中央電視臺_CCTV_新主樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)-中央電視臺主樓

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1、中央電視臺_CCTV_新主樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)|中央電視臺主樓 第37卷第5期建　筑　結(jié)　構(gòu)x年5月 　　[編者按]華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司由華東建筑設(shè)計(jì)研究院改制而來, 并秉承了其悠久的歷史、雄厚的技術(shù)和良好的社會聲譽(yù), 是中國成立最早的大型綜合性設(shè)計(jì)院之一。自1952年5月成立以來, 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司在建筑設(shè)計(jì)及科研領(lǐng)域取得了突出的成績。從1977年至x年, 榮獲了包括“詹天佑大獎(jiǎng)”在內(nèi)的600余項(xiàng)國家、部(省) 、市級優(yōu)秀設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、優(yōu)秀工程獎(jiǎng)和科技進(jìn)步獎(jiǎng), 并參加了多項(xiàng)國家規(guī)范及地方標(biāo)準(zhǔn)的編制、修訂工作。2003年公司被評為上海市質(zhì)量金獎(jiǎng)企業(yè), 成為唯一獲此獎(jiǎng)項(xiàng)的設(shè)計(jì)企業(yè)

2、。近年來, 隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 華東建筑設(shè)計(jì)研究院在全國參加了許多重大復(fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作, 近期完成了以中央電視臺新臺址工程、上海環(huán)球金融中心、上海鐵路南站、東方藝術(shù)中心等為代表的一大批具有重大影響的工程項(xiàng)目。在華東院55研究院有限公司的鼎力支持下編輯出版了這本專輯, 的豐碩成果。敢為人先的職業(yè)素養(yǎng), 科研和教學(xué)的同行交流借鑒, ) 　姜文偉　包聯(lián)進(jìn)　王　建　劉志斌　童　駿　黃永強(qiáng)　孫戰(zhàn)金 (華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司　上海200002) [提要]　中央電視臺新臺址CCT V 主樓為位于高地震區(qū)的復(fù)雜超限超高層連體建筑, 主樓最高點(diǎn)為234m , 塔樓 雙向6傾斜, 且在高位作

3、L 型連體結(jié)構(gòu)連接, 采用較強(qiáng)抗側(cè)剛度的鋼支撐筒體結(jié)構(gòu)體系。針對該重要、復(fù)雜、特殊的結(jié)構(gòu)體系, 按設(shè)計(jì)使用年限100年進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 進(jìn)行了基于性能的抗震設(shè)計(jì)、模擬結(jié)構(gòu)剛度形成的施工過程計(jì)算、罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析、懸臂部分的振動與舒適度研究以及整體結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌分析。對復(fù)雜的超厚基礎(chǔ)筏板、SRC 柱構(gòu)件以及巨型蝶型節(jié)點(diǎn)采用了有限元分析。基于大量理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的研究成果, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了變剛度樁基設(shè)計(jì)超厚基礎(chǔ)筏板、高含鋼率SRC 柱、高強(qiáng)鋼材、巨型蝶形節(jié)點(diǎn)、高強(qiáng)錨栓柱腳以及鋼板加強(qiáng)樓面設(shè)計(jì)等新技術(shù)。 [關(guān)鍵詞]　傾斜塔樓　抗震性能化分析　高含鋼率　SRC 柱　施工順序　防連續(xù)倒

4、塌　樓面舒適度 K ey T echniques for Structural Design of the N ew CCTV Tow er of China Central T elevision ΠW ang Dasui ,Jiang W enwei ,Bao Lianjin ,W ang Jian ,Liu Zhibin , T ong Jun , Huang Y ongqiang ,Sun Zhanjin (East China Architectural Design Research Institute , Shanghai 200002,China ) Abstract :T

5、henew China Central T elevision headquarters building is 234m at its highest point. It consists of tw o leaning towers (6degree lean in each direction ) , which are linked together at the top via a 142storey cantilever link element. The overall building stability is provided by a triangulated extern

6、al tube surface on all four sides of the towers , overhang and podium. It posed many technical challenges to the design team , due to its unique architectural form and com plicated structural system. They were success fully overcome by ad opting a lot of key techniques , such as performance 2based s

7、eismic design , detailed construction sequence analysis , n on 2linear seismic response analysis , butterfly connections , high steel ratio SRC column and s o on. A series of tests were taken to verify the feasibility of these new techniques. K eyw ords :leaningtower ; performance 2based seismic de

