 廊桥与主体的连接形式是该工程能含安全可行的关键所在。由于空中七座廊桥横跨各主楼，最高的 廊桥距地面72．9m，廊桥两端的主楼结构平面的纵横轴相对(图2)，刚度相差较大，地震力大。为了最 大限度地降低地震时各主楼相互之间的耦连影响，廊桥与主体之间采用滑动支座连接，并选取适当支座 安置阻尼器，以确保风振作用下稳定而地震作用下又能释放能量。阻尼器的技术指标和参数见后面3。 廊桥与主体之间的橡胶隔震垫及阻尼器布置见图3。 为了确保主体结构的抗震性能，提供廊桥支座足够的支承面，支撑廊桥的牛腿均采用钢骨混凝士牛 腿，相邻主体框架梁柱采用了钢骨混凝土柱(图3、图4)。钢骨的加入使柱的强度得到明显提高，同时 柱的延性与耗能能力亦明显增强，抗震性能得到改善。 ．298— 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 @ z笋 ④——．L ⑨ !塑一——9 ， j ’ 1 ’ 一 厦尼} 蛳坪如IE腑支座 掉葳主座} 瑚胖 阻尼垂一飞RI∥+百一 一‘＼＼ ∥'—— 一l一=一． 31JJ■7 ’ fi’ 《 《 。 ，‘L_iZ2一 量_■ -一、 __L 8 8 8 《 j匡 _彳‘一一一 -一 l+ 群一 一 』 I．1[ ≈l 熹 ～ —— H == 蕈 ’J ：I } 《 8 《 8 =] T 。I ★ 誊 ：{ △I： 立 日一拓圳世 I— ]。 一一 —u— j 9 I l 6 -十 lj⋯≥一=一 一I．Ir_■⋯一 ￡_心∽N∥N物r妪塑塑∥矿『 墨卜I -『l 11I D座 『『 D—c空中连廊 CI 厂i：二 一 一 -‘ 一 ～ 。1 ⋯ } m∞ ． 1b帅 6瑚 ⑨ ④ 3计算分析 ⑨ ⑩ 廊桥隔振垫及阻尼器详图(图4) 抗震设计通过两阶段分析得以实现。第一阶段为多遇地震下的抗震分析，完成了结构的单塔分析和 整体分析，以获得构件的控制内力及配筋；第二阶段为中震下的抗震分析，通过对结构进行弹塑性分析， 将廊桥水平变位适当放大，以确定罕遇地震下廊桥的水平变位值，同时重点验算廊桥周围构件的内力。 ．299． 十烈1，引引l，刊引，．卜—矧l，—引l，I引1 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 3．1第一阶段抗震分析 1．单塔分析和整体分析 单塔分析和整体分析均采用国内结构设计软件sAlrwE及国际通用结构设计软件sAP2000Il (N0nline盯V7．10)。计算方法是：1)考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法：用S黼及 SAP2000n软件分别对单塔和整体两种情况作了分析；2)多遇地震下的弹性时程分析法，用SAP2000n 软件分别对单塔和整体作了分析。时程分析采用三条地震波，包括USAcAOl波、TaR波及人工波， USACA01波及TafI波采用东西、南北向记录，调整后作为x，Y向地震波输入，人工波采取两条不同 的人工波，作为X方向及Y方向分别输入。uSACA01波为SANFERNA卜『DO地震记录，Tan波为ⅪjRN COI删地震记录，均适用于中硬场地，人工波为根据本工程场地类别及结构自振周期生成的地震波。 单塔分析时，廊桥荷载(包括竖向地震荷载)以集中力的形式作用在与主楼的连接处，忽略了廊桥 刚度及各塔之间的耦连影响。单塔分析主要目的是比较两个分析软件计算结果的差别，同时也与整体分 析时的内力作比较，以便于确定控制内力。表1给出了D塔采用振型分解反应谱法的周期计算结果对 比。 D塔SAP2000n与SAT畦计算周期对比表1 振型 SAP2000n(单位：s) SATWE(单位：s) T1 2．03 2．085 亿 1．38 1．68 T3 1．