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1 分 类 号 TU3 学 号 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 Study on Key Technology and Suggestions for the Design of Super High-rise Steel Concrete Composite Structure in High Seismic Region 殷 超 指 导 教 师 姓 名 张 艳 霞 副 教 授 北 京 建 筑 工 程 学 院 申 请 学 位 级 别 硕 士 专 业 名 称 结 构 工 程 论 文 提 交 日 期 2009 年 6 月 论 文 答 辩 日 期 2009 年 6 月 学 位 授 予 单 位 和 日 期 北 京 建 筑 工 程 学 院 2009 年 6 月 答 辩 委 员 会 主 席 吴 徽 教 授 评 阅 人 吴 徽 教 授 王 滨 夫 高 工 2009 年 6 月

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3 分 类 号 TU3 学 号 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 Study on Key Technology and Suggestions for the Design of Super High-rise Steel Concrete Composite Structure in High Seismic Region 殷 超 指 导 教 师 姓 名 张 艳 霞 副 教 授 北 京 建 筑 工 程 学 院 申 请 学 位 级 别 硕 士 专 业 名 称 结 构 工 程 论 文 提 交 日 期 2009 年 6 月 论 文 答 辩 日 期 2009 年 6 月 学 位 授 予 单 位 和 日 期 北 京 建 筑 工 程 学 院 2009 年 6 月 答 辩 委 员 会 主 席 吴 徽 教 授 评 阅 人 吴 徽 教 授 王 滨 夫 高 工 2009 年 6 月

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5 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 原 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 学 位 论 文, 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下, 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果 除 文 中 已 经 注 明 引 用 的 内 容 外, 本 论 文 不 含 任 何 其 他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 作 品 成 果 对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的 个 人 和 集 体, 均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 本 人 完 全 意 识 到 本 声 明 的 法 律 结 果 由 本 人 承 担 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 i

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7 授 权 书 本 人 同 意 将 所 著 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 著 作 权 中 的 数 字 化 制 品 复 制 权 信 息 网 络 传 播 权 和 汇 编 权 授 权 北 京 建 筑 工 程 学 院 研 究 生 部 行 使 上 述 授 权 的 范 围 包 括 : 北 京 建 筑 工 程 学 院 自 己 使 用 或 委 托 他 人 使 用 本 人 保 证 为 该 论 文 作 者, 依 法 享 有 著 作 权, 并 愿 承 担 因 著 作 权 问 题 引 起 的 责 任 北 京 建 筑 工 程 学 院 须 依 照 我 国 著 作 权 法 的 有 关 规 定, 充 分 尊 重 本 人 享 有 的 著 作 权 权 利 ( 包 括 获 酬 权 ) 本 授 权 有 效 期 5 年 论 文 作 者 : ( 签 章 ) 年 月 日 作 者 联 系 方 式 : 地 址 : 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 手 机 : 电 子 信 箱 : i

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9 摘 要 型 钢 ( 或 钢 管 ) 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 体 系, 是 近 年 来 在 我 国 高 层 以 及 超 高 层 建 筑 结 构 设 计 中 迅 速 发 展 的 一 种 新 型 结 构 体 系 由 于 其 在 降 低 结 构 总 体 造 价 减 少 结 构 断 面 尺 寸 加 快 施 工 进 度 等 方 面 的 显 著 优 势, 引 起 了 工 程 界 和 投 资 商 的 广 泛 关 注 由 于 混 合 结 构 其 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 往 往 相 比 外 框 架 占 据 较 大 刚 度, 在 罕 遇 地 震 下, 塑 形 铰 首 先 出 现 于 内 筒 并 引 发 刚 度 退 化, 地 震 作 用 将 在 内 外 筒 间 产 生 内 力 重 分 布, 导 致 外 框 架 出 现 较 大 破 坏 甚 至 倒 塌 因 此 外 框 架 需 要 在 弹 性 设 计 阶 段, 即 需 分 担 更 多 的 设 计 剪 力 工 程 界 对 此 类 体 系 的 研 究 虽 有 一 定 进 展 但 仍 不 甚 充 分, 特 别 是 根 据 现 有 设 计 规 范, 在 高 震 区 建 造 超 高 层 混 合 结 构 的 实 际 设 计 经 验 还 相 当 匮 乏 目 前, 在 我 国 已 经 建 成 的 高 度 在 150~ 200m 乃 至 300m 以 上 的 超 高 层 建 筑, 大 量 采 用 了 混 合 结 构, 主 要 集 中 于 设 防 烈 度 为 7 度 的 地 区 我 国 高 规 对 于 8 度 高 震 区 设 计 建 造 该 类 混 合 结 构 房 屋 最 大 适 用 高 度 为 150m, 目 前 高 震 区 已 建 成 的 混 合 结 构, 普 遍 低 于 此 限 值, 最 高 亦 不 超 过 200m 本 文 以 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼, 这 一 目 前 在 国 内 8 度 抗 震 区 最 高 的 超 限 混 合 结 构 为 设 计 实 例, 针 对 其 结 构 体 系 和 构 件 选 型 外 框 架 二 道 设 防 抗 震 性 能 化 设 计 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 等 方 面, 对 该 工 程 在 结 构 方 案 以 及 初 步 设 计 阶 段 工 作, 结 合 抗 震 超 限 审 查 中 采 取 的 一 系 列 抗 震 超 限 措 施 以 及 最 新 的 试 验 研 究 成 果, 进 行 了 较 为 系 统 地 总 结 和 研 究 本 文 作 者, 作 为 该 工 程 结 构 方 案 和 初 步 设 计 单 位 项 目 工 程 师 和 第 一 设 计 人, 全 面 承 担 了 该 工 程 结 构 初 步 设 计 超 限 审 查 结 构 优 化 及 相 关 施 工 图 咨 询 审 查 等 一 系 列 具 体 的 分 析 和 研 究 工 作, 对 其 设 计 的 关 键 技 术 和 措 施, 进 行 了 较 为 深 入 地 分 析 和 研 究, 对 高 震 区 混 合 结 构 提 出 了 设 计 建 议 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 结 构 总 高 度 264 米, 将 成 为 继 国 贸 三 期 A 座 之 后,8 度 抗 震 区 北 京 的 第 二 高 楼 和 采 用 型 钢 混 凝 土 框 架 + 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 这 种 混 合 结 构 体 系 最 高 的 建 筑, 大 大 超 过 规 范 高 度 限 值 114 米 (+76%) 建 筑 平 面 长 宽 比 达 到 1.5, 通 过 合 理 布 置 及 专 业 协 调, 有 效 降 低 了 扭 转 效 应 对 超 高 层 结 构 的 不 利 影 响 结 构 沿 竖 向 设 置 了 四 道 含 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 的 加 强 层, 并 将 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 于 核 心 筒 底 部 加 强 区, 有 效 地 增 强 了 整 体 抗 侧 刚 度, 改 善 了 抗 震 性 能, 同 时 也 减 小 墙 体 厚 度 及 自 重 外 框 柱 通 高 采 用 了 大 直 径 圆 钢 管 混 凝 土 柱, 有 效 减 小 了 截 面 尺 寸 及 用 钢 量 结 构 设 计 全 面 融 入 了 性 能 化 设 计 的 思 想, 进 行 了 弹 性 及 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析, 采 取 有 效 措 施, 降 低 了 高 柔 结 构 高 振 型 对 结 构 顶 部 鞭 梢 效 应 的 不 利 影 响, 提 高 了 整 体 安 全 度 结 构 设 计 在 规 范 基 础 上, 满 足 了 全 国 抗 震 审 查 专 家 组 提 出 的 一 系 列 超 限 措 施, 其 整 体 结 构 方 案 和 构 件 选 型 在 用 钢 量 防 火 性 能 风 载 舒 适 度 等 方 面 体 现 了 明 显 的 综 合 经 济 性 能, 因 而 成 功 的 降 低 了 结 构 总 体 造 价 关 键 词 : 混 合 结 构 ; 加 强 层 ; 超 限 审 查 ; 钢 管 混 凝 土 ; 组 合 钢 板 剪 力 墙 ; 伸 臂 桁 架 ; 腰 桁 架 i

