中銀大廈結構設計

1、北京中銀大廈結構設計 ——中國建筑科學研究院 建研建筑設計研究院有限公司,本工程由著名建筑大師貝聿銘領銜設計美國貝氏建筑師事務所與中國建研院設計院合作設計。中方自方案調整開始，參與了初步設計、施工圖以及裝修設計。施工期間現(xiàn)場配合及竣工驗收以中方為主。,北京中銀大廈工程簡介－概

2、況,北京中銀大廈工程簡介－概況,建筑功能：銀行辦公為主。1層、2層為營業(yè)大廳。3層、4層為交易大廳、網控中心、集中計算機房。5層以上為大空間辦公用房。銀行主管層為10、11層，在11層設有主管餐廳總建筑面積：174869平方米。地上最高15層，地下4層。建筑高度：西北57.50米，東南44.85米。建筑物外輪廓近似矩形，沿建筑規(guī)劃紅線布置。,結構設計的創(chuàng)新與探索,北京中銀大廈結構設計,設計時間：1995年～1996年主

3、體結構封頂時間：1998年工程竣工時間：2000年執(zhí)行規(guī)范：89規(guī)范,北京中銀大廈結構設計,一、結構體系與布置 1、現(xiàn)澆鋼筋混凝土板柱－剪力墻體系，局部設鋼結構巨型桁架 2、建筑物邊長約為120×130米。整個建筑全部連成整體，未設溫度縫、沉降縫、抗震縫。 3、柱網: 由建筑功能確定，平面柱網有兩種。上部結構基本柱網6.9m&#

4、215;6.9m;地下室中部車庫局部7.8m×7.8m。因建筑要求，局部層間進行柱網轉換，個別位置柱被抽除。 4、剪力墻: 利用建筑樓、電梯間，井筒沿建筑布置。力求質量中心與剛度中心接近。建筑外墻開有連續(xù)窗洞，形成壁式框架。,北京中銀大廈結構設計,一、結構體系與布置 5、樓蓋:因建筑功能要求，結構采用全現(xiàn)澆無柱帽平板樓蓋。板厚依不同跨距取220mm至350mm。頂

5、層設備機房樓板設低梁，按新的設計概念計算設計。地下一層中部會議廳頂設35米跨預應力大梁。 6、空間內錐型懸挑結構: 空間內錐型懸挑結構位于中部大廳內側角部。最大懸挑長度9.8米。挑出部分設計未設懸挑梁。此結構體系的最大特點在于懸挑部位仍可保證與其他部位具有相同的建筑使用空間(因未設懸挑梁，該處仍為板柱結構)。,北京中銀大廈結構設計,一、結構體系與布置 7、鋼結構:本工程局部采

6、用鋼結構，包括巨型鋼桁架和藝術網架。巨型鋼桁架作為結構轉換層構件位于東、南兩側主入口上方。最大跨度55米，高度6.9米。藝術網架位于四季大廳頂部，面積4200平方米。網架呈正錐型布置，所有節(jié)點和桿件均由鋼板焊接而成。 8、地基和基礎：本工程為天然地基，筏板基礎，地下室外墻為承重和支護合一的地下連續(xù)墻。,北京中銀大廈結構設計,二、結構整體分析 為正確反應結構的自身特性，本工程采用多個程序進行結構整體

7、計算分析。所采用的程序有ETABS、SATWE等。 1、采用彈性樓板 2、取前30個振型進行振型組合 本工程第一振型為復雜結構薄弱環(huán)節(jié)的振動情況，第一周期已不能被視為結構振動主振振型,北京中銀大廈結構設計,二、結構整體分析 SATWE主要計算結果,北京中銀大廈結構設計,二、結構整體分析 SATWE主要計算結果,地震作用下的主要計算結果,,北京中銀大廈結構設計,結構設計難點： 1、整體筏板基礎