26 1．6l T4 O．47 O．5l T5 O．40 O．50 T6 O-36 0．43 整体分析采用SATWE计算时，受软件功能限制，廊桥荷载仍只能采用单塔分析时的方法。而用 SAP2000n计算时，可将全部结构构件包括廊桥、橡胶隔震垫、阻尼器的刚度及阻尼作用均参与分析(图 5)。橡胶隔震垫的主要参数(见表2)为不同高度处的最大容许水平位移、等效剪切刚度、最大竖向承 载力；而阻尼器参数(见表3)则应考虑最大阻尼力、初始刚度、阻尼常数、阻尼指数、行程、频率范 围等。表4给出了单塔分析时sATwE计算结果及整体分析时sAP2000ll计算结果的对比，图6为用 sAp2000n软件进行整体分析时，D塔的时程分析及反应谱分析的层间位移角曲线。 隔振垫参数 表2 使用范围 最大容许水平位移 等效剪切刚度 最大竖向承载力 39．000以下 @200r啪 0．6kN／mm 1000kN 39．000以上 @300mm 1．0l洲，mm 1000l羽 ．300． 第 }月仝Ⅲ高“建筑镕拘7}t女“*≈20084 阻尼器参数 表3 K^mE／J }HJE*n ^亍^ 顿$mm M⋯mⅢ mE☆∞ Hz(kNj (kNs一㈣ nun¨ 05’20 o5一。2丌 单塔与整体计算的主璺结粜对比 表4 卜w n振Ⅲ期 SATWE SAP2000“ SATWE SAP2000n (**) (＆体) (m蟮) (##j ^* #自、F自 1l2 “# m向r功 1 27 BH #M、r女 ———— cm 横向平曲 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 纵向平动 1．64 1．43 1门316 l／2313 D塔 横向平动 2．10 1．88 l／955 l门480 扭转 1．55 1．23 层 时程分析法及反应谱法计算层间位移角(图6) 由表中结果看出：单塔分析时SAP2000n与S黼计算周期比较接近(见表1)。考虑了廊桥刚 度、橡胶支座及阻尼器的作用后(SAP2000n计算结果)，各塔周期明显低于未考虑该部分作用的情况 (sAl’、Ⅷ计算结果)，说明廊桥的存在对整体刚度的提高有较大的贡献。由于sAP2000Il不能给出构件 配筋，廊桥存在导致地震作用相应增大的构件配筋问题，可按下述方法转换成SATWE能解决的问题。 按反应谱公式：a=(丁g／丁)o·9a一 ，设伐l，五及0【2，五分别为用s姗或sAP2000n软件计算 时的地震影响系数、 结构自震周期， ‘为地震影响系数增大值， 则 乒0L。／a：=[(乃／正)¨a一]／[(乙／五)0。9a一】=(正／五)o’9。在sATWE软件计算参数中，修改“全楼地震 作用放大系数”为‘值，进行单塔计算并以此结果作为设计依据，进行结构构件的配筋。 2．悬臂结构设计 四座主楼顶部的大挑台，悬挑长度达5．4m，建筑要求不能有斜拉杆、斜撑等构件影响大空间的使 用。设计采用了钢悬臂梁方案，层层挑梁，内跨采用钢骨混凝土梁，逐跨过渡到钢筋混凝土梁。钢悬臂 一302． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 梁主要确保使用期间的强度安全，作为构造加强，挑梁端部另设置立柱连接各层挑梁，形成空间整体刚 架，这样处理除大幅减少了挑梁端部的挠度，也使得梁内的应力大幅度降低，保证了使用中对舒适度的 要求。 ． 3．2第二阶段抗震分析 1．廊桥水平变位 廊桥实际设计的水平变位即在罕遇地震时的变位，是通过对建筑物整体进行8度中震时的时程分 析，将弹性计算变位值放大3倍后再适当放大取整而得。时程分析采用的三条地震波的最大加速度为 200cm2／s，计算时长取20s。 