10 Abstract Composite structural system composed by Steel Reinforced Concrete (SRC) or Concrete Filled Tube (CFT) frame with Reinforced Concrete core is a new type of structural option, which was rapidly developed in the design of high-rise and super high-rise buildings in China in recent years. In view of its significant advantages, such as decreasing the overall cost, reducing the component section, speeding up the progress of construction and etc, this structural system attracted extensive attention from the engineering field to the investor. As the concrete core generally occupies the main part of the stiffness of the total system, the plastic hinge will occur firstly among the concrete core when the structure is subjected to rarly earthquake and cause degeneration of total stiffness. Thus the external steel frame will be suffered damage or even collapse caused by the redistribution of the seismic force. Therefore the frame shall be distributed more shear force in the stage of elastic design. The study and research for this type of structural system has been carried on in Chinese engineering field in recent years. Some progress have been achieved to some extent, but it not be very deep, especially the practical design experience base on the Chinese code for the super high-rise composite structure in the high seismic zone is still very infrequent. At present, many of the super high-rise buildings around 150m to 200m height or even above 300m height in China adopt composite structure, but these buildings were basically built in the zone of intensity 7. According to the Chinese code JGJ3-2002, maximal applicable height for the building adopting composite system made up of SRC external frame and RC core is 150m for the zone of intensity 8, where the main part of as-built composite buidings are generally lower than this limit at present, and the highest one is not more than 200m as well. This article takes the project of Beijing Fortune Plaza 2 Office Tower, the current highest composite building exceeding code in intensity 8 of China, as the practical example, systematical summary and study are base on the author s work during the project scheme and preliminary design, feasibility study for exceeding code limit and the series of seismic measures. The research work mainly focus on the structural system and member selection, second seismic defense line for perimeter frame design, seismic performance based design, the elastic and elasto-plastic time history analysis and so on. The author of this dissertation, as the projiect engineer and primary designer, has specifically responsible for a series of analysis and study work during the project preliminary design, feasibility study for code exceeding design, structural optimization design, and design review for construction design. Measures and suggestions are given in this artical for the composite design in high seismic zone base on the intensive analysis and study for the key technology. The Beijing Fortune Plaza 2 office tower, with 264m tall, will become the second tallest ii

