北京电视中心综合业务楼 结构设计 北京市建筑设计研究院 2004.11.13 重庆

1 工程概况 北京市电视中心工程为北京市50项重点工程之一，是为迎接北京2008年奥运会的配套建设项目之一。 北京市电视中心工程由综合业务楼，演播中心和服务中心三部分组成，总建筑面积为195000平方米。 综合业务楼的建筑面积为90000平方米。 主体结构高度为 200m，建筑总高度为 238m。 地下 3 层，地上 41 层。 标准层的平面尺寸为L=67m，B=61m。 结构形式：巨型钢框架结构体系 本工程的抗震设防烈度为8度 抗震设防类别为乙类，设计地震分组为第1组。 本建筑的结构设计基准期为50年，结构安全等级为一级。

2 结构初步设计情况 方案设计中，建筑师想通过结构桁架层将北京电视中心建筑物外围设计成盘旋上升的巨龙，导致大型钢桁架层在每个立面上都不在同一层上，由于建筑师对建筑造型要求过严，使结构在平面布置和竖向布置上均很不规则，给结构设计带来很大的困难。 本工程主楼由于钢桁架层错层，很多层为不同方向的凵形平面，质心和刚心位置偏差很大，又由于建筑物上部逐渐内缩使得形状从“回型“变为“凵型“；从“凵型“变为“Ｌ型“到最终成“—型“，使结构在平面布置和竖向布置上均特别不规则。

3 初步设计审查意见 根据中华人民共和国建设部令(第59号)《超限高层建筑工程抗震设防管理暂行规定》第4条规定∶凡在抗震设防区进行超限高层建筑工程的建设时，超限高层建筑工程的建设单位应向工程所在地的省、自治区、直辖市建设行政主管部门专项报审。根据以上要求，本工程应报请北京市抗震专项审查。 本工程结构初步设计阶段在2002年10月和2003年1月，分别进行了两次抗震专项审查，主要审查意见如下： ① 结构属四片不同高度的巨型钢框架体系的组合，四片巨型框架均为四层，但层高不同，除首层的桁架梁外，其余桁架梁不在同一标高处，在总体结构的楼层平面内不封闭，不足以形成有效的空间巨型框架，应加以改进；

② 部分楼层的相邻层质量比严重偏大、平面几何尺寸差异很大，且相邻的侧向刚度比明显突变，导致竖向特别不规则； ③ 部分相邻楼层的质心位置彼此偏离很大，且相当一部分楼层的偏心率很大，扭转位移严重偏大，应采取措施满足抗震规范规定； ④ 顶部单片巨型框架的鞭梢效应严重，时程分析的层间位移超过规范的限值，应采取措施满足规范的要求； ⑤ 本工程体型复杂，应对巨型框架体系单独进行静力、动力分析和弹塑性计算分析，并应进行模型试验验证，以取得设计依据，必要时提出相应的改进措施； ⑥ 结构四片巨型框架的第二层，变形明显大于其余各层，有明显的变形集中，宜采取措施改进；并取合理的计算高度复核层刚度比； ⑦ 结构四个 L形框架柱的两肢，分别与两个方向不同标高的桁架梁相连，需考虑 L形框架柱横截面的翘曲变形影响； ⑧ 有条件时，可采用耗能支撑等新技术，在安全的前提下减小用钢量。

4 结构布置调整 根据初步设计阶段专项审查专家组的两次审查意见，本工程影响结构抗震不利的根本因素是，结构平面布置和竖向布置均特别不规则。 BIAD根据两次审查意见以及业主想通过结构方案优化来有效地减小结构用钢量，从而降低结构成本，节省投资的要求，对结构布置进行以下调整: 1.主要修改为将错层桁架层全部拉平 2.调整巨型柱的支撑形式 3.屋顶设置空间桁架支撑，减小顶部单片巨型框架的鞭梢效应