8、sign ; high steel ratio ; SRC column ; construction sequence 1　工程概況 中央電視臺新臺址工程地處北京市朝陽區(qū)東三環(huán) 中路東, 在北京市中央商務(wù)區(qū)(C BD ) 規(guī)劃范圍內(nèi)。用地面積19萬m 2, 總建筑面積約60萬m 2, 包括未來新的CCT V 主樓、電視文化中心以及服務(wù)樓三個(gè)單體建筑。 CCT V 主樓由塔1和塔2兩座塔樓、裙房及基座組 成, 地下3層, 地上總建筑面積40萬m 2。塔樓1,2均 呈雙向6傾斜, 分別為51層和44層, 在層37(塔樓2為層30) 以上部分用14層高的L 形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體。結(jié)構(gòu)屋面

9、高度234m , 最大懸挑長度75m 。裙房為9層, 與塔樓連為一體(見圖1) 。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年, 結(jié)構(gòu)安全等級為一級, 抗震設(shè)防烈度為8度, 抗震設(shè)防類別為乙類。 1 圖1　新CCT V 主樓結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖 　 　 圖2　塔樓1典型結(jié)構(gòu)平面圖 2　結(jié)構(gòu)體系 CCT V 主樓采用鋼支撐筒體結(jié)構(gòu)體系。帶斜撐的 鋼結(jié)構(gòu)外筒體提供結(jié)構(gòu)的整體剛度, 部分鋼結(jié)構(gòu)外筒體表面延續(xù)至筒體內(nèi)部, 以加強(qiáng)塔樓角部及保持鋼結(jié)構(gòu)外筒體作用的連續(xù)性。外筒體由水平邊梁、外柱及斜撐組成, 筒體在兩個(gè)平面都傾斜6。外筒柱采用鋼柱、型鋼混凝土柱。斜支撐截面尺寸及分布根據(jù)受力需要而變化。外筒體由兩

10、層高的三角形模塊構(gòu)成, 即每隔兩層柱、邊梁和支撐交于一點(diǎn), 因而樓面結(jié)構(gòu)分為 (見圖2) 。外筒結(jié)構(gòu)大量采用“剛性層”和“非剛性層” 也設(shè)有轉(zhuǎn)換桁架, 懸臂部分的柱荷載通過這些桁架傳 遞至周邊筒體。在裙樓處, 為了形成演播廳和中央控制區(qū)的開敞空間, 也設(shè)有轉(zhuǎn)換桁架用以支承上部樓面的內(nèi)柱。 3　結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則 考慮到結(jié)構(gòu)體系特殊、體型復(fù)雜、嚴(yán)重超限以及工程的重要性, 采用了性能抗震設(shè)計(jì), 在施工圖設(shè)計(jì)階段確定地震參數(shù)如下:地震加速度峰值參照安全評估報(bào) s 2) , 中震告, 即小震95cm Πs 2(一般8度區(qū)70cm Π265cm Πs 2, 大震400cm Πs 2, 其它參數(shù)

11、參照現(xiàn)行抗震規(guī)范。 了高強(qiáng)度鋼, 如牌號Q390,Q420以及Q460, 構(gòu)件最大鋼板厚100mm 。外筒典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。 所有核芯筒及塔樓內(nèi)柱都是豎直的, 與外筒柱一起作用, 為“剛性層”之間的樓板提供穩(wěn)定約束。塔樓核芯筒為鋼框架結(jié)構(gòu)體系, 核芯筒體橫向布置一定數(shù)量的柱間支撐, 而縱向主要依靠抗彎框架的作用。核芯筒內(nèi)兩個(gè)樓層 　 在振動臺試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 經(jīng)與抗震專家組多次研討與論證, 最終確定了如下抗震設(shè)防目標(biāo):1) 在多遇地震作用下按反應(yīng)譜設(shè)計(jì), 外筒結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài), 在主樓與裙房交界處、層30附近的外筒柱及支撐按彈性時(shí)程分析, 使其處于彈性狀態(tài);2) 在中震作用下外筒柱、懸

12、臂與塔樓連接附近的支撐、柱腳以及懸臂端區(qū)域內(nèi)外筒支撐不屈服(荷載作用以及材料強(qiáng)度均取標(biāo)準(zhǔn)值) ;3) 在罕遇地震作用下, 按動力彈塑性時(shí)程分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的層間位移和構(gòu)件極限變形, 結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位如轉(zhuǎn)換桁架、柱腳等不屈服。 4　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析411整體結(jié)構(gòu)分析 圖3　外筒典型結(jié)構(gòu)單元 平面之間的側(cè)向約束可以保證兩“剛性層”樓板之間樓層的側(cè)向穩(wěn)定, 并傳遞層間水平荷載。 塔樓內(nèi)設(shè)置了一系列的轉(zhuǎn)換桁架以支承由于垂直內(nèi)筒與傾斜外柱之間的跨距加大而增加的內(nèi)柱。這些 轉(zhuǎn)換桁架通常布置于機(jī)電層, 將內(nèi)柱的荷載傳遞到核心筒和外部筒體上。兩塔樓之間懸臂部分的底下兩層2 計(jì)算分析采用了多種軟件及自行開發(fā)程序

