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北京国锐金嵿A_B座塔楼结构设计_JonathanKerry
作者:admin  日期:2020-12-22 08:01 来源:未知 浏览:

  第 44 卷 第 24 期 2014 年 12 月下 建筑结构 Building Structure Vol. 44 No. 24 Dec. 2014 北京国锐金嵿 A,B 座塔楼结构设计 Jonathan Kerry, 麦慧琳, 苏国柱, 武 涛, 杨 阳, 徐朝阳 ( 奥雅纳工程顾问,北京 100020) [摘要] 北京国锐金嵿 A,B 座塔楼结构高度为 179. 45m,采用型钢混凝土柱钢梁框架-钢筋混凝土核心筒结构体 系。本塔楼的结构特点为不设置伸臂桁架和腰桁架,平面形状为矩形,纵向较窄,横向柱网为大小跨。介绍了该结 构的结构体系、弹性分析、静力弹塑性分析和针对中震拉应力进行的方案改进等内容,结构在较为经济的条件下满 足各项整体指标及抗震性能目标。 [关键词] 高层建筑; 混合结构; 静力弹塑性分析; 抗震性能化设计 中图分类号: TU318 文献标识码: A 文章编号: 1002-848X( 2014) 24-0054-05 Structural design of Beijing Guorui Kingdom Tower A & B Jonathan Kerry,Mai Huilin,Su Guozhu,Wu Tao,Yang Yang,Xu Zhaoyang ( Arup,Beijing 100020,China) Abstract: Guorui Kingdom Tower A & B in Beijing has the structural height of 179. 45m. Structural system of reinforced concrete core wall plus composite frame which consists of steel reinforced concrete column with steel beam is adopted in the tower. The characteristics of the tower structure are as follows: there is not any outrigger or belt truss; plane shape is rectangular with narrow width in the transverse direction; column grid in the longitudinal direction is uneven. The structural system of the tower was introduced as well as elastic analysis,pushover analysis and structural improvement to reduce tensile stress under the fortification earthquake. The structure provides a cost-effective solution that meets all global requirements and seismic performance criteria. Keywords: high-rise building; mixed structure; pushover analysis; performance-based seismic design 1 工程概况 北京国锐金嵿项目位于北京市大兴区经济技术 开发区,由一系列高层塔楼组成( 图 1) ,奥雅纳工程 顾问负责其中的两栋超高层塔楼,分别为办公塔楼 A 座和服务式公寓加办公塔楼 B 座。 北京国锐 金 嵿 A,B 座 塔 楼 建 筑 高 度 均 约 为 183m,结构高度为 179. 45m,地上 39 层,地下 3 层, 地下 3,2,1 层层高分别为 4,4,7m; 1,1M 层层高为 5. 5m,2 ~ 11 层、12M ~ 22 层、24 ~ 33 层层高为 4. 5m,12 层 层 高 为 3. 