【解构】揭秘:腾讯北京总部大楼复杂结构设计关键技术

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来源:地基基础设计等级,微信ID:BuildingStructure) 2018年11.16落成仪式成功举行 现场施工图 摘要 结合腾讯北京总部大楼超长悬挑、立面开大洞、楼板不连续、竖向构件不连续、结构转换、空中连桥、大跨楼梯以及项目位于高烈度区等特点,采用建筑抗震设计规范核心筒-长悬臂巨型钢桁架-混凝土框架所组成的结构体系。考虑到结构体系特殊、体型复杂、严重超限以及工程的重要性,采用了性能化抗震设计方法,计算分析采用多个程序校核,计算结果按多个模型包络设计,提出了详细的设计措施。由于超长悬挑结构的特殊性,对悬挑部位的竖向地震作用、不同施工顺序带来的影响、舒适度、结构楼板、关键节点等进行了详尽的分析。应用BIM技术,优化了节点处钢筋与型钢连接以及钢筋之间的穿插关系。采用天然地基筏形厚板基础加抗浮小桩方案,有效控制基础各部分的沉降差异,满足了工程进度要求。

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2018年11.16落成仪式成功举行

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现场施工图


摘要

结合腾讯北京总部大楼超长悬挑、立面开大洞、楼板不连续、竖向构件不连续、结构转换、空中连桥、大跨楼梯以及项目位于高烈度区等特点,采用建筑抗震设计规范核心筒-长悬臂巨型钢桁架-混凝土框架所组成的结构体系。考虑到结构体系特殊、体型复杂、严重超限以及工程的重要性,采用了性能化抗震设计方法,计算分析采用多个程序校核,计算结果按多个模型包络设计,提出了详细的设计措施。由于超长悬挑结构的特殊性,对悬挑部位的竖向地震作用、不同施工顺序带来的影响、舒适度、结构楼板、关键节点等进行了详尽的分析。应用BIM技术,优化了节点处钢筋与型钢连接以及钢筋之间的穿插关系。采用天然地基筏形厚板基础加抗浮小桩方案,有效控制基础各部分的沉降差异,满足了工程进度要求。


1.工程概况


腾讯北京总部大楼位于北京市海淀区中关村软件园二期西南角,地上7层,体型呈正方形,平面尺寸180m×180m;地下3层,平面尺寸204m×258m,建筑高度36.32m,钢筋混凝土结构约33万m2,是一个以办公为主,兼具展览、休闲运动、多媒体演播厅等辅助功能的应用bim技术,地下2,3层设置人防区域,抗震设防烈度如图1所示。


本工程抗震设防类别使用年限为50年,安全等级为二级,巨型钢桁架、支撑、转换桁架及相连框架柱安全等级为一级。


本工程建筑大型公共建筑为乙类,混凝土框架柱为8度,设计地震分组为第一组,基本地震加速度为0.20g,建筑场地类别为III类,场地特征周期为0.45s。本工程抗震等级:主楼范围内地下2层及以上剪力墙为一级,框架为一级;地下3层剪力墙、框架均为二级,巨型钢桁架、支撑及转换桁架为一级,其他钢结构为二级,与转换桁架相连框架柱为特一级;超出主楼相关范围的无上部结构的纯地下结构,剪力墙及框架均为三级。


基本风压(50年重现期)为0.45kPa,地面粗糙度为C类,基本雪压(50年重现期)为0.40kPa。混凝土结构为甲级。历年最高地下水位曾接近自然地面,近3~5年潜水地下最高水位埋深为6.8m,抗浮水位埋深为4.8m,建筑设防水位按设计室外地坪考虑。


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图1  建筑效果图


2.结构设计难点


本工程东南、西南、东北方向存在巨大切角,东南角切口边长约为49m,西南角切口长、短向边长分别约为75,50m,东北角切口长、短向边长分别约为83,41m,结构悬挑长度巨大。建筑立面存在巨大凹口,建筑平面中有许多漏空区域,楼板被切分成若干大小形状不同的区块,洞口最大面积达到1900m2,区块之间的连系相对较弱,楼板平面极不规则,1层结构平面示意图如图2所示。钢筋混凝土、游泳池、演播厅等建筑大空间存在结构柱不连续,需要结构转换。该工程具有如下特点:超长悬挑、立面开大洞、楼板不连续、竖向构件不连续、结构转换、空中连桥、大跨楼梯等,且项目位于高烈度区,给结构设计带来了较大的困难和挑战[1]。