13、, 整體線性計(jì)算以S AP2000為主,ANSY S 為輔進(jìn)行, 用于結(jié)構(gòu)恒載施工模擬分析, 活載、風(fēng)荷載等其它靜力分析, 反應(yīng)譜分析和彈性時(shí)程分析。采用ABAQUS 進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析, 用以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在中震及大震下的性能。分析 模型以桿單元為主, 樓板按彈性樓板參與計(jì)算。結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載采用了規(guī)范風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載的包絡(luò)結(jié)果, 并用于構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)。風(fēng)洞試驗(yàn)共142組荷載, 每組包括兩個(gè)正交方向的水平分量、豎向分量及扭轉(zhuǎn)分量。豎向地震采用了反應(yīng)譜和時(shí)程分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)振型及周期見圖4及表1, 主要荷載信息見表2 。 構(gòu)件設(shè)計(jì), 施工過程中的變形等因素也應(yīng)根據(jù)施工模擬的結(jié)果加以考慮。 運(yùn)用

14、S AP2000軟件和ANSY S 軟件分別進(jìn)行了施工的過程模擬。施工模擬的計(jì)算原理是對結(jié)構(gòu)的中間過程分別計(jì)算(變剛度分析、內(nèi)力鎖定、疊加) , 各個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)形式分別承擔(dān)一定水平的荷載, 過程中的不可恢復(fù)內(nèi)力在施工過程中鎖定, 并反映在施工完成后的結(jié)構(gòu)模型中, 比較真實(shí)的3(見圖5) 。 1) 階段1:塔樓施工至懸臂段連接前。此時(shí), 塔樓與裙樓分開施工, 塔樓與裙樓之間設(shè)置施工縫。塔樓施工進(jìn)度變化引起的結(jié)構(gòu)荷載變化通過荷載的上、下限來反映。上限情況模擬施工進(jìn)度最快的情況, 下限反之。施工進(jìn)度的快慢主要影響塔樓豎向構(gòu)件和懸臂段的水平內(nèi)力:施工進(jìn)度快時(shí), 塔樓獨(dú)立成為結(jié)構(gòu)時(shí)承擔(dān)荷載較大,

15、塔樓豎向構(gòu)件承擔(dān)的內(nèi)力較大; 施工進(jìn)度慢時(shí), 更多的荷載作用在塔樓連接之后的結(jié)構(gòu)上, 懸臂段的水平內(nèi)力較大。綜合考慮上限、下限施工階段上 圖4　結(jié)構(gòu)主要振型 　 結(jié)構(gòu)主要周期 T 1振型號 周期(s ) 3187振型說明水平,135方向 T 2 T 3 T 8 表1 2161 1122 3110 水平,45方向扭轉(zhuǎn)豎向 　　主樓懸臂部分的豎向振動放大效應(yīng)在設(shè)計(jì)中得到了充分重視。在地震作用下結(jié)構(gòu)懸臂部分有較大程度的豎向振動放大, 振動臺試驗(yàn)和時(shí)程分析結(jié)果均表明, 懸臂部分豎向加速度相對地面輸入最大放大為818倍, 這是地面輸入水平分量和豎向分量共同作用結(jié)果。 結(jié)構(gòu)主

16、要荷載信息(kN ) 荷載工況 x 向y 向z 向 表2 恒載 -- 活載 -- 風(fēng)荷載 [**************] 水平地震豎向地震(小震) (小震) [1**********]9---365526 [1**********]296 412施工模擬分析 CCT V 主樓兼具傾斜與連體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 施工過程 中的結(jié)構(gòu)形式與完成后的最終結(jié)構(gòu)體系具有較大差 別。施工過程中逐步形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力(即恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力) 與一次性加載條件下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力具有很大的差異, 必須通過準(zhǔn)確的施工模擬才能得出準(zhǔn)確的恒載內(nèi)力, 以便與其它工況的內(nèi)力組合進(jìn)行 圖5　不同施