结构整体3D透视图 支撑修改 结构标准层3D透视图

6～7层双层大钢桁架透视图 单层钢桁架示意图

5 结构设计原则 根据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）的规定，高层的建筑钢结构抗震设计，应采用两阶段设计法。 第一阶段为多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承载力和稳定以及结构的层间侧移；第二阶段为罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。 结构设计时,确定以下原则： ① 构件设计按照中震作用下各杆件处于弹性状态； ② 通过弹塑性分析，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比，满足国家规范要求。

6 结构计算 第一阶段结构计算，采用 SATWE 软件和韩国的 MIDAS 两种不同的计算软件进行整体分析，并进行了弹性动力时程分析补充计算。同时结构计算分多遇地震作用和中震作用两部分分别进行计算。 多遇地震作用下计算时，阻尼比为0.02，地震力放大系数为 1.1。弹性动力时程分析时，选取三条地震波，TAF-2为实测波,LAN6-2为人工地震波,USER1是由北京市地震局提供的人工地震波(BJTIME63)。 中震作用下计算时，阻尼比为0.02，地震力放大系数为 1.0，荷载分项系数为1.0；构件强度设计值为屈服强度。计算结果表明，结构主要构件在中震作用下处于弹性状态。 STAWE和MIDAS计算结果表明，在地震作用下主楼层间位移角最大值等各项指标均满足抗震规范要求。

STAWE计算结果:

MIDAS计算结果:

第二阶段结构计算为罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。采用韩国 MIDAS 软件进行整体弹塑性分析，根据计算分析结果，各项指标均满足国家规范要求。 主要计算结果摘要如下： 综合业务楼的扭转周期为2.93秒,第一平动周期为3.91,因此扭转周期与第一平动周期的比值为0.75。 综合业务楼在地震作用下，在扭转作用最大的楼层，楼层竖向构件的最大水平位移角与该楼层平均水平位移角的比值为 1.35 ，小于1.4 的规定。 计算结果表明结构在地震力作用下弹性阶段的层间位移角小于规范1/300的限制要求，弹塑性阶段的层间位移角小于规范1/50的限制要求。

7 结构构造措施 本工程主楼建筑物在钢桁架层拉平以后，由于在平面形状以及竖向刚度上，建筑物的中心部位有竖向贯通空间，且四角处的复合巨型柱呈现拐角“Ｌ型“，又由于建筑物上部逐渐内缩使得形状从“回型“变为“Ｌ型“到最终成“—型“，因此本工程平面上和竖向刚度上仍存在不规则的情况，故在考虑抗震设防时应针对结构体系中存在的薄弱环节采取相应的结构加强措施。 ① 在钢桁架层的上下楼层加设水平支撑，提高楼层的水平刚度，以保证水平地震力的有效传递； ② 31层以上由于建筑物上部逐渐内缩使得形状从“回型“变为“Ｌ型“到最终成“—型“。在此部分楼层加设水平支撑，提高楼层的水平刚度，以保证水平地震力的有效传递； ③ 由于复合巨型柱呈现拐角“Ｌ型“，在抗震设计时拐角处设置加强梁，同时加厚楼板，利于水平地震力的有效传递； ④ 为了提高水平向层间刚度及减少部分扭转变形以确保建筑物各层的整体连接性，设置刚性连接的连续梁来增强大框架各部分的整体性。

8 结束语 本工程原方案由于建筑造型要求，使结构在平面布置和竖向布置上均特别不规则，为此在结构构造措施和抗震设计方面均需进行特别加强。 根据业主要求，结合抗震设防专项审查专家的意见，对结构布置作了较大的改进。提高了结构的抗震性能，同时在保证抗震安全的前提下,结构用钢量也有大幅度的减少。 对巨型框架体系进行静力和弹塑性计算分析工作。 通过两种不同软件计算，结构在地震作用下符合《建筑抗震设计规范》的要求。 对结构主要的承重、抗侧力构件，采取了相应的加强构造措施。

谢谢各位代表!