北京新保利大厦结构抗震设计

1 工程概况 新保利大厦位于北京市东城区二环路东四十条桥
西南侧, 东临二环路, 北面平安大道。该 项目建筑面积 近 11 万 m2 , 地下 4 层, 功 能为车 库、人 防及商 业, 地上 24 层, 为甲级写字楼。地 上建筑平 面布 局为截 角三角 形, 建筑总高度 10512m。新保利大 厦建 筑设计 由美国 SOM 设计事务所和我院共同设计。
( 总装备部工程设计研究院 北京 100028)
[ 提要] 北京新保利大厦是一个平、立面都不规则的超限高层结构, 为钢框架-钢筋混凝土混合结构体系, 高度 为 100m, 其悬挂结构/ 特式吊楼0、多层转换框架、巨型单层索网玻璃幕墙、大跨度连体结构等都是非常特殊的 结构形式。重点介绍了新保利大厦结构抗震设计采用的计算方法和结构措施。对结构平面布置, 结构的状态 设计、中震和大震计算、吊楼的设计和结构模型试验等作了详细论述, 可为类似结构设计提供参考。 [ 关键词] 混合结构 超限结构 抗震性态设计 悬挂结构 转换桁架 结构试验
Aseismatic Design on the Structure of Beijing New Poly PlazaPYin Huagang, Li Zhiqiang, Liu Xiaohua, Hou Junxiang, Huang Yongzheng( Center for Eng. Design and Research Under the General Equipment Department, Beijing 100028, China) Abstract: Beijing New Poly plaza is an ultra-limit tall building with irregular plane and faÔade. It is a hybrid structural system of steel frame-reinforced concrete with 100 meters height. The building has some very special structure styles, such as the suspended structure / lantern0, the giant single cable-net glass wall, and the siamese structure with great span. The method of computing and the structure measures used in the design are introduced, and it can be referred to the similar structural design. Keywords: hybrid structure; ou-t code structure; performances based seismic design; suspended structure; transfer truss
从图 1~ 3 可看出, 工程平面及立面很不规则, 多处 超出了现行规范限 制, 因此, 在结构计 算和构造上采 取 了很多特殊的方法, 并进行了结构抗震性态设计。 3 高层复杂超限结构的计算分析
由于工程的 特殊性 与复 杂性, 为 保证 结构分 析结 果的 可靠, 采 用 ANSYS, SATWE, STAAD 及 ETABS 四种 程序进行了整体和局部的线性和非线性计算和复核。 31 1 弹性计算分析
扭转位移比
X向
1139 1126 1138
)
Y向
1140 1138 1139
)
方法的结果进行比较, 按最不利结果配筋。 312 非线性计算分析
应用 ANSYS 程序 进行 了 罕遇 地震 下 结构 的 静力 弹塑性 分析 ( Pushover) 。作 为弹 性分 析方 法 的补 充和 深化, 开发了基 于广义 Hill 准 则的 钢筋 混凝 土本 构关 系 模型, 并嵌入 ANSYS 程序, 充分 描述 了实 际结 构的 力学特性。通过 静力 弹塑 性分 析, 找 出 层 11, 16 为结 构薄弱层及抗震 墙底 部的塑 性铰 区域, 并 在设 计中采 取了相应的加强措施, 以下是推覆分析的主要结果。