3m,23 层 层 高 为 6. 5m,34 层 层 高 为 6. 6m,35,36,36M 层层 高 分 别 为 4. 9, 3. 6, 4. 55m。12 层 和 23 层 为机电避难层,34 层为 机电 层,36M 层 为 擦 窗 机层,1M,12M 为夹层。 上人的最高楼层高度约 为 180m,每栋塔楼的建 图 2 A,B 座塔楼效果图 筑 面 积 大 约 为 7. 3 万 m2 。楼层平 面 布 置 呈 长 方 形,中 央 的 核 心 筒 为 矩 形,内含所有垂直交通、设备竖井和服务空间。北京 国锐金嵿 A,B 座塔楼在结构布置上完全相同,唯一 不同的是 B 座塔楼低区为服务式公寓。因此,本文 主要对 A 座塔楼( 简称塔楼) 的结构设计进行介绍。 A,B 座塔楼效果图见图 2。 本建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等 图 1 北京国锐金嵿项目整体效果图 作者简介: Jonathan Kerry,硕士,英国认证工程师,英国土木工程师协 会会员,Email: jonathan. kerry@ arup. com。 第 44 卷 第 24 期 Jonathan Kerry,等. 北京国锐金嵿 A,B 座塔楼结构设计 55 级为二级,工程抗震设防烈度为 8 度,设计基本地震 加速度为 0. 20g,核心筒抗震等级为特一级,框架柱 抗震等级为一级。地震分组为第一组,根据地质勘 查报告,场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为 0. 45s, 多遇地震下水平地震影响系数最大值为 0. 16( 安评 报告为 0. 17 ) 。本塔楼基本风压 w0 为 0. 50kN / m2 ( 100 年重现期) ,基本雪压为 0. 40kN / m2 ( 50 年重 现期) 。 2 结构体系 本塔楼采用了型钢混凝土柱钢梁框架-钢筋混 凝土核心筒 结 构 体 系,多 重 结 构 抗 侧 力 体 系 承 担 风荷载和地震荷载产生的水平荷载。建筑平面尺 寸为 46m × 37m,高宽比约为 5,核心筒平面尺寸为 31m × 17. 8m,核心筒纵向高宽比为 10. 1。核心筒 分外墙及内墙,外墙厚度由 1 000,900mm 从 下 至 上逐步收进至顶部 450,400mm。核心筒底部混凝 土强度等级为 C60,核心筒中部和上部混凝土强度 等级分别为 C50,C40。根 据 建 筑 布 置 的 要 求,横 向的 柱 网 间 距 跨 度 大 小 不 等,其 中 跨 度 最 大 为 12m,最小 为 4. 8m。X 向 柱 截 面 尺 寸 由 1 750mm × 1 300mm 从 下 至 上 逐 步 收 进 至 1 000mm × 1 300mm; Y 向柱截面尺寸由 1 300mm × 1 300 mm 从下至上逐步收进至 1 300mm × 700mm。标准层 结构平面布置图如图 3 所示。 塔楼底部 作 为 大 楼 的 电 梯 大 堂 及 公 共 空 间, 并于 1 层处设置夹层 1M 以布置部分商业及配套 设施。塔楼沿高度设置两个避难层 12 层和 23 层, 避难层部分面积用于布置机电设备。夹层的设置 在结构上形 成 穿 层 柱,计 算 时 按 照 对 应 普 通 柱 的 剪力考 虑 计 算 长 度 不 同 进 行 承 载 力 验 算。 同 时 图 3 标准层结构平面布置图 Pushover 分析的结果表明,在大震性能点 时,框 架 柱没有出现塑性铰。 根据建筑 师 的 要 求,平 面 横 向 的 柱 子 为 外 立 面 可 见 ,从 地 面 一 直 延 伸 至 顶 部 ,通 过 顶 部 的 门 头 连接以达 到 整 体 的 效 果。另 外,为 配 合 建 筑 师 对 整 体 建 筑 效 果 的 要 求 ,本 塔 楼 没 有 设 置 腰 桁 架 、伸 臂桁架等 加 强 措 施。因 结 构 纵 向 较 窄,致 使 Y 向 刚度偏弱,在 地 震 作 用 下 仅 刚 好 满 足 层 间 位 移 角 限值的要求。 楼面钢梁与外框柱及核心筒铰接,楼板除了地 下室采用现浇钢筋混凝土楼板外,其余楼层的楼板 均采用钢 梁、压 型 钢 板 和 混 凝 土 组 成 的 组 合 楼 板 ( 压型钢板按模板设计) 。