8、，不設縫及后澆帶。 2、地下連續(xù)墻（施工支護與使用合一）。 3、大跨鋼結構（巨型鋼桁架）。,,,北京中銀大廈結構設計,結構設計難點： 4、空間內錐形懸挑結構 5、無轉換梁結構柱網轉換 6、35m跨預應力梁機械鉸節(jié)點,,北京中銀大廈結構設計,一、整體筏板基礎，不設縫及后澆帶,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 1、建筑場地表層2至8m為人工堆積層，以下為第四紀之粘性土、粉砂和砂卵石交互層。地下水第一

9、層為上層滯水，深約5至6m。第二層為承壓水，深20.5至22m。建筑場地為II類 。 2、本工程地下室共四層，全部占滿規(guī)劃用地。基底最大埋深約-22m，落于粉砂和卵石層上。 3、地面以上結構沿四周成口字布置，中部形成開敞空間。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 1、基礎在建筑物中部與周邊承受的豎向荷載差異很大 2、在高低層荷載突變處基礎底板未設沉降后澆帶

10、 3、在高低層荷載突變處通常的做法是設沉降施工后澆帶。其主要觀點是利用后澆帶將高層主體結構與低層結構在施工期間斷開，利用后澆帶調整高低層間的沉降差，以此減少高低層沉降差對基礎底板產生的內力。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 就本工程而言，基礎埋深深，底板位于承壓水位標高以下。若設施工后澆帶，則需長年進行降水才能保證上部結構的正常施工。本工程現(xiàn)場日降水量達一萬立方米，這將使施工造價明顯增加，同時也使施工變得復雜困難。,北

11、京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 進行廣泛的專家論證，對于這種基礎面積大，在荷載極不均勻的條件下使用天然地基的工程是否設沉降后澆帶，有著不同的觀點和意見。在深入分析的基礎上，我們最后確定了不設沉降后澆帶方案。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 依據(jù)： 1.近年研究表明，當?shù)刭|條件較好時，高低層荷載突變處其基底沉降變化不會突變，產生臺階式沉降差。而是在一定范圍內較緩變化。 2

12、.本工程基坑深達20多米。挖出土的重量與建筑物重量基本相同，屬補償性基礎?；赘郊討苄?。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 依據(jù)： 3.建筑物地面以上呈口字型布置，荷載分布周邊大中間小，而地基回彈再壓縮變形中間大周邊小，即結構布置和荷載分布對減少沉降差有利。 4.對地基基礎進行計算分析，使基礎底板能夠承受上部結構及地基變形產生的內力，保證地基及基礎底板安全可靠。,北京中銀大廈結構設計

13、,整體筏板基礎 1、采用天然地基 持力層主要為細中砂、粗砂和卵石層，地基承載力標準值350KN/m2，修正后地基承載力標準值大于1000KN /m2；2、基礎板厚有三種：1600mm、2000mm 、2300mm；3、基礎板的受力特點：上部荷載極不均勻，四周荷載大，中間荷載小。在大鋼桁架兩端的支座下，在內錐的支撐墻下，荷載都很集中。 周邊高層基底平均壓力約500 kPa，中庭部分約150 kPa

14、 建筑總荷載設計值約460萬kN,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 1．  采用美國“SAFE”軟件，采用4節(jié)點的考慮板平面外的剪切變形的米德林厚板板元進行有限元分析計算；2． 采用文克爾地基模型假設，地基模擬為彈簧。疊代計算時，如果發(fā)現(xiàn)基礎板下有受拉區(qū)，則去掉受拉的彈簧，重新進行計算；3．不考慮上部結構的剛度；4．基礎板四周的地下室外墻作為梁單元考慮，大小為0.8X20m；5．荷載：考慮了上部結構的恒載、活

15、載和從ETABS計算得到的地震荷載。6．荷載組合：（1）恒載與活載的組合；（2）恒載、活載與地震荷載的組合。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 計算結果表明： 差異沉降漸變發(fā)生，基礎最大沉降值為55mm，差異沉降傾斜值在0.1%左右。 基礎觀測表明： 實測沉降值為30～40mm ，沉降漸變發(fā)生，計算結果的規(guī)律合理。,北京中銀大廈結構設計,整體筏板基礎 雖然基礎板上的荷載很不均勻，根據(jù)計算結果，