11 building after the China World Trade Centre 3A mage tower in Beijing as intensity 8 seismic zone and the tallest building adopting composite structural system composed by steel reinforced concrete frame and concrete core, which exceeds the Chinese code limit by 114m or 76%. The length-to-width ratio is close to 1.5, but unfavorable influence caused by torsional effect is successfully reduced by a rational control on the structural layout. Four strengthened-stories with outriggers and belt trusses are installed to provide additional lateral strength. Composite Steel Plate Wall (CSPW) is adopted in the lower level of the core to increase the lateral stiffness and enhance seismic performance effectively, at the same time reduces the self weight with thinner wall as well. Seismic performance based concept was overall embodied in the structural design. Large diameter circle Concrete Filled Tube (CFT) column is used in the perimeter frame along overall height, thus greatly reduce the section size and the amount of steel consumption. Base on the elastic and elasto-plastic time history analysis, the effective measures are taken to resist the significant influence from whiplash effect for the tall and slender structure caused by high order models, thus enhanced the structural safety. The seismic design of the tower has satisfied the additional requirements by expert review panel based on the general Chinese seismic codes. The structural scheme and member selection reflect comprehensive economic advantages in aspect of steel tonnage, fire proof and wind comfort, etc. thus, decrease the construction cost successfully. Keywords: composite structure; strengthening floor; expert panel review; concrete filled tube; composite steel plate wall; outrigger; belt truss iii

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13 目 录 摘 要... I ABSTRACT... II 第 一 章 绪 论 选 题 背 景 和 意 义 震 害 分 析 理 论 研 究 试 验 研 究 工 程 应 用 及 体 系 选 型 进 展 工 程 应 用 情 况 结 构 体 系 选 型 和 应 用 进 展 本 文 研 究 内 容 与 创 新... 9 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 工 程 概 述 设 计 依 据 控 制 参 数 材 料 荷 载 及 效 应 地 震 作 用 地 震 效 应 其 他 问 题 风 荷 载 结 构 超 限 检 查 建 筑 高 度 和 高 宽 比 平 面 规 则 性 竖 向 规 则 性 超 限 情 况 总 结 结 构 体 系 概 述 楼 面 体 系 加 强 层 的 布 置 整 体 弹 性 分 析 结 果 分 析 模 型 周 期 和 振 型 基 底 剪 力 楼 层 剪 力 分 布 剪 重 比 结 构 位 移 舒 适 度 研 究 加 强 层 研 究 纯 钢 结 构 与 混 合 结 构 方 案 比 较 研 究 主 要 目 的 i

14 结 构 布 置 体 系 概 述 计 算 模 型 分 析 与 比 较 材 料 用 量 比 较 其 他 比 较 总 结 总 结...40 第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 组 合 钢 板 剪 力 墙 研 究 简 介 试 验 研 究 工 程 研 究 本 工 程 核 心 筒 及 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 组 合 钢 板 剪 力 墙 及 钢 暗 柱 布 置 形 式 构 件 校 核 与 分 析 结 果 组 合 钢 板 墙 性 能 特 点 及 分 析 核 心 筒 主 要 计 算 及 构 造 措 施 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 分 析 核 心 筒 内 设 计 含 钢 量 的 比 较...61 第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 技 术 规 范 要 求 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 超 限 结 构 的 处 理 本 工 程 的 特 点 及 抗 震 超 限 措 施 外 框 架 结 构 选 型 和 柱 距 选 择 圆 钢 管 混 凝 土 柱 简 介 性 能 特 点 工 程 应 用 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 的 比 较 钢 管 混 凝 土 柱 型 钢 混 凝 土 柱 力 学 性 能 抗 震 性 能 节 点 施 工 及 防 火 小 结 钢 管 混 凝 土 的 其 他 关 键 问 题 梁 柱 节 点 的 合 理 选 择 混 凝 土 密 实 度 及 构 件 整 体 性 控 制 混 凝 土 浇 筑 形 式 的 选 择 防 火 性 能 及 涂 料 的 选 择 小 结...79 ii

15 第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 简 述 常 规 设 计 以 及 其 内 力 调 整 剪 力 墙 框 架 柱 中 震 设 计 要 求 中 震 弹 性 设 计 中 震 不 屈 服 设 计 性 能 化 设 计 的 特 点 本 工 程 的 特 点 及 措 施 中 震 设 计 地 震 工 况 及 内 力 调 整 核 心 筒 墙 肢 中 震 弹 性 验 算 钢 管 混 凝 土 柱 校 核 性 能 化 设 计 的 比 较 第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 时 程 分 析 的 特 点 技 术 规 范 要 求 时 程 波 的 选 取 与 调 整 地 震 动 强 度 地 震 动 谱 特 征 地 震 动 持 续 时 间 超 限 高 层 的 时 程 分 析 本 工 程 小 震 弹 性 时 程 分 析 情 况 与 特 点 时 程 波 的 选 取 地 震 时 程 反 应 分 析 结 果 罕 遇 地 震 弹 塑 性 分 析 评 估 与 设 计 建 议 分 析 内 容 和 目 标 分 析 方 法 和 步 骤 单 元 模 型 和 材 料 本 构 关 系 安 全 评 估 方 法 弹 塑 性 分 析 与 弹 性 分 析 结 果 的 对 比 与 分 析 本 工 程 弹 塑 性 分 析 结 果 对 弹 性 设 计 的 对 比 与 反 馈 第 七 章 结 论 与 展 望 设 计 建 议 与 总 结 展 望 外 框 架 剪 力 分 配 及 调 整 性 能 化 设 计 复 杂 结 构 分 析 数 据 的 后 处 理 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 高 层 分 类 与 高 度 限 值 参 考 文 献 致 谢 iii

16 作 者 简 介 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 初 步 设 计 和 超 限 审 查 工 作 简 介 iv