17、工階段結(jié)構(gòu)示意圖 3 述因素, 實(shí)際施工階段可能在上述上限、下限之間, 當(dāng)采用其它施工方案時(shí), 要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力應(yīng)在上述上限、下限包絡(luò)內(nèi)力之間。 (2) 階段2:懸臂段開始連接、塔樓與裙樓施工縫連 其它方面的計(jì)算分析。 11施工過程安全性評價(jià) 考慮到施工過程中的結(jié)構(gòu)形式與最終結(jié)構(gòu)形式有所不同, 對施工過程中最不利情況, 即塔樓獨(dú)立時(shí)(與裙樓脫開) 進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì), 保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(考慮恒載、施工活載、地震作用、溫度作用的不利影響) 、剛度和穩(wěn)定性安全。 21整體結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌分析 接完畢, 懸臂段連接完畢后開始懸臂段上部結(jié)構(gòu)安裝, 此時(shí)尚有少數(shù)延遲安裝桿件未安裝。結(jié)構(gòu)豎向荷載大部

18、分已施加完成。 (3) 階段3:延遲安裝構(gòu)件完成安裝, 恒載施加完 畢, 施工活荷載撤出, 大樓內(nèi)樓面使用活荷載開始作用。施工模擬過程中考慮了結(jié)構(gòu)幾何非線性和該過程中構(gòu)件承載力的校核。 主要表現(xiàn)在:1) , 3載中心的變化響。, 通過這一措施改變恒載在施工階段傳力路徑、改善結(jié)構(gòu)受力。延遲構(gòu)件在施工階段3中安裝, 主要分布在塔樓與懸臂段、塔樓與裙樓連接處。 413彈塑性時(shí)程分析 , 進(jìn)行重力荷載作用下的結(jié), 用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值來得到能力Π要求比。分析表明, 結(jié)構(gòu)顯示出很高的冗余度, 在擬定的結(jié)構(gòu)局部破壞發(fā)生時(shí), 都能很好地將內(nèi)力重新分布, 從而保證結(jié)構(gòu)的安全。 31懸臂部分的振動與舒適

19、度研究 考慮在層37懸臂最外端角部50人同時(shí)同一節(jié)奏跳躍, 而此節(jié)奏與主樓的某一自振頻率一致, 考察此時(shí)結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。分析表明, 人運(yùn)動導(dǎo)致懸臂段豎向加速度值很小, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于舒適度所要求限值; 水平加速度值約為上述豎向加速度的60%, 也在限值以內(nèi)。通過頻率分析表明, 人流運(yùn)動導(dǎo)致的懸臂段最大豎向加速度為515gal , 最大水平加速度為414gal , 均在可接受范圍之內(nèi)。 5　基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 在施工圖設(shè)計(jì)階段采用ABAQUS 軟件對CCT V 主樓進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析以考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能。ABAQUS 彈塑性模型采用對構(gòu)件全長細(xì)分的纖維塑性區(qū)模型, 鋼材采用考慮Bausching

20、er 效應(yīng)的隨動強(qiáng)化模型, 混凝土材料采用彈塑性損傷模型, 在材料層面上模擬結(jié)構(gòu)彈塑性行為, 較之一般的塑性鉸模型具有更好的精度。地震輸入考慮了3組天然波(加州San Fernando 波3組) 和1組人工波, 采用不同于常規(guī)隱式 主樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ), 樁型為鉆孔灌注樁, 樁端持力層為層⑨細(xì)中砂, 筏板厚度為3～7m 。 511樁端持力層選擇 算法的顯示算法, 可以有效克服收斂問題并獲得精度較好的結(jié)果。同線性分析類似, 在經(jīng)歷了施工模擬后的結(jié)構(gòu)上施加地震加速度。主要分析結(jié)果如下。 (1) 最大層間位移角(層29) 為1Π58, 滿足規(guī)范不大 塔樓樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁, 樁徑 砂

21、和層ωλ 卵石圓礫兩個(gè)可能的持力層作了方案比較。ω根據(jù)樁身范圍內(nèi)土層分布, 當(dāng)以層⑨和層λ 作為樁端持力層時(shí), 單樁承載力特征值分別為6900～7000kN 和 10100～10300kN 。為提高單樁承載力, 采用了樁端及 于1Π50的要求。 (2) 構(gòu)件變形限值:鋼柱最大塑性應(yīng)變-010042, 鋼斜撐最大塑性應(yīng)變-010215。SRC 柱塑性損傷很小, 混凝土部分的最大抗壓彈性模量退化11%, 參照 FE M A356[4], 滿足要求。 (3) 基底剪力時(shí)程:最大的基底剪力出現(xiàn)在前10s , 樁側(cè)(層⑤卵礫層及層⑦卵礫層以上115m 處作2道) 后注漿工藝。根據(jù)以上兩種方