16、整體傾斜率能滿足規(guī)范要求。所以，整個筏板僅設了伸縮后澆帶，,北京中銀大廈結構設計,靜載下的變形,北京中銀大廈結構設計,活載下的變形,北京中銀大廈結構設計,靜+活荷載下X方向板內彎矩,北京中銀大廈結構設計,靜+活荷載下Y方向板內彎矩,北京中銀大廈結構設計,實測沉降曲線,,北京中銀大廈結構設計,二、地下連續(xù)墻,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻 1、最大限度利用規(guī)劃用地，高度受限，向下發(fā)展。 2、地下四層，深22m，建筑外輪

17、廓線與建筑紅線重合。 3、開挖方案 （1）放坡大開挖。場地位于鬧市區(qū)，周邊多為重要建筑和城市主要街道，放坡開挖不可能。否定。 （2）護坡樁支護結構。優(yōu)點：經驗成熟，技術可靠，地下室施工方便。缺點：需占用紅線外市政規(guī)劃用地。否定。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻 3、開挖方案 （3）地下連續(xù)墻。不占用紅線外用地，既可保證上部豎向荷載的有效傳遞，又滿足建筑使用要求。采用。,北京中銀大廈結構設計,地下連

18、續(xù)墻 1、特點：不同階段，其功能與受力工作狀態(tài)不同。 2、功能：施工開挖階段為施工支護結構，用于擋土、截水。使用階段為地下室外擋土墻。 3、難點：對于基坑深度二十幾米，施工支護與使用合一的地連墻結構經驗不足。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻 需解決的難題： 1、位移的嚴格控制。 2、施工支護階段與使用階段要考慮內力重分布的計算方法。 3、樓板與地連墻的可靠連接方法。 4、在豎向荷載作用下地連墻沉降

19、（基底沉渣等原因產生）與基礎底板間沉降差控制以及防水措施等。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算分析 1、因基坑邊長很長，計算按平面問題考慮。 2、取單位長度墻段，用彈性支點法，桿系有限元進行分析。 3、把連續(xù)墻沿深度方向離散成梁單元，錨桿及基坑底土體簡化為作用在相應結點上的彈簧，錨桿彈簧的直線剛度按錨桿張拉試驗曲線確定。土體彈簧的直線剛度用m法按不同土層分層計算。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算分析

20、4、連續(xù)墻上的荷載為墻背側向土壓力、水壓力及錨桿預加力對墻體的推力。土壓力按朗肯土壓力理論分層計算。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算分析 5、計算分析模擬基坑分層挖土及錨桿分層施打、張拉的實際施工過程，分為若干個連續(xù)相關的工況，每個工況的計算分析要利用上一工況的計算結果。計算中考慮了錨桿施加之前墻體已產生了一定的位移這一實際情況，同時也考慮了墻體在基坑開挖過程中有時會向基坑外位移的情況，使得計算分析更接近于實際情況。,北

21、京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算分析 6、地下連續(xù)墻在作為臨時支護結構的任務完成后，還將作為建筑物的永久結構繼續(xù)在使用階段發(fā)揮作用，在進行使用階段連續(xù)墻的受力分析時要充分考慮其已存在的內力與變形，這樣才能正確分析連續(xù)墻的工作狀態(tài)。地下室各層樓板施工完成后，隨錨桿全部拆除，各層樓板成為連續(xù)墻的新支點，地連墻內力重分布。,北京中銀大廈結構設計,錨桿設計 1、預應力錨桿技術是本基坑工程成敗的關鍵。 2、連續(xù)墻上的絕大部分水