17 第 一 章 绪 论 1.1 选 题 背 景 和 意 义 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 体 系 是 近 年 来 在 我 国 迅 速 发 展 的 一 种 新 型 结 构 体 系, 由 于 其 在 降 低 结 构 自 重 减 少 结 构 断 面 尺 寸 加 快 施 工 进 度 等 方 面 的 明 显 优 点, 引 起 了 工 程 界 和 投 资 商 的 广 泛 关 注 本 文 所 述 的 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 指 的 是 由 钢 或 其 他 组 合 构 件 与 钢 筋 混 凝 土 共 同 组 成 的 结 构 这 种 混 合 结 构 目 前 应 用 最 多 的 就 是 钢 筋 混 凝 土 筒 体 ( 或 型 钢 混 凝 土 筒 体 ) 与 钢 或 型 钢 混 凝 土 钢 管 混 凝 土 框 架 组 成 的 结 构 混 合 结 构 由 于 其 抗 震 设 防 相 对 单 一, 特 别 在 高 震 区 应 用 受 到 一 定 限 值 8 度 区 200m 以 上 超 高 层 建 筑 尚 无 工 程 实 例, 工 程 设 计 经 验 匮 乏 由 于 混 合 结 构 核 心 筒 往 往 占 据 较 大 刚 度, 在 罕 遇 地 震 下, 内 筒 首 先 出 现 刚 度 退 化, 地 震 剪 力 将 在 内 外 筒 间 产 生 重 分 布, 因 此 外 框 架 需 要 在 弹 性 设 计 阶 段, 即 分 担 更 多 的 设 计 剪 力 工 程 界 对 此 类 体 系 的 研 究 仍 不 甚 充 分 但 目 前 已 经 建 成 的 高 度 在 150~200m 乃 至 300m 以 上 的 超 高 层 建 筑, 大 量 采 用 了 混 合 结 构, 主 要 集 中 于 设 防 烈 度 为 7 度 的 地 区 我 国 高 规 对 于 8 度 高 震 区 设 计 建 造 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 房 屋 最 大 适 用 高 度 为 150m, 目 前 高 震 区 已 建 成 的 混 合 结 构, 普 遍 低 于 此 限 值, 最 高 亦 不 超 过 200m 1995 年 日 本 阪 神 地 震 后 的 震 害 调 查 表 明, 型 钢 混 凝 土 结 构 具 有 良 好 的 抗 震 性 能 [1] 同 传 统 的 钢 结 构 相 比, 型 钢 混 凝 土 结 构 具 有 更 大 的 刚 度 和 强 度 更 好 的 局 部 和 整 体 稳 定 性, 防 腐 蚀 和 防 火 性 能 好, 节 约 钢 材 同 钢 筋 混 凝 土 结 构 相 比, 这 种 结 构 承 载 能 力 大 刚 度 大 延 性 好 抗 震 性 能 优 越, 尤 其 在 超 高 层 结 构 中, 较 单 独 采 用 钢 筋 混 凝 土 结 构 有 更 好 的 适 用 性 减 小 构 件 截 面 增 大 使 用 空 间 节 省 模 板 和 支 撑 近 年 来 的 研 究 和 应 用 实 践 表 明 [2][3][4], 型 钢 混 凝 土 结 构 兼 具 钢 结 构 和 混 凝 土 结 构 的 优 点, 对 于 改 善 结 构 抗 震 性 能, 优 化 结 构 设 计, 提 高 技 术 经 济 和 社 会 综 合 效 益 意 义 重 大 限 于 现 阶 段 我 国 的 经 济 水 平, 目 前 大 量 建 造 全 钢 结 构 有 困 难, 充 分 利 用 和 发 挥 钢 筋 混 凝 土 结 构 和 型 钢 混 凝 土 结 构 各 自 的 特 点, 在 地 震 高 烈 度 区 有 针 对 性 地 采 用 这 两 种 结 构 复 合 而 成 的 混 合 结 构 体 系, 应 该 是 一 种 适 合 我 国 国 情 具 有 我 国 特 色 的 结 构 体 系 [5][6] 型 钢 混 凝 土 框 架 + 钢 筋 混 凝 土 筒 体 混 合 结 构 体 系 是 一 种 比 较 好 的 超 高 层 建 筑 结 构 体 系, 尤 其 在 高 烈 度 区 更 能 体 现 优 越 性, 进 行 良 好 的 概 念 设 计 和 节 点 设 计 的 此 类 混 合 结 构 可 以 满 足 建 造 超 高 层 的 要 求 但 仍 有 一 些 问 题 需 要 解 决, 比 如 设 计 指 标 按 照 钢 筋 混 凝 土 结 构 选 取 是 否 合 适 等 对 混 合 结 构 而 言, 由 于 不 同 类 型 构 件 的 使 用, 在 高 烈 度 区 应 避 免 抗 震 设 防 防 线 过 于 单 一, 避 免 结 构 进 入 弹 塑 性 阶 段 后 突 然 局 部 坍 塌 或 整 体 倒 塌 所 以 高 烈 度 区 混 合 结 构 选 型 时 应 考 虑 进 行 专 门 研 究 确 定 1