各廊桥顶点与塔楼相对位移计数值 表5 廊桥与塔楼卡体中震相对 塔楼之问中震 考虑罕遇地震 廊桥位置 位移(mm) 相对位移(mm) 廊桥与主体之间缝宽 A～B塔35．900标高 ．35～29 —5l～57 200 A～B塔21．100标高 一19～18 ．19～24 200 B～C塔61．890标高 ．5l～49 —70～87 300 B～C塔35．900标高 一26～20 ．32～42 200 C～D塔35．900标高 一28～26 ．34～33 200 C～D塔72．900标高 ．28～十54 —128～86 300 A～D塔32．200标高 ．24～29 ．31～35 200 表5给出了时程分析中廊桥与主体结构之间的相对位移和两塔之间的相对位移。图6给出了C塔 与D塔之间72．9m标高处廊桥与D塔支座之间，以及C塔与D塔之间与廊桥同层的两点之间的相对位 移时程曲线，廊桥与D塔支座之间的相对位移为．28～+54IIlIn，在与廊桥同层的C塔与D塔之间两点 之间的相对位移为．128～+86mm，从曲线可以看出隔振支座和阻尼器起到一定作用。由于采用的是整体 计算的结果，因此，B塔、A塔对C塔～D塔间廊桥的影响也体现在以上计算结果中。 ．303． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 童 簿 霎 罂 C塔、D塔之间及廊桥与D塔之间相对位移时程曲线(图7) 2．舒适度分析 廊桥在风荷载作用下结构的舒适度按荷载规范提供的公式以静力方式加载，按以下简化方法计算。 y(f)=口sin(∞f+0【)亡=剀(f)=口∞2sin(∞f+0【) 其中：少(f)为位移 夕(f)为加速度 口为最大振幅，取风载作用下最大位移 国为角频率，假定风振过程中廊桥与主体结构同步振动，取相邻C 塔的角频率，则最大加速度纠一=口∞2 根据S印2000n计算结果，口=O．0018，，l，∞=2兀／丁=4．5 纠一=o．038聊／s2，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3·2002)中关于舒适度的要求。 4基础设计 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 工程地下四层，基础埋深．18．Om。由于各主楼高度差异大，尤其存在大面积纯地下车库与各个主楼 相连，差异沉降在所难免。地质条件：持力层为第四纪晚更新世冲积层园砾卵石层，地基承载力特征值 为380kpa。经沉降计算分析，主楼最大沉降46衄，裙房20衄，最大差异沉降将近30衄。 由于两主楼间的裙房仅有一个柱列，设置施工后浇带，只能将主楼与主楼切开，而无法将单歹d柱的 裙房与主楼切开。如果不设施工后浇带，主楼与裙房间的差异沉降会在地梁内产生附加内力，使得地梁 的配筋量大为增加。因此设计时，主楼采用筏板基础而裙房采用柱下条基以减小两者的差异沉降，将沉 降差控制在15mm以内；两基础间以上翻式梁筏基础相连，其下垫层内铺设聚苯板(图8)，既保证了良 好的整体刚度，又将主楼与裙房基础隔开，这样处理使得原内力很大的地梁其内力与配筋均大幅下调。 根据沉降观测结果，主楼与裙房的最大差异沉降为30II埘，与设计预估接近。 5结语 DC座基础剖面图(图8) 对于北京·国际大厦这样的大底盘多塔连体高层结构，各塔宜尽量对称布置。当廊桥位置较高时， 廊桥与主楼的连接宜采用滑动连接，以释放地震能量，减小地震时廊桥对主楼造成的破坏，但前提是主 楼应能提供给廊桥足够的支承面。对这类结构进行分析时，应将廊桥、支座、阻尼器的刚度及阻尼作用 参与分析，这样才能真实反映结构的受力特性。 对于悬挑结构，其根部既是剪力最大也是弯距最大点，一旦出现裂缝，对结构刚度有很大的削弱。 因此，按悬臂梁控制强度安全，在悬挑端部加柱形成刚架来加强其刚度是一个有效方法。 ．305．