22、平荷載傳至錨桿，需確定錨桿的承載力和變形性能。 3、錨桿基本試驗 。,北京中銀大廈結構設計,錨桿設計 4、錨桿設計綜合考慮了以下問題： (1).錨桿所在的地層條件； (2).力求使連續(xù)墻的彎矩分配合理,不要出現(xiàn)局部過大彎矩； (3).錨桿的位置在滿足地下室施工的前提下盡量接近地下室樓板，以減少錨桿拆除后連續(xù)墻內力的突變； (4).為了減小連續(xù)墻在施工階段的內力和位移，錨桿在地下室施工至

23、77;0.00后拆除。 5、通過調整各設計參數(shù)經過多次試算得到最優(yōu)化的計算結果 。,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算結果1、墻段1計算彎矩及位移,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算結果2、墻段2計算彎矩及位移,北京中銀大廈結構設計,地下連續(xù)墻計算結果3、計算位移與實測值比較,北京中銀大廈結構設計,配筋設計 1、取各階段內力包絡值為配筋計算依據(jù)。 2、C40砼，II級鋼筋。 3、連接構造

24、 （1）槽段間接頭采用圓形接頭管； （2）基礎底板采用了預埋鋼筋接駁器的連接方法； （3）地下室各層樓板及墻體之間的接頭； （4）地下連續(xù)墻與主體結構梁之間的接頭也采用了預埋鋼筋接駁器的連接方法。,北京中銀大廈結構設計,配筋設計,北京中銀大廈結構設計,地連墻底部壓漿技術的應用 1、槽底沉渣量過大，會使地連墻產生附加豎向沉降 。 2、經現(xiàn)場測量槽底虛土

25、和沉渣厚度約15厘米 。 3、壓漿采用C25水泥漿，利用壓漿管將水泥漿液壓入槽底，在槽底形成水泥漿加固區(qū)，。 4、經現(xiàn)場施工后連續(xù)觀測，地連墻沉降量甚小，上部結構墻體與相連樓板間沒有發(fā)現(xiàn)不良變化 。,北京中銀大廈結構設計,地連墻各階段監(jiān)測 1、對地連墻全過程進行監(jiān)測。監(jiān)測內容包括地連墻頂部側向位移、地連墻墻身位移、墻內鋼筋應力變化、周圍建筑物及周邊地面沉降觀測。 2、周邊環(huán)境：周圍建筑物的沉降僅為0.2mm

26、，基坑相鄰地面的沉降大都在10mm左右,周圍的地下設施無一受到損壞，說明基坑開挖對周邊環(huán)境的影響甚微。 3、連續(xù)墻位移：除南側局部因特殊情況提前拆除部分錨桿導致連續(xù)墻墻頂位移增加外，其它部位連續(xù)墻體的位移均小于30mm，達到了預期的目的，滿足了連續(xù)墻的變形要求。,北京中銀大廈結構設計,三、大跨鋼結構（巨型鋼桁架）,北京中銀大廈結構設計,東、南立面巨型鋼桁架,北京中銀大廈結構設計,巨型鋼桁架 1、東立面、南立面各有兩榀桁架，

27、外側桁架跨度55.2m，內側桁架跨度45.5m，桁架高6.9m，為標準樓層的兩層高。 2、鋼桁架上承托8層鋼筋混凝土結構。荷載巨大。 3、本工程施工工期較長，歷經四季。冬夏季之間最大溫差在50~60度之間 ，溫度應力問題突出。,北京中銀大廈結構設計,巨型鋼桁架 4、結構設計分兩階段進行 ，施工階段按端部鉸節(jié)點考慮。此階段鋼桁架兩支座可以滑動，上部結構在施工期間支座處局部混凝土暫不澆筑，保證桁架支座水平方向自由滑動和轉動

28、。桁架上部混凝土結構施工時，跨中部位預留后澆帶，去除上部混凝土結構與鋼桁架的整體效應，使施工加載過程與計算假定接近。第二階段，待上部結構完成后，以后期溫度變化產生的應力最小為原則，考慮今后使用期間的室內溫度及北京自然氣溫變化(取接近中間值)等影響因素，確定桁架端部混凝土封閉時間。,北京中銀大廈結構設計,東、南立面巨型鋼桁架－－上部預留施工后澆帶,,,北京中銀大廈結構設計,巨型鋼桁架 鋼桁架鋼材型號A572，由國內生產。桁架上下弦

