盘古大观写字楼结构设计
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摘要:北京盘古大观写字楼A座为40层超高层钢结构,结构总高191.5米。本工程采用钢框架-支撑筒结构体系,并利用设备层设置伸臂桁架加强层提高结构抗侧刚度,并通过设置阻尼器、屈曲约束支撑等耗能装置使结构满足抗震设计要求。
关键词:伸臂桁架 屈曲支撑 阻尼器
1. 工程概况
北京盘古大观由北京盘古氏投资有限公司投资兴建。工程位于北京朝阳北四环中路北侧,北京社科院东侧、北中西街西侧、北至成府路。规划用地南北长592米,东西长76米,占地面积38900平方米。本项目为盘古大观A座写字楼:设计楼高191.5米,地下5层,基础埋深26米,地上40层,35层以上为“龙头”造型,内部为约25米挑空的“祖原堂” 。
2. 结构体系
本工程为超高层建筑,屋顶标高191.5m,地上40层,地下5层,建筑面积约为112800m,抗震设防设防烈度为8度,设计地震加速度为0.2g,设计地震分组为第一组,场地土类别Ⅲ类,丙类抗震设防。
2.1抗侧力体系
本工程采用带伸臂桁架加强层的钢框架支撑筒结构体系。结构外框架采用箱型钢柱与H型钢梁组成,内筒采用箱型柱与H型钢梁及H型钢支撑构成支撑筒,作为主要抗侧力体系。为满足结构在地震作用下位移要求,利用建筑16层和31层设备层在外框架和内筒之间设置伸臂桁架。梁柱刚性连接,采用改进型(RBS)耗能节点连接,以突出强柱弱梁、强节点弱构件的抗震设计思路。
2.2竖向受力体系
楼盖板采用闭口型压型钢板上现浇混凝土形成的组合楼板,并通过剪力钉与钢梁连接形成组合梁共同受力,构成楼屋盖结构体系。与传统工字钢梁受力相比可节约钢材用量约40%,压型钢板在施工中可充当模板,无需另设脚手架及支模板,大大节约了施工周期,并减少了模板及脚手架费用;在使用阶段,压型钢板可充当楼板下铁配筋,因此,楼板仅需设置上铁,可节约大量钢筋。
2.3屋顶“龙头”造型结构体系
为满足建筑“龙头”造型需要,36层以上北侧外框柱全部转换,通过转换梁与下部构件连接,38至屋顶为满足造型,设置8道曲梁构成龙头造型,屋顶结构须大悬挑,结构采用空间桁架体系满足悬挑造型,延南北向设置8榀主桁架,东西向设置4榀主桁架构成空间桁架体系,其中南北向主桁架悬挑端距支点距离最短约29米,桁架杆件全部采用400高H型钢,弦杆倒放,与腹杆翼缘全熔透焊接,腹板采用螺栓连接。
因本结构35层以上存在大挑空和转换构件,设计时对35层以上框架构件全部按中震弹性条件进行复核,对于转换构件,按大震不屈服要求进行设计,并采用时程分析进行补充计算。对于屋顶大悬臂桁架,设计时采用多种软件进行计算分析,并考虑使用中及地震作用下桁架悬挑部分的变形应满足外形感观要求及使用要求。
2.4 屈曲约束支撑(UBB)及阻尼器的应用
本工程加强层伸臂桁架斜杆原设计采用400x400方钢管,经计算发现,该截面无法满足地震作用下受力要求,如加大构件截面将会提高加强层刚度,使地震作用增大,从而导致需加大其他杆件截面尺寸。为此,经多方案比较,决定采用屈曲约束支撑(UBB)代替传统钢构件,在不改变加强层、结构整体刚度的前提下,是加强层杆件满足常遇地震下受力要求,同时在罕遇地震下,达到较好的耗能效果,满足大震下结构要求。
本工程所用UBB由同济大学土木工程学院建筑工程系多高层钢结构与钢结构抗火研究室进行了构件抗震性能试验,试验结果表面屈曲约束支撑具有很稳定的滞回特征和很好的低周疲劳特征,具有很好的滞回耗能能力,在结构抗震过程中可以比较理想地消耗掉地震波传给结构的能量,能满足结构抗震设计要求。
3. 结构设计结果
3.1多于地震作用下结果
结构设计使用年限为50年,结构安全等级一级,抗震设防烈度8度,设计地震分组第一组,抗震设防类别为丙类,场地土类别为Ⅲ类,地面特征周期Tg=0.45s。北京地区重现期100年基本风压为0.5kN/m2,地面粗糙度类别为B类。
设计选用15个振型,质量参与系数为95.52%,结构重力荷载代表值为115621.938kN,x、y向地震总剪力分别为33961.1KN、34772.1KN。结构在风荷载和地震作用下的层间位移角均满足规范1/400、1/300的要求,剪重比分别为2.95%、3.01%,
3.2大震阻尼器作用下弹塑形时程分析
3.2.1地震波的选取
本工程采用中国建筑研究院抗震所提供的地震波进行弹塑性时程分析,8度罕遇地震峰值加速度为400m/s2,
3.2.2阻尼器布置
根据本工程特点,结构采用粘滞型非线性阻尼器,非线性阻尼器与线性阻尼器比较而言各有特点,线性阻尼器对高阶振型有较小的扰动,在出力时与结构本身受力之间有较小的相互作用;而非线性阻尼器可以在出力较小情况下吸收更多的能量,能获得更大的滞回曲线。阻尼器的按照形式采用可以穿越原支撑的新型人字型支撑连接形式,这样可以在确保阻尼器充分发挥作用的同时做到不影响建筑物使用功能。为满足结构在大震作用时的抗震要求,在结构24层以上内筒部位设置粘滞型阻尼器进行减震,本工程共设置抗震粘滞型阻尼器96根,因35层以上“祖原堂”建筑需要,在35层以上改用带刚度的粘滞型阻尼器来取代结构支撑,共设置8根。
4. 结语
本工程在设计中通过传统结构形式满足建筑在多遇地震作用下的抗震要求,采用设置阻尼器、屈曲约束支撑等消能减振装置使结构满足大震作用下的受力及变形要求。对于顶板特殊造型,采用提高设计要求,按中震弹性要求进行构件设计,使结构满足安全性、适用性、耐久性方面的设计要求。
参考文献:
[1]钢结构设计规范(GB50027-2003)[S].中国计划出版社,2003
[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001
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