22、案, 在施工前進(jìn)行了單樁承載力測試, 以取得施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)。兩種方案試樁極限荷載均可達(dá)33000kN , 注漿效果非常明顯。從荷載2樁頂位移曲線可以看出, 兩種方案的樁頂位移基本相等, 但是從樁身周邊力的分布可以看出, 以層⑨土作為樁端持力層時(shí)更能發(fā)揮樁側(cè)阻力, 樁身強(qiáng)度利用率更高。另外根據(jù)試樁現(xiàn)場試成孔的實(shí)際情況, 在層⑨和層ωλ 土之間的粘質(zhì)粉土由于吸水崩解出現(xiàn)嚴(yán)重的塌孔, 形成厚2m 左右的沉渣, 經(jīng)反復(fù)清孔效果仍不 即構(gòu)件尚未進(jìn)入塑性時(shí)。10s 以后, 由于部分構(gòu)件進(jìn)入塑性, 使得結(jié)構(gòu)的剛度下降, 地震反應(yīng)也隨之減弱, 基底剪力隨之下降, 這一現(xiàn)象在y 向基底剪力時(shí)程中尤為明顯。

23、 414其它計(jì)算分析 考慮到結(jié)構(gòu)的重要性, 主樓設(shè)計(jì)過程中還進(jìn)行了4 理想。因附近工程樁基施工也出現(xiàn)過類似情況, 所以 ω若以層λ 為樁端持力層, 勢必由于過厚的沉渣乃至斷樁而給工程埋下嚴(yán)重隱患。綜合以上各種情況, 最終樁端持力層定為層⑨細(xì)中砂。 512布樁形式 塔樓上部在2個(gè)方向各傾斜6, 傾斜內(nèi)側(cè)(角) 的柱底荷載遠(yuǎn)大于外側(cè)柱底荷載, 即荷載中心與結(jié)構(gòu)幾何中心存在很大偏心。為使樁中心與上部荷載中心一致, 在塔樓傾斜內(nèi)側(cè)樁間距較密, 且該側(cè)大量的樁布置在塔樓范圍之外, 在塔樓傾斜外側(cè)樁間距較疏。最終布樁使得樁中心與上部荷載中心的偏心率小于115%。 513樁、筏板計(jì)算 　 圖

24、6　水平施工縫構(gòu)造 　 7　柱腳受力分布 根據(jù)在靜+, 按照變厚度原則進(jìn)行布置, 剪(沖切) 1南側(cè)柱) , 筏板最大厚度分別達(dá)到7m (塔樓1) 6m (塔樓2) ?？紤]到工程的重要性, 在柱腳荷載最大的地方設(shè)了抗剪鋼筋(沿筏板厚度方向布置) 。為最大限度地減少主樓與裙房之間的變形差異, 在主樓與裙房筏板之間設(shè)置了鉸接連接構(gòu)造。 塔樓筏板在各種工況下的內(nèi)力、變形及樁頂沉降采用高層建筑底板沉降、內(nèi)力計(jì)算高精度有限元分析程序PW MI 進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)力和變形最大處發(fā)生在東南角(柱底荷載最大處) , 該位置的樁頂沉降達(dá)到了 64mm 。根據(jù)計(jì)算得到的彎矩分布和實(shí)際板厚, 對筏板 50,

25、底部分區(qū)域進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算。筏板縱筋采用○ 。 CCT V , 柱腳部位需承受, 而相應(yīng)柱端部彎矩較小。中震作用下外筒柱腳最大水平力可達(dá)48000kN 。612柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造 1. 對于承受較大拉力的柱腳采用了埋入式拉壓 雙底板柱腳(見圖8(a ) ) 。在CCT V 主樓中共有13根柱的柱腳采用了此種方式。當(dāng)柱腳受拉時(shí), 拉力通過柱腳埋入段傳遞至柱腳下底板, 并滿足下底板與筏板之間的抗沖切要求。當(dāng)柱腳受壓時(shí), 壓力通過柱腳上底板傳至筏板面, 依靠筏板頂面的局部承壓擴(kuò)散至整個(gè)筏板, 并滿足筏板的抗沖切要求。 彎矩最大處縱筋共14皮(雙向) 。 塔樓筏板在最厚處達(dá)7m 和6m ,