29、桿按箱型設計，腹桿為焊接H型鋼，板材厚度分別為50mm、75mm。桁架連接全部為焊接，焊縫按一級要求。 主要截面如下：,北京中銀大廈結構設計,東、南立面巨型鋼桁架,北京中銀大廈結構設計,東、南立面巨型鋼桁架,北京中銀大廈結構設計,巨型鋼桁架－－主要計算結果上弦桿的最大軸壓力:38042 KN下弦桿的最大軸拉力:40067 KN跨中撓度:靜載120mm,活載20mm,共140mm。鋼桁架在安裝時起拱110mm。,北京中銀大廈結

30、構設計,巨型鋼桁架 －－運輸與吊裝,考慮到運輸和吊裝的可行性，將整榀桁架分割成如圖所示的單元。在工廠內加工完后，運至現(xiàn)場拼裝。,北京中銀大廈結構設計,四、空間內錐型懸挑結構,北京中銀大廈結構設計,空間內錐型懸挑結構 ： 1、在中部大廳西北角上空4至8層由三個方向向內挑出9.8米，形成空間內錐型懸挑結構。 2、懸挑部分上部新增柱網直接落于挑出的水平樓板和斜墻上。對于落在挑出的樓板和斜墻上的上部柱網，結

31、構也未設常規(guī)概念的轉移大梁 。,,北京中銀大廈結構設計,空間內錐型懸挑結構,北京中銀大廈結構設計,空間內錐型懸挑結構 1、該方法使挑出結構部分仍為板柱體系，從而保證了建筑在使用上具有充分的靈活空間。 2、使用三維殼元程序LARSA對空間內錐型懸挑結構進行了進一步詳細分析 。 3、計算模型 ： 模型一：僅斜墻板，未考慮水平樓板，水平樓板處設水平不動鉸支座。 模型二：考慮水平樓板的作用。

32、 模型三：水平樓板處設水平彈簧支座。 4、彈性計算。,北京中銀大廈結構設計,空間內錐型懸挑結構 1、由于水平樓板在受彎的同時還承受拉力，因此在配筋時板上下皮均配置全部拉通的受拉鋼筋。并適當提高板的厚度，使其具有一定的剛度保證。 2、對于斜墻板設計，由于懸挑斜墻上支承有上部結構柱，為提高斜墻板的剛度和抗彎、抗沖切能力，設計中對承受上部柱網的斜墻沿水平和沿斜墻方向的板帶采取了板上加肋的構造措施，使斜墻板這一關鍵結構部位在設計

33、中得到加強。,北京中銀大廈結構設計,五、無轉換梁結構柱網轉換的新方法,北京中銀大廈結構設計,無轉換梁結構柱網轉換的新方法 1、傳統(tǒng)設計中，柱網轉換通常由轉移大梁承托上部不落地柱。 2、本工程受到限制，利用層間增設局部墻體對不落地柱進行轉換。,,,,,,,,,,,,北京中銀大廈結構設計,無轉換梁結構柱網轉換的新方法 1、上下層樓板作為拉壓平衡條件參加工作。 2、在設計上我們對上下層樓板加厚，并沿墻體方向根據(jù)計算設置暗梁，抵

34、抗水平拉（壓）力。 3、對墻體設計時進行應力狀態(tài)分析，使墻體具有足夠的抗剪強度保證，確保轉移構件在上部荷載作用下安全可靠。 4、設計中考慮了豎向地震的影響。,北京中銀大廈結構設計,六、機械鉸節(jié)點,地下室1000人的國際會議廳頂部為35米跨預應力大梁梁柱節(jié)點首次在建筑中采用機械鉸裝置,北京中銀大廈工程簡介－概況,北京中銀大廈結構設計,,北京中銀大廈結構設計,機械鉸節(jié)點 1、跨度：32m，梁截面：1200x2200，柱截面