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图2 1层结构平面示意图


3.结构体系


本工程采用钢筋混凝土核心筒-长悬臂巨型钢桁架-混凝土型钢混凝土体系,中央区域由钢筋混凝土核心筒及框架组成,中央区域外为钢结构,在整个建筑外围设置围合的长悬臂巨型钢桁架。在三个切角的上部楼层设置转换桁架,桁架下设置吊柱,根据下部建筑楼层的需要布置结构平面体系。外围钢结构通过与其邻跨的钢结构施工构件连接逐步过渡到内部的建筑效果图。室内篮球场、游泳池、演播厅等部位设置了多榀跨度为18,27m的转换钢桁架以传递上部结构的荷载,室内空中连桥、跨度较大楼梯及折线形楼梯采用钢结构。


本工程主楼范围钢结构楼梯存在多处开大洞,主楼嵌固端选择在地下2层顶板位置。


4.结构抗震设计及措施


考虑到结构体系特殊、体型复杂导致的结构严重不规则,同时考虑工程的重要性,采用了性能化抗震设计[2],确定地震参数如下:《有限元分析》(GB 50011—2010)(简称抗规)中小震地震影响系数最大值αmax为0.16,安评报告中为0.18,故小震的地震加速度峰值按安全评估报告取值,中震、大震均按抗规采用。


本工程的抗震设防性能目标为:在双向水平地震作用下,按多个模型包络设计,且底部加强部位的墙肢承载力按中震弹性复核,并满足大震的截面剪应力控制要求;其余部位的主要墙肢偏压承载力满足中震不屈服的要求,受剪承载力满足中震弹性和大震的截面剪应力控制要求;在双向水平和竖向地震共同作用下,巨型钢桁架、转换桁架及其支承部位的承载力按大震不屈服复核。


结构主要设计措施:1)由于结构体系的特殊性,核心筒中沿着整个平面外侧以及受悬挑影响较大部位的剪力墙受力较大,根据墙肢拉应力、剪应力和配筋情况设置了钢板,以提高核心筒剪力墙的抗震性能。2)提高关键构件的抗震等级,严格控制与周圈钢结构相连的钢筋室内篮球场柱的轴压比,柱内配置型钢,加强建筑外围钢结构与内部混凝土结构的拉结。3)计算分析采用多个程序校核,计算结果按多个模型包络设计,分析中考虑了不同阻尼比的影响。4)对巨型钢桁架、转换结构进行竖向地震作用、防连续倒塌分析;对关键构件进行应力分析,对重要节点进行地下室顶板。5)考虑抗震二道防线,对技术规程的剪力调整系数,按整体及分块模型的计算结果包络确定;外围钢结构分配的地震作用按整体模型计算结果的1.2倍及分块模型计算结果包络设计。6)悬挑部位的转换桁架上弦钢构件向混凝土结构内延伸一跨;在切角部位底部斜面增设面内钢支撑,提高桁架的面外稳定性;在巨型钢桁架顶部楼面及转换桁架所在楼面设置面内钢支撑。7)楼板配筋采用了双层双向配筋的方式;钢结构部分在巨型钢桁架顶部楼面及转换桁架所在楼面采用了建筑结构板体系;对于悬挑部位应力较大部分,采用了设置钢板带的做法。8)基础采用刚度较好的厚板式施工技术,通过尽量调平基础的沉降差来降低上部结构次内力、降低基础内力,按中震、大震对巨型悬挑及转换部位的支撑柱、主要核心筒等重要部位进行复核。9)鉴于该工程结构的复杂性及重要性,进行了地基、基础,施工期间的检测和监测及使用过程中的健康监测。


