北京新保利大厦多塔连体结构设计方法研究

第37卷第4期建　筑　结　构2007年4月

北京新保利大厦多塔连体结构设计方法研究

黄咏政　周　旭　尹华钢　侯军祥

(总装备部工程设计研究总院　北京100028)

[提要]　结合北京新保利大厦项目,基于复杂多塔连体结构的地震动力响应特点,深入分析了多塔连体结构的抗震设计方法。总结了该种结构形式的抗震设计要点,并对设计中可能出现的问题进行了讨论。提出了基于动力特性的多塔分区方法,分析了复杂多塔结构的地震响应特点和关键部位的中震设计流程,介绍了结构试验辅助结构设计的方法,为其它类型的复杂多塔结构设计提供参考。

[关键词]　多塔连体　转换层　中震弹性　风洞试验　抗震试验　新保利大厦

Design Method of Multi2tow er Coupling Framew ork of B eijing N ew Poly P lazaΠHuang Y ongzheng,Zh ou Xu,Y in Huagang,H ou Junxiang(Center for Engineering Design and Research Under the G eneral Equipment Department,Beijing 100028,China)

Abstract:The aseismatic design meth od of com plicated multi2tower coupling framew ork is analyzed according to the seismal dynamic corresponding characteristics of multi2tower coupling framew ork with the sam ple of Beijing New P oly plaza.The conclusion of design essential have been g otten for this kind of construction,and the potential problems in design are discussed .The divisional meth od of multi2tower is advanced based on the dynamic characteristics,and seismal dynamic corresponding characteristics of com plicated multi2tower coupling framew ork and design flow of piv otal parts under the occasional earthquake, are analyzed.The meth od of structural design with the assistant of structural experiment is introduced,and provided the helpful reference for the design of other types of com plicated multi2tower coupling framew ork.

K eyw ords:multi2tower coupling framew ork;transmit layer;occasional earthquake;wind tunnel experiment;aseismatic experiment;New P oly plaza

0　前言

多塔连体结构的平面不规则问题经常会导致结构在地震作用下产生不安全的扭转效应。侧向刚度不均匀问题会造成地震作用下的层剪力突变,易形成薄弱层。此外,多层连体结构还会造成抗侧力构件在竖向不连续,即转换结构的出现,特别是对于大跨转换结构来说,转换结构本身在竖向地震作用下的结构响应也是一个需要重点考虑的问题。同时,在多塔连体结构中各塔侧向刚度不等的情况下,各塔的地震响应不一致,将导致结构受力更加复杂,连体结构与塔体的连接节点安全问题更加突出。

由于多塔连体结构受力性能的复杂性,特别是存在转换构件、框支构件及转换层连接节点等诸多关键部位,这些关键部位的失效将导致整个结构体系发生严重破坏,因此在多塔连体结构的抗震设计中应对这些关键部位给予更多的关注,保证这些部位的安全。抗震规范以及高层规范对于多塔连体结构有着更为严格详细的规定,特别是在高烈度地震区,规定了采用高位转换层的结构形式属于超规、超限范畴,该种结构体系的设计应当通过抗震超限审查方可用于施工。另外,由于多塔连体结构的立面以及结构动力特性的复杂性,为确保结构设计的安全性,经常还需要根据结构试验来确定设计参数或进行设计结果的校核。

北京新保利大厦是一个复杂多塔连体结构,包含了三塔分区连体、多种高位转换结构、悬挂结构和大跨单层索网幕墙等结构形式。结合该项目探讨复杂多塔连体结构的设计方法。

1　多塔连体结构小震分析方法

111工程概况

北京新保利大厦东北方向的外立面和结构平面图见图1,建筑物高度约100m,地下4层,地上24层。主要抗侧力构件为混凝土剪力墙,采用钢框架承受主要竖向荷载。新保利大厦平面和竖向结构都非常复杂,层1～12平面如图1(b)所示,为上下分区的两个双塔;层13～20平面如图1(c)所示,为左右分区的双塔;顶层如图1(d)所示,三个塔体通过转换结构连成一个整体。另外,在建筑物的中庭内,一个多层吊楼通过四根巨型吊索悬挂于顶层。

