中央電視臺_CCTV_新主樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(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)計研究院有限公司由華東建筑設(shè)計研究院改制而來, 并秉承了其悠久的歷史、雄厚的技術(shù)和良好的社會聲譽, 是中國成立最早的大型綜合性設(shè)計院之一。自1952年5月成立以來, 華東建筑設(shè)計研究院有限公司在建筑設(shè)計及科研領(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”在內(nèi)的600余項國家、部(省) 、市級優(yōu)秀設(shè)計獎、優(yōu)秀工程獎和科技進(jìn)步獎, 并參加了多項國家規(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)量金獎企業(yè), 成為唯一獲此獎項的設(shè)計企業(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)計研究院在全國參加了許多重大復(fù)雜項目的設(shè)計研究工作, 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)計使用年限100年進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計, 進(jìn)行了基于性能的抗震設(shè)計、模擬結(jié)構(gòu)剛度形成的施工過程計算、罕遇地震下的彈塑性時程分析、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)點采用了有限元分析?；诖罅坷碚摲治雠c試驗研究相結(jié)合的研究成果, 結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了變剛度樁基設(shè)計超厚基礎(chǔ)筏板、高含鋼率SRC 柱、高強(qiáng)鋼材、巨型蝶形節(jié)點、高強(qiáng)錨栓柱腳以及鋼板加強(qiáng)樓面設(shè)計等新技術(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, 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, 在施工圖設(shè)計階段確定地震參數(shù)如下:地震加速度峰值參照安全評估報 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)兩個樓層 　 在振動臺試驗的基礎(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, 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, 按動力彈塑性時程分析驗算結(jié)構(gòu)的層間位移和構(gòu)件極限變形, 結(jié)構(gòu)重點部位如轉(zhuǎn)換桁架、柱腳等不屈服。 4　結(jié)構(gòu)計算分析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 計算分析采用了多種軟件及自行開發(fā)程序

13、, 整體線性計算以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)譜分析和彈性時程分析。采用ABAQUS 進(jìn)行彈塑性時程分析, 用以驗證結(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)洞試驗風(fēng)荷載的包絡(luò)結(jié)果, 并用于構(gòu)件承載力設(shè)計。風(fēng)洞試驗共142組荷載, 每組包括兩個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, 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。施工模擬的計算原理是對結(jié)構(gòu)的中間過程分別計算(變剛度分析、內(nèi)力鎖定、疊加) , 各個施工階段的結(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, 比較真實的3(見圖5) 。 1) 階段1:塔樓施工至懸臂段連接前。此時, 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, 塔樓獨立成為結(jié)構(gòu)時承擔(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, 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, 振動臺試驗和時程分析結(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, 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, 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 其它方面的計算分析。 11施工過程安全性評價 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, 即塔樓獨立時(與裙樓脫開) 進(jìn)行了單獨設(shè)計, 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, 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, 考察此時結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。分析表明, 人運動導(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 在施工圖設(shè)計階段采用ABAQUS 軟件對CCT V 主樓進(jìn)行了彈塑性時程分析以考察結(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, 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。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 向基底剪力時程中尤為明顯。

23、 414其它計算分析 考慮到結(jié)構(gòu)的重要性, 主樓設(shè)計過程中還進(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)力計算高精度有限元分析程序PW MI 進(jìn)行計算。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)計算得到的彎矩分布和實際板厚, 對筏板 50,