标准办公楼层的楼板厚 度为 130mm,标准公寓楼层的楼板厚度为 150mm,1 层及避难层的楼板厚度为 200mm。 3 结构计算分析 3. 1 抗震性能目标 工程依据文 献[1]进 行 超 限 审 查,塔 楼 结 构 高 度 180m,超 过《高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程》 ( JGJ 3—2010) [2]( 简称高规) 表 11. 1. 2 规定的型钢 混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构适用的最大高 度 150m 的要求,为超限高层结构。鉴于本工程的 超限水平和结构特点,对抗侧构件实施全面的性能 化设计,根据工程的场地条件、社会效益、结构的功 能和构件重要性,并考虑经济因素,结合概念设计中 的“强柱弱 梁、强 剪 弱 弯、强 节 点 弱 构 件 ”和 框 架 柱 “二道防线”的基本理念,制定塔楼的抗震性能目标 如表 1 所示。 3. 2 弹性计算分析 工程采用 SATWE 和 ETABS 两种软件对塔楼进 塔楼抗震性能目标 表1 地震烈度 性能水平 定性描述 层间位 移角限值 多遇地震 不损坏 1 /680 设防烈度地震 可修复损坏 — 罕遇地震 无倒塌 1 /100 压弯、 拉弯 弹性 核心筒 墙肢 抗剪 弹性 核心筒连梁 外框梁 外框柱 其他结构构件 节点 弹性 弹性 弹性 弹性 底部 加 强 部 位 不 屈 服,其他楼层及次要 墙体不屈服 允许进入塑性 底部 加 强 部 位 承 载 力弹性,过渡区承载 力不屈服,过渡区往 上宜承载力不屈服 满足不屈服 截面控制条件 允许进入塑性 允许进入塑性 不屈服 允许进入塑性 最早进入塑性 允许进入塑性 允许进入塑性 允许进入塑性 不先于构件破坏 56 建筑结构 2014 年 行计算分析,结果表明,两种软件的计算结果基本一 致,结构周期比、层间位移角、剪重比等指标可满足 《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2010 ) [3]( 简称 抗规) 要求,结构主要计算结果见表 2。 结构主要计算结果 软件 计算振型数 第 1 平动周期 /s 第 2 平动周期 /s 第 1 扭转周期 /s 第 1 扭转周期 /第 1 平动周期 X向 有效质量参与系数 /% Y向 风荷载作用下基底剪力 / ( × 103 kN) X向 Y向 多遇地震作用下基底剪力 / ( × 103 kN) X向 Y向 风荷载作用下底部倾覆力矩 X向 / ( × 103 kN·m) Y向 多遇地震作用下底部倾覆力矩 X向 / ( × 103 kN·m) Y向 X向 风荷载作用下结构顶点水平位移 / mm Y向 多遇地震作用下结构顶点水平位移 X 向 / mm Y向 X向 剪重比 /% Y向 表2 SATWE 30 3. 79 3. 44 2. 67 0. 70 99. 67 99. 56 12. 5 14. 4 36 35 1 341 1 547 4 398 4 231 54 86 160 198 3. 0 2. 9 ETABS 30 3. 74 3. 34 2. 64 0. 70 99. 54 99. 50 11. 8 13. 6 36 35 1 215 1 434 4 011 4 079 54 81 157 195 3. 1 3. 0 注: Q 为结构基底剪力; Vf为各层框架承担的地震总剪力中 的最大值。 图 4 多遇地震下外框架承担的地震剪力( 调整前) 放大调整系 数 进 行 连 乘 后,一 并 对 振 型 分 解 反 应 谱法计算得 出 的 各 层 内 力 进 行 调 整,各 楼 层 调 整 系数见图 5。 3. 3 外框架二道设防分析 框架作为抗震的第二道防线,构件设计上须满 足高规对于框架-核心筒结构对应于地震作用标准 值的各层框架总剪力的要求,即在构件设计上,各层 框架承担的剪力须不小于 20% 基底剪力的要求,否 则将按照高规进行放大调整。多遇地震作用下,框 架部分承担的地震剪力如图 4 所示。按照专家研讨 会中专家意见,本塔楼各层框架承担的剪力将采用 25% 基底剪力进行调整。此外,二道设防在高规对 多遇地震要求的基础上延伸至设防地震设计,对外 框柱的验 算,设 防 地 震 时 框 架 柱 承 担 的 剪 力 按 照 25% 基底剪力进行调整。