5.结构计算分析


5.1 整体结构分析


(1)计算程序的选用

本工程筏形基础采用4个分析软件(PKPM,ETABS,MIDAS,YJK)进行计算分析,采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法,并考虑双向地震和偶然偏心的影响,采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。本项目还进行了静力弹塑性计算分析作为补充验算。采用ANSYS,MIDAS软件进行节点有限元分析,采用SAP2000,ANSYS软件进行楼板的受力状态分析,采用ANSYS软件进行施工过程仿真分析。


(2)计算模型的考虑

本工程主体结构抗震体系计算分别采用了整体模型及分块模型。楼板分别采用刚性及弹性模型分析,立面巨型钢桁架、转换桁架以及悬挑切角部位楼面考虑了去除楼板的计算模型。结构加载方式分别考虑了一次性加载及不同施工顺序加载。

由于体型复杂,内部开洞较多,构件较为分散,导致局部振动较多,计算中特别注意对各振型的参与系数、总基底剪力的复核。对切角部位的荷载及混凝土柱、斜面支撑、外框巨型钢桁架受荷情况分布进行了必要的人工复核。


5.2 施工模拟分析


(1)设计阶段

考虑了立面巨型钢桁架、角部转换桁架、角部吊柱、斜面钢梁等不同安装顺序以及楼板浇筑顺序的影响,通过施工模拟分析,主要解决如下问题:1)通过调整施工顺序,提前释放悬挑部位的变形。使悬挑部位上部结构(顶层楼板、巨型悬挑钢桁架及顶部转换桁架)承担更多荷载,减小悬挑部位底部构件的受力,避免吊柱在悬挑根部的下方出现压力,保证传力模式与预设吻合。2)对施工顺序提出明确要求,切角区域的楼板需按设计要求逐层浇筑,对个别受力较大构件,如悬挑切角部位吊柱、东北切角部位的钢连桥采用了延迟安装及相应构造措施。切角位置结构布置示意图见图3。


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图3  切角位置结构布置示意图


通过施工模拟分析,考虑了悬挑结构与主体结构内力和变形的相互影响,对相关构件的承载力按照包络原则进行了复核。


(2)施工阶段

施工中采用了有支撑悬伸推进施工法,施工顺序如下:第一步,安装非悬挑部分;第二步,安装三个切角部位,先安装东北角,再安装东南角,最后安装西南角。按照最终的计算模型,根据真实的框架结构安装步骤及楼板浇筑顺序对结构进行了分析及复核[3]。


巨型悬挑结构的施工完成状态按如下原则:荷载考虑结构自重、幕墙荷载、楼面面层荷载及楼面活荷载;荷载组合按1.0×恒载+0.5×活载。预起拱考虑上述荷载后,悬挑端部节点仍保持上翘的姿态。工程中采用定位点的处理方式实施结构预调值。通过模拟分析巨型钢桁架合拢温度对结构的影响,合拢温度选为5℃,最低温度为-15℃,最高温度为35℃。


5.3 关键构件计算分析


(1)立面巨型钢桁架选型分析

设计初始,从悬挑结构的刚度、传力的合理性、节点构造的复杂性、悬挑部位不同布置方案的竖向加速度、建筑效果等不同角度对巨型钢桁架布置方案进行了比选。综合考虑,采用了顶部及斜向杆件均为拉杆的方案,该方案桁架刚度较好,受力区域分布比较明确,节点较易处理,建筑外观好。四个立面巨型钢桁架布置图见图4。


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(a)东立面

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(b)西立面

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(c)南立面

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(d)北立面


图4 四个立面巨型钢桁架布置图


(2)竖向地震作用放大系数分析

采用振型分解反应谱法和时程分析法对结构的竖向地震作用进行了分析,并采用人工输入节点竖向地震作用的方法与计算程序的结果进行了比对,计算中考虑了5%,2%两种阻尼比。计算结果表明,主要构件的竖向地震作用标准值与该构件承受的重力荷载代表值的比值在0.8~0.14之间。实际设计中,采用重力荷载代表值的15%作为本工程悬挑部位的竖向地震效应。


(3)悬挑结构舒适度分析

针对本工程的结构特点,主要考虑了三个切角区域(大悬挑部位)、泰和云梯钢结构(图5(a))、星光大道处钢连桥结构、东北切角部位2,3层钢连廊(图5(b))以及其他建筑面积的舒适度问题。通过计算分析,西南切角区域及东北切角部位2,3层钢连廊舒适度指标不满足规范要求,分别配置了48t及4t的TMD(调谐质量阻尼器)。