26、且因電梯基坑降低等原因, 局部最大厚度達(dá)12m 。如此厚度給實(shí)際施工時(shí)混凝土澆注的一次性完成帶來了困難, 根據(jù)施工方的建議, 筏板分2次澆注, 設(shè)水平施工縫。在第一次澆注的混凝土界面上設(shè)置間距118m 的18001800 400的齒坑(見圖6) , 在齒坑間設(shè)置300300(配筋8圖8　柱腳構(gòu)造 　 20) 的抗剪插筋, 很好地解決了分層澆注面上混凝土的2. 對于承受拉力較小的柱腳采用了外包式柱腳 粘結(jié)問題。 6　外筒柱腳設(shè)計(jì)611外筒柱腳受力特點(diǎn) 11柱腳在各工況下可能出現(xiàn)較大拉力和壓力的 作用。在恒載作用下塔樓1西北角以及塔樓2東南角的幾根柱的柱腳會產(chǎn)生較大的拉力。在小震以及

27、中震作用下, 受拉柱腳的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大(見圖7) , 在罕遇地震作用下幾乎所有的外筒柱腳均會產(chǎn)生拉力。由于地震作用的多向性, 一些外筒柱柱腳在不同荷載組合下分別承受較大拉力或較大的壓力, 如塔樓1西北角的角柱中震下柱腳最大拉力可達(dá)84000kN , 最大壓力 附加高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨栓的形式(見圖8(b ) ) , 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力 錨栓的直徑為75mm 。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨栓的極限應(yīng)力為1030N Πmm 2,9919%的保證應(yīng)力為835N Πmm 2。高強(qiáng)錨栓埋入至筏板底縱筋上表面處。在中震作用下高強(qiáng)錨栓抗拉就能滿足柱腳中震不屈服的要求。在大震作用下需靠高強(qiáng)錨栓以及柱腳外包混凝土鋼筋抗拉才能滿足大震不破

28、壞的要求。 3. 針對柱腳水平反力較大的特點(diǎn)采用了柱底抗剪件輔以柱腳剪力墻的形式, 在柱腳底板下沿外筒平面內(nèi)設(shè)置抗剪件, 抗剪件上布置了栓釘以加強(qiáng)抗剪件與筏板混凝土之間的相互作用, 并在柱腳平面以上設(shè)備 5 層內(nèi)設(shè)置約高2m , 寬115m 的剪力墻參與抵抗水平力。7　高含鋼率SRC 柱設(shè)計(jì) 新臺址CCT V 主樓工程結(jié)構(gòu)外筒柱采用了SRC 柱, 部分SRC 柱構(gòu)件的有效截面含鋼率達(dá)到2816%(見圖9) , 遠(yuǎn)大于《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (J G J138—2001) 中的相關(guān)規(guī)定。高含鋼率SRC 柱的承 試驗(yàn), 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了下述試驗(yàn)結(jié)論。 (1) 按照上述數(shù)值方

29、法求得的大含鋼率SRC 柱的N 2M 承載力曲線與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明, 實(shí)測的截面極限軸力N p , 截面極限彎矩M p , 不同軸壓比時(shí)的最大彎矩點(diǎn)均位于理論N 2M 曲線之外, 且高于理論值20%以上(見圖11) 。因而可采用數(shù)值方法求得的承載力曲。 (2) SRC 載力與延性指標(biāo)的判斷成為設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。711高含鋼率SRC 柱承載力計(jì)算 現(xiàn)行規(guī)程中給出的計(jì)算SRC 柱承載力的計(jì)算方法有簡單疊加法和改進(jìn)的簡單疊加法兩種, 兩者都屬于強(qiáng)度疊加類型, 但是計(jì)算過于簡化, 法計(jì)算型鋼SRC 柱承載力圖9　典型SRC 柱截面述原因, 設(shè)計(jì)時(shí)基于截 面纖維模型的積分算法及平截面假定, 按照有限

30、元原理, 利用EXCE L 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和VBA 程序方便的編程能力編制了計(jì)算SRC 柱承載力的通用程序, 將截面離散成小的單元, 在每個(gè)單元上根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系由應(yīng)變計(jì)算出應(yīng)力, 通過對每個(gè)單元應(yīng)力的積分得出截面承載力參數(shù)及N 2M 承載力相關(guān)曲線。 利用上述程序計(jì)算出的典型SRC 柱承載力相關(guān)曲線見圖10。在此曲線基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)時(shí)按照N 2M 承載力相關(guān)曲線進(jìn)行了構(gòu)件承載力的校核。 712高含鋼率SRC 柱的延性 2位移 12) 表明, 整個(gè), 構(gòu)件剛度, 圖中017, 縱坐標(biāo)為試件跨中橫向力P , 橫Δ。根據(jù)此滯回曲線的骨架曲線, 按照上述計(jì)算延性比的幾種方法, 可得到SRC