以上的调整措施,明显提 高了外框架在核心筒刚度退化后、内力重分布条件 下的整体结构安全储备。 3. 4 弹性时程分析 根据抗规要求,将采用 2 组天然波和 1 组人工 合成的加速度时程波对塔楼进行弹性动力时程分 析,每组时程波包含 3 个方向的分量。在波形的选 择上,除符合有效峰值、持续时间等方面的要求外, 也要满足基底剪力及高阶振型方面的相关要求。 由于剪重比限值与动力时程分析均是对地震 内力的调整,本 工 程 特 将 两 者 在 不 同 楼 层 地 震 力 图 5 各楼层调整系数 3. 5 Pushover 分析 3. 5. 1 分析目的及分析方法 根据高规第 3. 11. 4 条,高度在 150 ~ 200m 之间 可视结构自振特性和不规则程度选择 Pushover 分析 方法 和 弹 塑 性 时 程 分 析 方 法。本 项 目 高 度 约 为 180m,但体型相对较规则; 第 1 自振周期 3. 79s < 4s; 第 1 振型基底剪力占总基底剪力 70% 以上,通过与超 限审查专家组确认,可采用 Pushover 分析方法。 弹塑性分析的目的是了解结构的弹塑性性能, 得到结构在罕遇地震下的抗倒塌能力。我国现行规 范中规定的弹塑性阶段设计主要是指弹塑性阶段的 变形验算,也就是说需要将计算得到的结构在罕遇 地震作用下最大层间位移角与抗规所规定的层间位 移角限值进行比较,满足限值要求则通过弹塑性阶 段的变形验算。 通过 EPDA&PUSH 程序从以下几个方面来了解 第 44 卷 第 24 期 Jonathan Kerry,等. 北京国锐金嵿 A,B 座塔楼结构设计 57 结构的弹塑性性能: 1) 确定罕遇地震作用下结构最 大层间位移角满足抗规限值要求; 2) 确定结构的薄 弱楼层和薄弱构件; 3) 检验结构的塑性铰形成过程 是否合理; 4) 对薄弱构件和薄弱部位采取增大构件 尺寸或者增大实配钢筋等加强措施。 本项目采用 EPDA&PUSH 软件进行 Pushover 分 析,对 X,Y 向分别采用了 Pushover 分析法进行推覆。 整个加载过程包括两大步: 1) 第一步施加竖向的静力 荷载; 2) 第二步施加水平侧推荷载。竖向荷载取重力 荷载代 表 值,水 平 侧 推 荷 载 采 用 程 序 提 供 的“弹 性 CQC 地震力”模式,其控制方法采用柱面弧长法。随 着水平作用的不断增大,可以得到结构的能力曲线, 与大震需求谱曲线比较,判断结构是否能找到性能 点,从整体上满足性能目标。 3. 5. 2 分析结果 图 6,7 为结构在 X 向和 Y 向推覆下得到的结 构性能曲线 可以看出,该工程的性能点 X 向最大层间位移角为 1 /198 < 1 /100,Y 向最大层 间位移角为 1 /160 < 1 /100,均满足罕遇地震作用下 抗规规定的变形要求。 X 向和 Y 向 Pushover 分析和反应谱分析结果对 比见表 3 和表 4。从表 3,4 可以看出,Pushover 分析 多遇地震周期与反应谱法结果接近,在各设防烈度 下基底剪力与反应谱结果比值合理,罕遇地震下最 大层间位移角满足抗规要求。 在整个加载过程中,连梁率先出现了塑性铰,随 后是框架梁,结构到达中震性能点时,X 向和 Y 向部 分连梁都已经进入了塑性状态,实现了连梁作为耗 图 7 Y 向推覆下结构性能曲线 Pushover 分析和反应谱分析结果对比( X 向) 表 3 X向 基底剪力 / ( × 103 kN) μ1 最大层间 位移角 μ2 周期 /s 反应谱法 36 1 1 /854 1 3. 27 多遇地震 37 1. 02 1 /1 325 0. 64 2. 91 Pushover 设防烈度 97 分析 地震 2. 7 1 /471 1. 8 3. 02 罕遇地震 166 4. 6 1 /198 4. 3 3. 48 注: μ1 ,μ2 分别为 Pushover 计算得出的基底剪力、最大层间位移 角与反应谱法计算得出的比值; 反应谱法计算得出的周期对应于连 梁刚度不折减的计算模型; 余同。 Pushover 分析和反应谱分析结果对比( Y 向) 表 4 Y向 基底剪力 / ( × 103 kN) μ1 最大层间 位移角 μ2 反应谱法 35 1 1 /697 1 多遇地震 35 1. 