112重要的抗震计算控制指标

对于复杂多塔连体结构,以下规范条文及相应的计算控制指标直接与结构的抗震安全性相关。规范J G J3—2002:第41315条中的最大弹性水平位移Π楼层

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图1　北京新保利大厦立面与平面

两端弹性水平位移平均值;第41315条中的T扭ΠT平;第111114条中的弹性层间位移角;第712114条的剪力墙轴压比;第101213～2条的转换层上下结构侧向刚度比。规范G B50011—2001中的第51515条的弹塑性层间位移角;第31412条中的侧向刚度比要求;第31413～212条的薄弱层受剪承载力;第51215条的剪重比要求。因此必须控制这些指标满足规范要求。

113结构扭转效应分析

结构平面不规则会造成结构在地震作用下的扭转效应,规范(J G J3—2002)第41315条的扭转位移比的规定主要就是限制结构的扭转效应。扭转位移比的计算结果反映了结构刚度中心和质量中心的偏离程度,计算时应采用刚性楼板假定,并增加5%的偶然偏心。在多塔连体结构中,由于地震动力响应复杂,一般应分塔统计扭转位移比来判断单塔的扭转效应。对于复杂的结构体系来说,有时还需根据结构的动力特征来判断主塔的位置,否则统计的数据便没有意义。在北京新保利大厦的结构分析中,多塔的范围判定主要是根据结构的动力特性来进行的,例如在层12以下,结构体系动力响应类似于上下分区的双塔(图1(b)),因此扭转位移比的数据统计范围是根据上下双塔来进行的;对于层12以上,结构的动力响应类似于左右双塔(图1(c)),因此扭转位移比的数据统计范围是根据左右双塔来进行的。计算过程中,通过调整各塔剪力墙的位置以及截面,使各塔的扭转位移比均小于112,以满足规范要求。

114计算参数的取值与调整方法

11地震剪力调整系数

为保证结构体系形成二道抗震防线,对于框架2剪力墙结构的设计通常采用剪力调整系数来提高框架部分的承载能力,对于多塔结构应分塔进行剪力系数的调整。但是对于主体结构为混合结构体系的工程,剪力墙可能承受了90%以上的地震剪力,此时如果按照高层混凝土规范的原则进行剪力调整,可能会偏于不安全。例如根据新保利大厦工程的主楼部分计算结果,93%的地震剪力由剪力墙承担,此时如果根据规范(J G J3—2002)第111115条的规定“框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值118倍二者的较小值”的要求,剪力调整系数往往由“框架部分地震剪力最大值118倍”确定,则框架部分的抗震能力提高得很少,很可能难以满足二道抗震防线的要求。根据该项目的实际情况,按照“总剪力的25%”和“框架部分地震剪力最大值的118倍”分别计算地震剪力放大系数,不同楼层的地震剪力放大系数差异很大,从几倍到几十倍不等。因此为确保主体结构二道抗震防线的形成,工程采用了二者中的较大值来进行框架的地震剪力调整,即采用总剪力的25%来调整框架柱的抗震能力。但是经过这样的调整后,钢框架柱的设计剪力会很大,造成结构造价的提高。因此对于这样的结构体系,为保证结构二道抗震防线的形成,框架柱的剪力调整系数如何合理取值还需要进行进一步的研究。

21侧向刚度的统计

北京新保利大厦工程的高位框架转换结构[15],高度有11层,此时出现结构竖向抗侧力构件不连续。结构设计中的处理方法是调整下部多塔结构与上部连体结构刚度比,使其满足抗震规范(G B50011—2001)中第31411条侧向刚度比要求,保证结构竖向刚度的协调。此时应将下部双塔的刚度相加后与转换结构的首层刚度相比,才能得到反映结构整体刚度变化的楼层刚度比数值。

31基底剪力的调整

当地震方向不同时,剪重比不同,有时可能不满足规范(G B50011—2001)第51215条中“楼层最小地震剪力系数”的要求。例如在该项目的结构分析过程中,地震方向沿正交方向时剪重比小于312%,而地震方向沿45°方向时剪重比大于312%,此时基底剪力的调整应保证任意楼层的任意方向水平地震剪力都必须满足规范(G B50011—2001)第51215条的要求。

41反应谱计算参数—场地特征周期取值

北京地区地基土的剪切波速经常处于Ⅱ类土的下

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