31、柱的延性比μΔ3, 滿足設(shè)計(jì)要求。 8　外框蝶形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) CCT V 主樓外框筒節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大, 它們大部分是由 框架柱、框架梁以及斜撐組成的剛接蝶形節(jié)點(diǎn)。為了能滿足抗震規(guī)范“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則, 同時(shí)也為了解決此類節(jié)點(diǎn)中明顯存在的應(yīng)力集中的問題, 在外框筒節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了大量的有限元分析, 內(nèi)容包括:1) 觀察在最不利支撐荷載工況下彈塑性分析節(jié)點(diǎn)板的v on M ises 應(yīng)力分布;2) 在“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”原則下評估節(jié)點(diǎn)板的安全性;3) 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力集中因素的評價(jià)及減小應(yīng)力集中的措施;4) 柱軸力對節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布的影響;5) 節(jié)點(diǎn)板形狀以及支撐桿件與節(jié)點(diǎn)板連接原則等節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原

32、則的確定。 811節(jié)點(diǎn)安全性評價(jià) 延性通常是用延性系數(shù)(或延性比) 來表達(dá)。延性系數(shù)μΔ的大小決定了構(gòu)件延性的好壞, 根據(jù)抗震超限審查專家的意見及多數(shù)文獻(xiàn)中的觀點(diǎn), 取μ3時(shí), Δ≥構(gòu)件在地震作用下的延性能滿足抗震要求。 713高含鋼率SRC 柱試驗(yàn) 根據(jù)我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及抗震規(guī)范, 節(jié)點(diǎn) 應(yīng)該比桿件具有更高的設(shè)計(jì)承載力。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(G B50011—2001) 的81218條規(guī)定, 支撐與框架的連接極限承載力應(yīng)不小于112倍的支撐屈服承載力。在節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算中, 當(dāng)支撐桿件施加的荷載達(dá)到其屈服強(qiáng)度, 而節(jié)點(diǎn)區(qū)還沒有出現(xiàn)屈服區(qū), 或是屈服區(qū)還比較小時(shí), 可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)還沒有

33、達(dá)到極限狀態(tài), 節(jié)點(diǎn)是安全的, 如圖13(a ) ; 當(dāng)節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)的屈服區(qū)已經(jīng)貫通了整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū), 認(rèn)為節(jié)點(diǎn)已經(jīng)到達(dá)極限, 如圖13(b ) 。 為驗(yàn)證上述數(shù)值分析方法計(jì)算承載力的可靠性, 考察高含鋼率SRC 柱構(gòu)件在高軸壓比下的延性, 把握其破壞的機(jī)理, 業(yè)主與設(shè)計(jì)方委托清華大學(xué)與同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。試驗(yàn)包括了軸壓、純彎和壓彎 圖10　典型SRC 柱截面N 2M 相關(guān)曲線圖11　試驗(yàn)與理論、設(shè)計(jì)N 2M 曲線的比較圖12　SRC 柱試件滯回曲線 6 圖13　節(jié)點(diǎn)v on M ises 應(yīng)力分布(MPa ) 　 812節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施 為了達(dá)到上面所述的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則, 計(jì)安全,

34、采用了以下幾種構(gòu)造措施。 (1) , 分布。不影響SRC 柱縱筋布置, 伸入的長度會影響支撐桿內(nèi)力在節(jié)點(diǎn)中的傳遞, 也影響節(jié)點(diǎn)板最終的形狀。 (2) 加強(qiáng)蝶形節(jié)點(diǎn)板的板厚和鋼材等級。當(dāng)節(jié)點(diǎn)板尺寸擴(kuò)大后, 節(jié)點(diǎn)承載力還得不到保證時(shí), 提高節(jié)點(diǎn)板的板厚或鋼材強(qiáng)度等級也是對節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的有效措施。工程的外框蝶形節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板最大板厚達(dá)到100mm , 最高的鋼材等級達(dá)到Q460。 通過這兩個(gè)措施, 工程的蝶形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以滿足規(guī)范要求。 813節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力集中 幾種類型節(jié)點(diǎn)的分析表明, 在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的支撐桿與節(jié)點(diǎn)板連接處, 以及SRC 柱鋼骨與節(jié)點(diǎn)板連接處等截面變化的地方總存在著應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在幾種