18 第 一 章 绪 论 1.2 震 害 分 析 近 年 来 我 国 混 合 结 构 高 层 建 筑 快 速 发 展, 但 还 没 有 经 历 过 实 际 地 震 的 考 验, 关 于 混 合 结 构 的 震 害 描 述, 从 目 前 的 文 献 来 看, 只 有 美 国 1964 年 的 阿 拉 斯 加 地 震 和 日 本 1995 年 的 阪 神 地 震 的 震 害 资 料 有 所 记 载 从 阿 拉 斯 加 地 震 中 与 混 合 结 构 有 关 的 震 害 有 限 资 料 可 以 看 出, 混 合 结 构 中 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 和 筒 体 承 担 了 主 要 的 地 震 力, 在 地 震 中 首 先 破 坏, 破 坏 后 地 震 剪 力 需 要 由 框 架 分 担 一 部 分, 如 果 框 架 设 计 偏 弱, 从 抗 震 设 计 角 度 讲, 结 构 成 为 一 个 纯 剪 力 墙 结 构, 型 钢 框 架 不 能 成 为 结 构 的 二 道 防 线 资 料 显 示, 在 钢 筋 混 凝 土 构 件 中 加 设 型 钢, 如 果 构 造 不 当, 无 法 保 证 型 钢 与 混 凝 土 共 同 工 作, 反 而 会 有 不 利 影 响 因 此, 构 造 的 设 计 也 是 决 定 结 构 抗 震 性 能 的 关 键 因 素 阪 神 地 震 中, 一 些 混 合 结 构 的 建 筑 发 生 了 破 坏, 主 要 表 现 为 :1 格 构 式 型 钢 混 凝 土 构 件 破 坏 严 重 ;2 实 腹 式 型 钢 混 凝 土 构 件 少 量 破 坏 ;3 非 埋 入 式 柱 脚 的 破 坏 相 当 严 重, 部 分 型 钢 混 凝 土 的 非 埋 入 式 柱 脚 的 锚 栓 全 部 断 裂, 柱 脚 发 生 严 重 错 动 因 此, 混 合 结 构 中, 节 点 构 造 的 设 计 同 样 是 非 常 重 要 的, 许 多 在 地 震 中 的 破 坏 结 构, 都 是 在 节 点 处 首 先 破 坏 的 我 国 已 有 的 工 程 实 践 和 试 验 研 究 表 明, 混 凝 土 核 芯 筒 结 构 刚 度 相 对 有 余, 强 度 不 足, 外 钢 框 架 强 度 相 对 有 余, 刚 度 不 足, 使 得 这 种 混 合 结 构 体 系 的 抗 震 性 能 不 协 调 当 结 构 体 系 遭 受 罕 遇 大 震 时, 塑 性 铰 主 要 出 现 在 混 凝 土 核 芯 筒 上, 这 样 的 塑 性 铰 机 制 对 结 构 体 系 不 利, 一 旦 核 芯 筒 发 生 过 大 的 变 形 和 严 重 破 坏, 外 钢 框 架 子 结 构 因 刚 度 不 足 就 会 导 致 整 个 结 [1] [4]~ [10][13]~ [20] [23]~[67] 构 体 系 或 子 结 构 局 部 倒 塌 1.3 理 论 研 究 近 几 年 来, 对 于 混 合 结 构 抗 震 计 算 分 析 取 得 了 一 些 初 步 成 果 主 要 内 容 如 下 : Franklin.Y.Cheng [58][60] 用 杆 系 - 层 模 型 对 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 进 行 弹 塑 性 地 震 反 应 分 析, 分 析 时 针 对 不 同 杆 件 的 特 点, 对 混 凝 土 柱 和 梁 钢 柱 和 梁 混 凝 土 剪 力 墙 分 别 采 用 不 同 的 单 元 模 型 ; 在 按 杆 系 形 成 层 间 刚 度 和 总 刚 度 矩 阵 后, 以 质 量 集 中 于 楼 层 处 的 层 间 模 型 对 混 合 [61] 结 构 进 行 地 震 反 应 分 析 程 绍 革 对 一 幢 钢 - 混 凝 土 筒 实 际 结 构 进 行 了 罕 遇 大 震 下 的 弹 塑 性 时 程 分 析, 对 设 计 时 的 位 移 控 制 高 宽 比 塑 性 铰 机 制 和 加 强 层 设 提 出 了 一 些 设 想 在 对 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 进 行 弹 塑 性 地 震 反 应 分 析 时, 采 用 杆 系 模 型, 将 混 凝 土 核 心 筒 按 抗 侧 刚 度 等 效 成 宽 柱 框 架, 等 效 框 架 再 与 外 围 钢 框 架 用 不 计 轴 向 变 形 的 二 力 杆 相 连, 从 而 形 成 混 合 结 构 的 计 算 模 型 这 种 采 用 非 常 简 单 的 钢 筋 混 凝 土 柱 滞 变 模 型 来 模 拟 混 凝 土 核 心 筒 构 件 难 以 很 好 地 反 映 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 在 较 高 轴 压 比 状 态 下 的 受 力 和 变 形 特 性 以 及 核 心 筒 中 性 [62] 轴 移 动 的 影 响 刘 英 等 在 研 究 钢 - 混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 的 抗 震 性 能 时, 采 用 了 SAP84 有 限 元 分 析 程 序 进 行 水 平 地 震 作 用 下 的 结 构 反 应 分 析, 把 周 边 钢 框 架 的 梁 柱 采 用 三 维 的 空 间 杆 系 单 元, 混 凝 土 核 心 筒 采 用 墙 单 元 ; 假 定 钢 结 构 部 分 始 终 处 于 弹 性 阶 段, 而 混 凝 土 核 2