0 1 /983 0. 7 Pushover 设防烈度 91 分析 地震 2. 6 1 /353 2. 0 罕遇地震 162 4. 6 1 /160 4. 4 周期 /s 3. 72 3. 42 3. 40 3. 95 图 6 X 向推覆下结构性能曲线 能构件首先屈服消耗地震作用能量的预期目标。到 达大震性能点时,部分框架梁也已经进入塑性阶段, 继续耗散地震能量,墙体进入塑性而框架柱没有出 现塑性铰。表明整个结构的框架体系具有较好的 延性。 3. 5. 3 加强措施 对应于结构达到大震性能点时,弹塑性层间位 移比弹性层间位移明显增大的部位采取增大外框柱 ( 除角柱) 内钢骨面积的措施进行加强,加强部位( 5 ~ 11 层) 柱内的型钢含量由 4% 增大至 6% 。计算 结果见图 8 和图 9。 58 建筑结构 2014 年 图 8 弹塑性层间位移与 弹性层间位移比值曲线 结构大震性能点 层间位移角曲线 根据 Pushover 分析结果( 图 10) ,在相当于罕遇 地震作用的等效步数时,连梁先于墙柱形成塑性铰, 墙体先于框架柱出现水平拉裂缝但未破坏。底部多 层墙体出现拉应力,产生受拉和受剪破坏,因此相应 提高了底部加强区及过渡层的配筋率以保证墙体不 出现受拉破坏。 消防栓处墙体局部减薄削弱,从分析可知,此部 位为薄弱部位,需采取适当加强措施。34 层机电层 和 12 层避难层层高较高,需将周边剪力墙水平分 布钢筋配筋率及竖向钢筋配筋率适当加大。X 向 的角部短墙 受 力 复 杂,应 适 当 加 密 水 平 钢 筋 和 竖 向分布筋。 通过采用上述措施,实现了整个结构在大震下, 不仅塑性铰的分布和发展顺序较为合理,主要墙体 也未出现剪切和拉压整体破坏,保证了主要受力墙 肢的延性。 4 针对中震拉应力进行方案改进 由于本项目的平面布置特点,核心筒的个别角 部墙肢 拉 应 力 较 大,主 要 因 为: 1 ) 横 向 楼 板 悬 挑 3m,纵向楼板悬挑 1. 6m,更多的重力分配至框架, 核心筒所受压力较小; 2) 核心筒为矩形,纵向较窄, 导致横向角部的墙肢在地震作用下受到的拉力较 大; 3) 建筑效果使得本塔楼不设伸臂桁架,导致核 心筒所承受的弯矩较大。 针对初始方案中单片墙体在中震下出现最大拉 应力较大 的 问 题,对 初 始 方 案 采 取 如 下 修 正 措 施: 1) 在 Y 向 4 片长墙中新增 2m 宽的洞口,避免单片 墙体刚度过大,调整墙体间的地震力分配; 2) 减小 楼板厚度及中、高区的墙体厚度,优化中区及高区的 框架柱截面,减轻结构自重以减小地震力; 3) 对角 部墙肢按 L 形根据双向地震进行复核。采取以上 措施后,中震拉应力大大减小。 同时,严格 控 制 墙 肢 拉 应 力 大 于 混 凝 土 拉 应 力的楼层范 围,其 中 仅 有 两 片 墙 肢 拉 应 力 大 于 混 凝土拉应力的楼层为底部 15 层,其余所有墙肢拉 应力大于混凝土拉应力的楼层控制在底部 10 层 以内。核心筒墙肢的拉应力通过在墙体中配置型 钢来平衡。 5 结论 ( 1) 塔楼在建筑方案上有超高、要求不设置腰 桁架和转换桁架等问题。设计中采用型钢混凝土柱 钢梁框架-钢筋混凝土核心筒结构体系,通过对三个 阶段地震作用的分析,较好地满足了抗规要求的各 项性能指标。 ( 2) 通过不同地震水准下的构件承载力验算和 大震弹塑性分析,保证了主要结构构件的抗震性能 目标和塔楼大震不倒的设计要求。 北京国锐金嵿 A,B 座塔楼已于 2013 年 3 月完 成超限审查,在较为经济的条件下使结构满足整体 指标和抗震性能目标。奥雅纳工程顾问负责本项目 的结构方案和初步设计,中冶京诚工程技术有限公 司负责结构施工图设计。 参考文献 图 10 结构杆端塑性状态 [1 ] 建质[2010]109 号 超限高层建筑工程抗震设防专项 审查技术要点[S]. 2010. [2 ] JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北 京: 中国建筑工业出版社,2011. [3 ] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国 建筑工业出版社,2010.

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