25、底部分區(qū)域進(jìn)行抗彎承載力驗算。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, 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, 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 。如此厚度給實際施工時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611外筒柱腳受力特點 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 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, 根據(jù)試驗結(jié)果得到了下述試驗結(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 承載力曲線與試驗結(jié)果的比較表明, 實測的截面極限軸力N p , 截面極限彎矩M p , 不同軸壓比時的最大彎矩點均位于理論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)計中的難點。711高含鋼率SRC 柱承載力計算 現(xiàn)行規(guī)程中給出的計算SRC 柱承載力的計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, 但是計算過于簡化, 法計算型鋼SRC 柱承載力圖9　典型SRC 柱截面述原因, 設(shè)計時基于截 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算SRC 柱承載力的通用程序, 將截面離散成小的單元, 在每個單元上根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系由應(yīng)變計算出應(yīng)力, 通過對每個單元應(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)計時按照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, 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)計要求。 8　外框蝶形節(jié)點設(shè)計 CCT V 主樓外框筒節(jié)點數(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。為了能滿足抗震規(guī)范“強(qiáng)節(jié)點弱桿件”的節(jié)點設(shè)計原則, 同時也為了解決此類節(jié)點中明顯存在的應(yīng)力集中的問題, 在外框筒節(jié)點設(shè)計過程中進(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)點板的v on M ises 應(yīng)力分布;2) 在“強(qiáng)節(jié)點弱桿件”原則下評估節(jié)點板的安全性;3) 節(jié)點板應(yīng)力集中因素的評價及減小應(yīng)力集中的措施;4) 柱軸力對節(jié)點板應(yīng)力分布的影響;5) 節(jié)點板形狀以及支撐桿件與節(jié)點板連接原則等節(jié)點設(shè)計原

32、則的確定。 811節(jié)點安全性評價 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, 取μ3時, 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 根據(jù)我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及抗震規(guī)范, 節(jié)點 應(yīng)該比桿件具有更高的設(shè)計承載力。建筑抗震設(shè)計規(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)點有限元計算中, 當(dāng)支撐桿件施加的荷載達(dá)到其屈服強(qiáng)度, 而節(jié)點區(qū)還沒有出現(xiàn)屈服區(qū), 或是屈服區(qū)還比較小時, 可以認(rèn)為節(jié)點還沒有

33、達(dá)到極限狀態(tài), 節(jié)點是安全的, 如圖13(a ) ; 當(dāng)節(jié)點區(qū)出現(xiàn)的屈服區(qū)已經(jīng)貫通了整個節(jié)點區(qū), 認(rèn)為節(jié)點已經(jīng)到達(dá)極限, 如圖13(b ) 。 為驗證上述數(shù)值分析方法計算承載力的可靠性, 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。試驗包括了軸壓、純彎和壓彎 圖10　典型SRC 柱截面N 2M 相關(guān)曲線圖11　試驗與理論、設(shè)計N 2M 曲線的比較圖12　SRC 柱試件滯回曲線 6 圖13　節(jié)點v on M ises 應(yīng)力分布(MPa ) 　 812節(jié)點構(gòu)造措施 為了達(dá)到上面所述的節(jié)點設(shè)計原則, 計安全,

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)點中的傳遞, 也影響節(jié)點板最終的形狀。 (2) 加強(qiáng)蝶形節(jié)點板的板厚和鋼材等級。當(dāng)節(jié)點板尺寸擴(kuò)大后, 節(jié)點承載力還得不到保證時, 提高節(jié)點板的板厚或鋼材強(qiáng)度等級也是對節(jié)點加強(qiáng)的有效措施。工程的外框蝶形節(jié)點的節(jié)點板最大板厚達(dá)到100mm , 最高的鋼材等級達(dá)到Q460。 通過這兩個措施, 工程的蝶形節(jié)點設(shè)計可以滿足規(guī)范要求。 813節(jié)點板應(yīng)力集中 幾種類型節(jié)點的分析表明, 在節(jié)點區(qū)域的支撐桿與節(jié)點板連接處, 以及SRC 柱鋼骨與節(jié)點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)點設(shè)計的應(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)點板的連接部位, 再者節(jié)點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)點的功能。 由于應(yīng)力集中大多發(fā)生在支撐與節(jié)點板連接等截面變化的部位, 根據(jù)工程經(jīng)驗, 在節(jié)點設(shè)計中, 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911樓板受力特點 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 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)計方法及創(chuàng)新技術(shù)是必要的。大量的理論分析、試驗研究對比以及現(xiàn)場施工配合表明, 所采取的設(shè)計方法和新技術(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)計審查專家為項目提出了許多寶貴意見, 參加CCT V 主樓設(shè)計的還有傅晉申、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)計可行性報 告[R].ARUP ,2003. [2]中國中央電視臺新臺址SRC 組合柱試驗報告[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)點試驗研究報告[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)新獎為貫徹落實科學(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)新獎頒獎大會于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)計研究院有二項工程獲得三等獎: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) , 主要完成人有:謝中吾, 陳彬磊, 鄭小梅, 段鈞。 7