19 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 心 筒 则 考 虑 其 弹 塑 性 性 能, 即 分 析 核 心 筒 刚 度 退 化 后 水 平 地 震 作 用 在 二 者 间 的 分 配 李 国 [63] 强 姜 丽 人 等 在 对 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 进 行 弹 塑 性 地 震 反 应 分 析 时, 将 其 分 为 外 钢 框 架 和 内 混 凝 土 核 心 筒 两 部 分 : 外 部 钢 框 架 又 进 一 步 简 化 为 半 刚 架, 内 混 凝 土 核 心 筒 则 简 化 为 一 根 箱 型 截 面 的 竖 向 悬 臂 杆, 两 者 之 间 通 过 刚 性 连 杆 相 连 ; 考 虑 到 几 何 非 线 性, 再 用 一 竖 向 受 [59] 载 杆 与 之 并 联, 给 出 了 用 于 工 程 设 计 方 案 阶 段 估 算 的 简 化 计 算 模 型 后 来 李 国 强 丁 翔 等 又 将 混 合 结 构 分 解 为 钢 框 架 部 分 和 剪 力 墙 部 分, 钢 框 架 采 用 杆 系 模 型, 混 凝 土 剪 力 墙 采 用 墙 元 与 条 元 耦 合, 最 终 再 利 用 结 构 各 楼 层 水 平 位 移 协 调 求 解 姜 丽 人 将 空 间 混 合 结 构 等 效 成 平 面 框 剪 结 构 进 行 弹 性 地 震 反 应 分 析 [63] [64] 周 向 明 李 国 强 丁 翔 又 采 用 以 层 模 型 为 基 础 的 结 构 弹 塑 性 地 震 反 应 分 析 法, 将 混 合 结 构 外 围 的 空 间 框 架 视 作 由 一 榀 榀 平 行 于 地 震 荷 载 作 用 方 向 的 平 面 框 架 并 联 组 成, 各 榀 框 架 通 过 楼 板 的 连 接 共 同 抵 抗 水 平 地 震 荷 载 ; 混 凝 土 核 心 筒 则 视 作 由 开 洞 剪 力 墙 组 成 的 筒 体, 又 简 化 为 平 行 于 地 震 荷 载 方 向 的 抗 震 墙 ; 框 架 和 核 心 筒 在 楼 面 标 高 处 由 两 端 铰 接 的 水 平 刚 性 联 杆 连 接, 协 同 抵 抗 水 平 荷 载, 这 样, 空 间 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 就 被 简 化 为 平 面 结 构 来 分 析 1.4 试 验 研 究 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 虽 然 已 较 多 地 应 用 在 我 国 超 高 层 的 建 设 中, 但 与 之 相 应 的 理 论 研 究 和 试 验 研 究 工 作 却 开 展 的 不 充 分, 科 研 工 作 在 一 定 程 度 上 落 后 于 工 程 实 践, 已 经 作 的 工 作 有 以 下 几 个 方 面 : 1991 年 底, 中 国 建 筑 科 学 院 结 构 所 进 行 了 1:20 的 23 层 钢 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体 混 合 结 构 模 型 试 验 研 究 研 究 结 果 表 明 : 该 类 混 合 结 构 具 有 钢 结 构 和 混 凝 土 结 构 两 者 的 优 点, 结 构 具 有 优 于 钢 结 构 的 刚 度 特 性, 也 具 有 优 于 混 凝 土 结 构 的 变 形 性 能, 其 整 体 性 能 更 优 于 钢 结 构 和 混 凝 土 结 构 根 据 其 试 验 结 果, 该 结 构 可 以 应 用 于 8 度 区 [4] 1999 年, 同 济 大 学 在 模 拟 地 震 台 上 完 成 了 一 个 1:20 的 25 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 的 模 拟 试 验, 通 过 对 试 验 破 坏 现 象 的 观 测 和 试 验 数 据 的 分 析 得 出 结 论, 只 要 设 计 合 理, 按 照 现 行 建 筑 结 构 抗 震 规 范, 混 凝 土 结 构 及 钢 结 构 7 度 设 防 要 求 设 计 的 混 合 结 构, 能 满 足 小 震 不 坏, 中 震 可 修, 大 震 不 倒 的 要 求 [10] 2007 年 底, 中 国 建 筑 科 学 院 完 成 了 一 个 1:10 的 30 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 模 型 试 验,26 个 组 合 剪 力 墙 高 轴 压 比 抗 剪 性 能 试 验,27 个 高 含 钢 率 型 钢 混 凝 土 组 合 柱 受 力 性 能 试 验 模 型 按 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 的 相 关 规 定 进 行 设 计, 完 成 了 型 钢 混 凝 土 框 架 - 核 心 筒 结 构 的 抗 震 性 能 及 设 计 与 施 工 关 键 技 术, 完 成 了 型 钢 混 凝 土 框 架 - 核 心 筒 结 构 的 抗 震 性 能 及 设 计 方 法 研 究, 多 种 组 合 剪 力 墙 和 高 含 钢 率 组 合 柱 的 抗 震 性 能 研 究, 混 合 结 构 施 工 方 法 研 究, 提 出 了 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 建 议 [15] 3