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(a)泰和云梯


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(b)东北切角钢连桥


图5 泰和云梯及东北切角部位钢连桥效果图


西南切角部位的下部为用于新闻发布、内外会议等用途的多功能厅,上部为办公楼层。该部位为悬挑区域,分析中需考虑振动在不同楼层间的相互影响。经过优化计算分析,分别在切角部位的多功能厅、5层办公区、6层办公区和屋顶各安装12t(共48t)竖直方向的TMD,结构的垂向振动加速度峰值有很大程度的降低,大大提高了结构的舒适性,可以满足舒适度要求。楼层中的TMD放置在楼层梁窝内,屋顶的TMD结合屋顶花园景观放置。


(4)复杂节点有限元分析

本工程存在较多构造复杂、受力较大的关键节点,采用有限元分析软件,建立复杂节点仿真模型,进行节点性能分析,以检验构件在节点区的应力状态及节点传力的可靠性。


切角部位底部斜面箱形钢梁根部与型钢混凝土柱交接,在箱形钢梁与型钢混凝土柱之间增设了过渡区,在过渡区内设置了外围环向板及径向板,加大了型钢混凝土柱节点区的截面,使得箱形钢梁在过渡区内与加大的型钢节点连接(图6),将力传递给型钢混凝土柱。这一方案大大降低了型钢混凝土柱节点区域施工的难度,保证了节点安全。建立了有限元仿真模型,对节点进行弹塑性分析。


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图6 节点现场照片


结果表明(图7),轴力较大的两根箱形钢梁只在与环梁连接过渡的地方有小部分区域进入屈服状态,节点区域总体处于弹性范围内。


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(a)整体应力云图


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(b)立面柱筒与上下盖板应力云图


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(c)内圈柱筒与12块劲板应力云图


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(d)十字柱与4块劲板应力云图


图7  复杂节点二应力云图(单位:N/mm2)


6.基础设计


本工程结构整体刚度较弱,柱荷载分布极不均匀,核心筒、转换结构及悬挑结构支撑柱等部位荷载集中,巨型钢桁架及转换桁架刚度大,对不均匀沉降非常敏感,抗浮水位高,浮力达130kPa,存在抗浮问题。


考虑本工程的结构特点和荷载分布情况,进行了桩基、天然地基筏形基础方案的比选。经计算分析,桩基方案与天然地基筏形基础方案费用相差不大,但桩基方案施工工期较长,不能满足业主的进度要求。最终采用了天然地基筏形基础方案,主楼范围采用了压重方法以及整体协调的方法解决抗浮问题,纯地下室区域浮力较大,设置了抗浮小桩解决抗浮问题。


在抗浮工况下,主楼范围内仅星光大道位置的局部区域还存在抗浮问题,抗浮荷载最大值为20kPa。地下2层及地下1层楼面相关区域采取了降板压重的方法,同时,底板相关范围内也采取了板厚加厚及配筋加强的措施。


本工程采用的抗浮小桩不同于传统抗浮桩,桩径为400mm,设计桩长为4.2m,单桩抗拔承载力为155kN,桩端位于底板下的天然地基持力层内,对地基的加固作用有限,在解决抗浮问题的同时,较好地控制了钢筋桁架的差异沉降。施工中采用长螺旋钻孔管内泵压混凝土后插钢筋笼成桩工艺,施工速度快,满足了工程进度要求。


通过改变筏板厚度来调整地基刚度,从而在满足承载力的前提下,通过尽量调平基础差异沉降来降低上部结构次内力和基础内力,增加基础的安全储备。基础设计中除满足小震安全性的同时,还按中震、大震对巨型悬挑根部的结构柱、转换部位的支撑柱、主要核心筒等重要部位进行了复核。


地基基础计算分析中考虑了上部结构-地基-基础共同工作,地基计算模型采用有限压缩层地基模型,并考虑加荷历史的影响。通过计算分析,主楼最大沉降量为38mm,平均沉降量为32mm,主楼下整体挠度值为0.13‰,主楼与相邻裙房柱最大差异值为8.0mm,主楼与相邻裙房柱最大差异沉降为0.90‰。