新保利大厦采用钢- 钢筋混凝土 筒体混 合结构, 主 要抗侧力体系为 3 个钢筋混凝土筒体和 钢框架构成的
双重结构体 系。由于建 筑设 计独特, 给结构 设计 带来 了很大的难度和挑战。该工程为多项不规 则的复杂超 限结构, 主要表 现在: 层 1~ 11 为双 塔结 构, 层 12 ~ 25 为 连体结构, 且连体 部分为标 准写字 楼, 悬挂结 构/ 特 式吊楼0和宽 60m, 高 90m 的单层 索网玻璃幕 墙是国内 外首次使 用 的结 构形 式。 新保 利 大厦 属 超限 高 层建 筑, 通过了国家抗震专家委员会的抗震设计专项审查。 2 结构布置
第 37 卷 第 4 期
建筑结构
2007 年 4 月
[ 编者按] 总装备部工程设计研究总院成立于 1958 年, 目前是 全军最大的 综合性甲级工 程勘察与设 计研究院。建 院近五十年来, 完成的逾万项工程设计科研项目遍布世界 10 余个 国家和地区, 以及国内 20 多个省( 市、自治区) , 为我国两弹一星、载人航天事业、国防和国家经济建设 做出了 重大的贡 献, 涌现 出了以国 家勘察 设计大师 为首的 一批专家学者和经验丰富的结构工程师, 在行业内 具有广 泛的影响。 多年来, 他们勇于 技术创 新, 借助在 航天特 种活动结构设计中积累的丰富经验, 完成了某航天测试厂房大跨度波纹薄板拱壳开合结 构、深圳世界 之窗环球广 场开合球形舞台、上海旗忠网球馆活动屋盖、北京欢乐 谷游乐 设施等一 大批复 杂活动结 构的设 计与施工, 打破了 国外知名设计公司的垄断, 推动了我 国在机械 结构一 体化设计 与施工 领域研究 与进展, 目前正在 从事 2008 年奥 运会开闭幕式工程设计有关工作。复杂高层设计领域完成了北京新保利大厦、新疆生常 建设兵团机 构综合楼、新
分析 Pushover 与 线 弹 性 结 构 分析 的 结 果 可 以 看 出, 结构具有一定的安全储备。 4 结构性态抗震设计
性态设计使结构抗震设计从客观定性 的目标向具
图 1 层 1~ 11 平面
2
图 2 层 11~ 21 平面
图 3 层 22, 23 平面
体量化的多重目标过渡。通过在设计过 程中对结构性 能目标进行详 细分析 和论 证, 可以 采用 超出现 行规范 限制的新结构 体系, 性 能化 设计非 常有 利于结 构的创 新和发展。在新 保利 大厦结 构设 计过程 中, 采用 了结 构性态抗震设计思想, 对超出规范限制 的新体系、新技 术等, 采用不同的性 能目标, 进行 了深入 的分 析、研究 和论证( 包括国 家抗 震专家 委员会 的专 项审查 ) , 保证 了结构的抗震安全性能。下面是新保利 大厦结构性态 设计的具体方法。 41 1 提高钢筋混凝土核心筒的抗震等级
34 560 36 890 34 910 32 740 31 400 32 280
) ) )
29 710 28 140
顶部位移( m)
X向
01 050 01 043 01047
)
Y向
01 079 01 076 01079
)
最大层间 位移比
X向 Y向
1P941 1P1 070 1P1 059 1P1 148 1P926 1P1 026 1P926 1P984
计算表明, 3 个 钢筋 混凝 土筒 承担 了 90% 以 上的 地震力, 是工 程抗震 的关 键结构。由 于工 程平面 及立 面的不规则 性, 结构 地震 反应很 复杂。根 据结构 计算 和振动台试验 结果, 特别提 高了 3 个 混凝 土筒的 抗震 等级, 即混凝土筒的抗震等级均为特一 级, 加强了筒体 的延性。 41 2 重要部位按 中震 弹性 设计, 剪力 墙按 大震剪 切强 度校核