20 第 一 章 绪 论 1.5 工 程 应 用 及 体 系 选 型 进 展 工 程 应 用 情 况 混 合 结 构 高 层 建 筑 的 建 设, 始 于 1972 年 首 先 在 美 国 芝 加 哥 兴 建 了 36 层 的 Gateway Ⅲ Building, 此 后,1973 年 又 兴 建 了 法 国 巴 黎 的 64 层 Mantaparnasse,1992 年 日 本 神 奈 川 县 兴 建 了 25 层 的 海 老 名 塔 楼,1985 年 美 国 西 雅 图 兴 建 了 76 层 的 Bank of America Center 然 而, 由 于 美 国 阿 拉 斯 加 地 震 中 出 现 的 混 合 结 构 严 重 破 坏 的 情 况, 工 程 界 对 混 合 结 构 的 抗 震 性 能 一 直 有 所 怀 疑, 同 时, 在 西 方 发 达 国 家, 由 于 人 工 成 本 高, 混 合 结 构 的 经 济 优 势 不 明 显, 所 以 美 国 日 本 等 国 混 合 结 构 的 发 展 并 不 突 出 美 国 的 一 些 设 计 规 程 指 出 [16], 这 种 混 合 结 构 体 系 的 抗 震 性 能 基 本 上 取 决 于 混 凝 土 核 芯 筒, 在 历 史 上 它 有 过 遭 受 地 震 破 坏 的 记 录, 因 此 认 为 不 宜 用 于 地 震 区, 且 认 为 高 度 不 宜 大 于 150 米 [10][17] 日 本 仅 在 1992 年 建 造 了 两 座 高 度 分 别 为 78m 和 107m 的 钢 框 架 + 混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 的 高 层 建 筑, 并 结 合 这 种 建 筑 对 其 抗 震 设 计 方 法 核 心 筒 墙 柱 和 连 梁 的 试 验 等 开 展 了 一 定 的 研 究 但 这 两 座 建 筑 高 度 都 不 大, 并 且 由 于 日 本 国 内 工 程 界 对 这 种 结 构 体 系 的 抗 震 性 能 有 争 议, 至 今 尚 未 出 现 第 三 例 我 国 国 内 工 程 界 对 这 种 体 系 亦 看 法 不 一, 争 论 较 大 [5][10][19] 在 技 术 上 主 要 是 因 为 专 家 认 为 该 体 系 的 抗 震 性 能 基 本 取 决 于 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒, 它 相 对 来 说 刚 度 有 余 而 强 度 不 足, 而 外 周 钢 框 架 则 正 好 相 反, 这 使 得 混 合 结 构 在 抗 震 性 能 上 不 协 调, 内 筒 和 外 框 架 无 法 合 理 分 担 地 震 力 在 罕 遇 地 震 作 用 下, 内 筒 会 因 刚 度 大 而 承 担 大 部 分 地 震 作 用 而 首 先 破 坏, 外 框 架 因 刚 度 不 足 导 致 结 构 变 形 过 大 而 整 体 破 坏, 无 法 起 到 二 道 防 线 的 作 用 [10][22][23] 由 于 国 内 外 对 混 合 结 构 的 抗 震 性 能 缺 少 全 面 系 统 的 研 究, 对 混 合 结 构 的 延 性 耗 能 以 及 地 震 作 用 下 两 类 构 件 同 步 工 作 程 度 破 坏 机 制 和 倒 塌 过 程, 尚 未 完 全 了 解 今 后 在 高 烈 度 区 建 造 混 合 结 构 高 楼 时, 除 了 对 混 凝 土 芯 筒 在 构 造 方 面 采 取 增 设 型 钢 暗 柱 或 暗 框 架 等 加 强 措 施 外, 在 强 度 验 算 方 面, 还 应 采 用 符 合 两 种 不 同 结 构 类 型 构 件 实 际 受 力 状 态 及 其 变 化 过 程 的 结 构 分 析 方 法 [11] 在 高 烈 度 区, 由 于 地 震 作 用 效 应 显 著 增 加, 对 结 构 的 抗 震 性 能 要 求 较 高 [28] 目 前 日 本 大 约 50% 的 高 层 建 筑 采 用 型 钢 混 凝 土 结 构 [6][24] 近 年 来, 由 于 突 出 的 经 济 优 势, 混 合 结 构 在 国 内 外 发 展 迅 速 世 界 各 地 以 及 我 国 上 海 深 圳 大 连 等 地 兴 建 的 高 楼, 多 数 采 用 了 混 合 结 构, 其 中 不 少 是 采 用 7 度 抗 震 设 防, 表 列 出 了 部 分 250 米 以 上, 有 代 表 性 的 建 筑 : 表 近 10 年 国 内 外 部 分 250m 以 上 已 建 成 混 合 结 构 超 高 层 建 筑 名 称 建 成 年 代 高 度 m 层 数 结 构 体 系 台 北 101 大 厦 混 合 结 构 4