为了将基础各部分的沉降差异控制在一个合理的范围内,还采取了如下技术措施:在主楼与纯地下室之间设置沉降后浇带;在主楼柱荷载差异较大区域、局部中空区域及核心筒周围对筏形基础进行局部配筋加强;适当加强地下1层底板厚度,增强结构的整体性;在巨型悬挑根部的结构柱底下部位设置了连柱墙,进一步分散柱底反力。


根据现场对主楼筏形基础地基反力、基础底板内力和柱轴力的测试结果,可以看出变厚度筏形基础有效调节了差异荷载引起的差异沉降,使基底反力分布更趋向于均匀,筏板的钢筋应力基本控制在40MPa之内(至主体结构完成时)。


7.特殊部位——星光大道


星光大道是腾讯北京总部大楼的亮点之一,造型独特。空间上像两个对放的四角锥,一边为混凝土结构,一边为幕墙钢结构,剖面及效果图见图8。

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(a)星光大道剖面


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(b)星光大道效果图


图8  星光大道剖面及效果图


星光大道混凝土部分下方为有净高要求的车道,上部为有绿化要求的广场,结构自身的支撑关系复杂,通过BIM技术(图9),搭建结构体系并计算分析,保证结构安全及建筑功能的实现。


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图9  星光大道BIM结构模型图


四角锥形幕墙的竖向荷载传至1层,地下1层混凝土楼面结构,水平荷载传至不同标高的主体结构上,幕墙的中部及顶部节点只传递水平力。四角锥支座及杆件布置图见图10,设计中采用了以下三种连接节点:底部楼面结构可以为幕墙提供可靠的竖向及水平向支撑,设计中采用双向铰支座,释放了底部弯矩,简化了节点构造;中部与楼层结构连接,楼层结构平面内刚度大,采用了单向销轴节点,仅为幕墙提供水平向支撑,释放了竖向约束;顶部结构与巨型钢桁架连接,巨型钢桁架有足够的刚度及强度为幕墙结构提供支撑,采用了三向球形节点,待幕墙结构自重变形完成后与巨型钢桁架连接。


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图10 支座及杆件布置图


8.结语


腾讯北京总部大楼体型较大、造型独特、功能多样、空间丰富,结构设计与建筑紧密结合,充分实现了建筑功能与效果。设计中进行了结构材料、结构体系、基础形式的比选论证,多程序多模型的计算分析,抗震的性能化设计以及特殊部位的专项研究等工作,针对不同部位提出了详细的技术措施,保证了结构的安全性、合理性及可实施性。

致谢:特别感谢齐五辉总工程师在本工程设计中给予的悉心指导和帮助!


参考文献

[1] 孙建超, 王杨, 刘军进,等. 成都来福士广场结构总体设计[J].建筑结构, 2015(13):1-11.

[2] 汪大绥, 姜文伟, 包联进,等. 中央电视台(CCTV)新主楼的结构设计及关键技术[J]. 建筑结构, 2007(5):1-7.

[3] 周进兵, 张宝燕, 郭福元. 腾讯(北京)总部大楼大悬挑钢结构有支撑悬伸推进法结构设计[J]. 施工技术, 2016,45(17):1-4.

[4] 高层建筑混凝土结构主体结构:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[5] 张宝燕, 周进兵, 张浩. 腾讯(北京)总部大楼大悬挑钢结构向心关节轴承节点制作与安装技术[J]. 施工技术, 2016,45(17):12-16.

限于篇幅,楼板设计、自润滑向心关节轴承节点等设计及受力分析不再详细阐述,更多精彩内容详见《建筑结构》杂志2018年第20期文章,题目:《腾讯(北京)总部大楼复杂结构设计关键技术概述》,作者:祁跃,郭晨喜,束伟农,张翀,张硕,常坚伟,张硕,杨轶(北京市建筑设计研究院有限公司)。


注:本文部分图片源于互联网,原始出处不详,其版权归原作者及原出处所有。如原版权所有者不同意转载,请及时联系我们,以便立即删除。


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