结构整体抗 震分析 是抗 震设计 的关 键, 采用 多个 程序进行了反 应谱和 时程 分析方 法计算, 并根 据不同 的程序选择不 同的计 算单 元模式 和计算 精度, 相互验 证结果, 以保证 计算 结果的 准确 性。表 1 是计算 结果 和试验结果的分析与比较。
工程 场地类 别为 Ò 类, 地下 20m 深度范围 内土层 等效剪切波速为 209~ 250mPs。根据 场地土 条件, 由中 国建 筑 科 学 研 究 院 抗 震 所 提 供 了 3 条 天 然 地 震 波 ( Courth, Olympia, Los Angeles) 和 1 条人工波( Syns) , 最大 地面 运动加 速度 为01 07 g 。通过 对时 程分 析和 反应谱
反应谱方法计算的周期、地震力、位移 表 1
项目
时程分析 SATWE ANSYS ETABS 平均结果
第一周期( s) 第二周期( s) 第三周期( s)
基底剪力( kN)
X 向平动 Y 向平动
扭转
X向 Y向
21 272 21 173 214 0198 1119
特式吊 楼由 钢筋 混凝 土筒 3 挑出, 并在 顶部 由 4 根钢索悬挂。层 1 ~ 11 平面为 一字形; 层 12~ 21 在轴 ½ , ¾, ¿ 上采用多层转换框架, 将平面 转为 L 形; 在层 22 单层索网幕 墙 顶部, 设计 了高 16m 的巨 型桁 架, 将 东北立面及中庭顶部封闭, 并将平面转为三角形。
结构平面布置见图 1~ 3。位于三角形三个角点的
1
混凝土筒体是抗震设计的关键, 混凝土墙内与框架梁相 交处均设置了型钢 混凝土暗柱。大部 分框架柱采用 了 美国 标 准 W14 系 列 的 热 轧 H 型 钢, 钢 材 屈 服 强 度 420MPa, 抗拉强度 505~ 660MPa, 物理及力学性能相当于 Q420-C 钢材, 但其焊接性能非常好, 且 强度不随厚度 折 减, H 型 钢最 大 断面 为 W14 @ 1 086( H569 @ 454 @ 78 @ 125, 质量1 086kgPm) , 是世界上最 重的热轧 H 型钢。轴 ½与 ^ , _ , a 相交处的钢柱采用了箱形 断面, 内 灌 C40 级微膨胀混凝 土。1315m 以 上跨 度的钢 梁采用 钢框 架 形式, 其它跨度的钢梁采用热轧或焊接 H 型钢。
( 1) 第 1 振型性能点推覆力( X 向) 为104 000kN, 为 重力荷载代表值的 10168% ; 性能点结构周期 为 2136s; 基本性能点最大层间位移比 1P211。
( 2) 第 2 振型( Y 向) 性能 点推覆力为141 000kN, 为 重力荷载代表 值的 1414% ; 性 能点结 构周 期为 1158s; 性能点最大层间位移比 1P308。由于 Y 向刚度很大, 进 入屈服状态的构 件较 少, 故性 能点 结构周 期与 弹性周 期相差不大。
疆南航凯宾斯基酒店等一批有社会影响的工程。在北 京新保 利大厦不 规则复 杂体型高 层建筑 结构设计 中, 解决 了高烈度抗震地区大跨多塔连体结构、弗伦蒂尔高位转移框架结构、7 层高 50m 的悬挂特式吊楼结构、可双向转动 的机械援摆机构、世界最大单层索网玻璃幕墙结构的抗震研究与关键计算难题, 一次性通 过全国超限 高层建筑工 程抗震设防审查专家委员会审查。总院在复杂地下空 间结构 设计领域 具有很 强的实力, 完成了 北京金融 街复杂 地下交通中心和超大跨薄壁覆土油库等大型复杂军用与民用地下工程。此外, 还完成了我 国 214m @ 214m 跨声速 风洞、2m 超音速风洞、<5m 立式风洞等一系列风洞结构设计, 并在高耸钢 塔结构、抗爆结 构、防振隔振 结构等特种 结构领域具有丰富的设计经验。
为迎接总装备部工程设计研究总院建院五十周年, 本刊以 总装备部 工程设 计研究总 院的优 秀工程项 目和科 研成果为背景, 精选了 37 篇文章结集出版, 与国内广大从事结构设计的同 行交流, 以期共 同促进我国 结构工程设 计水平的不断提高。
北京新保利大厦结构抗震设计
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