35、類型的節(jié)點(diǎn)中, 最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比的應(yīng)力集中系數(shù)都小于2, 在工程中常見應(yīng)力集中系數(shù)2～3的范圍之內(nèi)。因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中問題不是很明顯, 而且應(yīng)力集中也往往集中分布在支撐與節(jié)點(diǎn)板的連接部位, 再者節(jié)點(diǎn)板的受力以平面受力為主, 應(yīng)力超過屈服應(yīng)力后, 即形成鈍化區(qū)域, 較小的鈍化區(qū)不影響節(jié)點(diǎn)的功能。 由于應(yīng)力集中大多發(fā)生在支撐與節(jié)點(diǎn)板連接等截面變化的部位, 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn), 在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中, 在轉(zhuǎn)折處采用圓弧的截面過渡可以明顯改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。9　復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)樓板設(shè)計(jì)911樓板受力特點(diǎn) 由于塔樓6傾斜且高位連體, 造成水平樓蓋內(nèi)產(chǎn)生水平力, 對梁和樓板產(chǎn)生較大影響。分析表明, 樓面內(nèi)水平力

36、較為復(fù)雜, 多數(shù)情況下表現(xiàn)為拉力, 在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)水平力的分布采取加強(qiáng)樓面配筋的措施以保 證混凝土不致受過大的拉力。912層37,39鋼板加強(qiáng)樓面設(shè)計(jì) 懸臂段下部(剛性層37,39) 既是懸臂段的連接, 承擔(dān)兩傾斜塔樓之間的擠壓力, 又作為懸臂下弦, 因而承擔(dān)較大的面內(nèi)壓力, 其受力特點(diǎn)如下。 (1) 樓板面內(nèi)力較大:層37和39樓板作為主要外筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分, 不僅承擔(dān)來自本層的豎向荷載, 。 (2) :高位連體, 層3737和39的不同部位, 根, 。層37鋼板按位置不同, 厚度分別取16,18,20mm 三種; 層39鋼板厚度分別取6,8,10,12mm 四種。鋼板承擔(dān)平面內(nèi)

37、力, 按v on M ises 內(nèi)力組合值綜合考慮各種荷載組合以確定板厚, 鋼板作為混凝土底模, 在施工中也可以發(fā)揮作用。10　結(jié)論 CCT V 新主樓在單體建筑規(guī)模以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面均引起了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同行的極大關(guān)注。針對特殊新穎的結(jié)構(gòu)體系, 采取超越現(xiàn)行規(guī)范要求的設(shè)計(jì)方法及創(chuàng)新技術(shù)是必要的。大量的理論分析、試驗(yàn)研究對比以及現(xiàn)場施工配合表明, 所采取的設(shè)計(jì)方法和新技術(shù)是合理可行的。 致謝:CCTV 主樓擴(kuò)初抗震超限審查專家以及中國建筑科學(xué)研究院施工圖設(shè)計(jì)審查專家為項(xiàng)目提出了許多寶貴意見, 參加CCT V 主樓設(shè)計(jì)的還有傅晉申、孫玉頤、徐小華、李青、翁其平等同志, 在此表示衷心感謝! 參

38、考 文 獻(xiàn) [1]中國中央電視臺新臺址CCT V 主樓建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)可行性報(bào) 告[R].ARUP ,2003. [2]中國中央電視臺新臺址SRC 組合柱試驗(yàn)報(bào)告[R].上海:同濟(jì)大 學(xué),x. [3]中國中央電視臺新臺址鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究報(bào)告[R ].北 京:清華大學(xué),x. [4]Pre 2standard and C ommentary for the Seism ic Rehabilitation of Buildings. FE M A 356,2000,11. 北大國政樓、北京樂喜金星大廈獲全國綠色建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀, 促進(jìn)建設(shè)事業(yè)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)工作, 推動我國綠色建筑的健康發(fā)展, 第二屆全國綠色建筑創(chuàng)新獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)大會于x年3月26日上午在北京國際會議中心召開, 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有二項(xiàng)工程獲得三等獎(jiǎng):1) 北京大學(xué)國政樓(北京大學(xué)國際關(guān)系學(xué)院) , 主要完成人有:褚平, 查世旭, 金平, 徐宏慶, 胡又新, 張永利;2) 北京樂喜金星大廈(北京LG 大廈) (甲方申報(bào)) , 主要完成人有:謝中吾, 陳彬磊, 鄭小梅, 段鈞。 7