21 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 上 海 环 球 金 融 中 心 混 合 结 构 马 来 西 亚 双 子 星 塔 混 合 结 构 上 海 金 茂 大 厦 混 合 结 构 香 港 国 际 金 融 中 心 二 期 混 合 结 构 迪 拜 Empire State Building 混 合 结 构 迪 拜 蔷 薇 大 厦 混 合 结 构 美 国 费 城 Comcast 中 心 混 合 结 构 上 海 香 港 新 世 界 中 心 混 合 结 构 广 州 大 鹏 国 际 广 场 混 合 结 构 莫 斯 科 Naberezhnaya Tower c 混 合 结 构 多 哈 体 育 城 市 大 厦 混 合 结 构 注 : 以 上 数 据 来 自 于 CTBUH(Council on Tall Buildings and Urban Habitat)2008 年 7 月 统 计 数 据 此 外, 全 球 正 在 施 工 以 及 设 计 过 程 中 超 高 层 建 筑 也 大 多 采 用 了 混 合 结 构 方 案, 见 表 表 正 在 施 工 或 设 计 中 国 内 外 采 用 混 合 结 构 超 高 层 建 筑 名 称 建 成 年 代 高 度 m 层 数 结 构 体 系 莫 斯 科 俄 罗 斯 之 塔 混 合 结 构 纽 约 世 贸 中 心 混 合 结 构 香 港 环 球 贸 易 广 场 混 合 结 构 南 京 绿 地 紫 峰 大 厦 混 合 结 构 广 州 西 塔 混 合 结 构 韩 国 仁 川 东 北 亚 贸 易 大 厦 混 合 结 构 土 耳 其 伊 斯 兰 堡 之 钻 混 合 结 构 上 海 国 际 金 融 中 心 混 合 结 构 杭 州 财 富 金 融 中 心 混 合 结 构 大 连 国 际 贸 易 中 心 混 合 结 构 注 : 以 上 数 据 来 自 于 CTBUH(Council on Tall Buildings and Urban Habitat)2008 年 7 月 统 计 数 据 在 我 国, 高 层 建 筑 采 用 纯 钢 结 构 的 工 程 仍 较 少, 除 了 材 料 供 应, 设 计 的 熟 练 程 度 外, 纯 钢 结 构 体 系 造 价 还 是 略 高 于 钢 筋 混 凝 土 或 型 钢 混 凝 土 结 构 体 系, 而 且 它 的 舒 适 度 和 防 火 性 能 相 对 又 较 差 以 上 海 为 例, 继 80 年 代 上 海 希 尔 顿 大 酒 店 结 构 体 系 采 用 钢 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 结 构 和 1993 年 设 计 的 88 层 金 茂 大 厦 采 用 型 钢 混 凝 土 结 构 体 系 后, 上 海 超 高 层 建 筑 的 结 构 体 系 已 有 从 优 先 考 虑 纯 钢 结 构 及 钢 筋 混 凝 土 结 构 向 型 钢 混 凝 土 钢 框 架 - 钢 筋 [3] 混 凝 土 筒 体 的 组 合 钢 混 结 构 体 系 的 发 展 趋 势 这 种 发 展 倾 向 是 适 合 目 前 中 国 国 情 的 在 亚 洲 的 其 他 国 家, 因 为 相 似 的 经 济 发 展 情 况 和 成 本 构 成, 混 合 结 构 的 经 济 优 势 同 样 明 显, 其 发 展 也 非 常 快 在 全 球 最 高 的 100 栋 建 筑 中, 混 合 结 构 由 1986 年 的 22 栋 增 加 到 5

22 第 一 章 绪 论 2002 年 的 32 栋, 在 2002 年 的 前 10 名 中, 混 合 结 构 占 了 6 栋, 且 都 集 中 在 亚 洲, 其 中 中 [1] 国 大 陆 和 香 港 3 栋 2004 年 底 中 国 已 建 成 的 150 米 以 上 的 高 层 建 筑 中, 混 合 结 构 约 占 22.3%,200 米 以 上 的 高 层 建 筑, 混 合 结 构 约 占 43.8%,300 米 以 上 的 高 层 建 筑, 混 合 结 构 占 66.7%, 预 计 混 合 [4] 结 构 是 目 前 和 今 后 高 层 及 超 高 层 建 筑 首 选 的 结 构 体 系 结 构 体 系 选 型 和 应 用 进 展 由 于 超 高 层 建 筑 规 模 大 形 式 变 化 多 样, 混 合 结 构 单 一 的 内 筒 外 框 结 构 体 系 往 往 已 不 能 满 足 结 构 布 置 和 受 力 的 需 要, 因 而 一 般 都 同 时 使 用 多 种 结 构 形 式, 或 者 在 常 用 结 构 形 式 上 补 充 其 他 结 构, 将 之 组 织 成 整 体, 共 同 受 力 楚 留 声 等 在 高 烈 度 区 混 合 结 构 地 震 位 移 反 应 研 究 [14] 中 指 出, 对 于 高 层 结 构, 水 平 荷 载 和 地 震 作 用 成 为 控 制 因 素, 如 何 有 效 的 控 制 水 平 侧 移 也 成 为 高 层 结 构 设 计 的 关 键 问 题 对 于 高 层 框 架 核 心 筒 混 合 结 构 而 言, 一 个 行 之 有 效 的 方 法 是 沿 着 结 构 竖 向 设 置 加 强 层 但 是, 在 地 震 作 用 下, 加 强 层 的 设 置 将 会 引 起 结 构 沿 竖 向 的 刚 度 和 内 力 突 变, 从 而 容 易 在 加 强 层 附 近 形 成 薄 弱 层 另 外, 对 于 加 强 层 的 位 置 数 量 包 括 如 何 有 效 控 制 加 强 层 的 刚 度 也 都 存 在 许 多 争 议 对 于 控 制 侧 移, 另 外 的 方 法 就 是 从 子 结 构 刚 度 本 身 入 手, 通 过 改 变 外 框 架 刚 度 来 实 现 增 大 外 框 架 的 刚 度, 一 方 面 可 以 使 框 架 在 弹 性 阶 段 即 分 担 更 多 的 水 平 剪 力, 延 缓 钢 筋 混 凝 土 筒 体 进 人 塑 性 状 态, 而 且 在 内 力 重 分 布 后, 因 其 较 大 的 刚 度 不 致 变 形 过 大 而 使 结 构 过 早 破 坏, 从 而 起 到 第 二 道 防 线 的 作 用 在 具 体 的 实 践 中, 可 以 通 过 布 置 密 柱 深 梁 形 成 外 框 筒, 布 置 柱 间 支 撑 或 巨 形 支 撑 等 来 实 现 外 框 架 刚 度 的 增 强, 但 这 些 措 施 实 际 上 改 变 了 外 框 架 的 受 力 特 性, 而 不 再 是 一 般 意 义 上 的 稀 柱 框 架 以 下 介 绍 近 几 年 来, 类 似 结 构 形 式 在 工 程 中 实 际 应 用 的 情 况 1 型 钢 混 凝 土 斜 交 外 框 筒 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 广 州 珠 江 新 城 西 塔 工 程 主 塔 楼 面 积 约 为 25 万 平 方 米,103 层, 高 432 米, 高 宽 比 6.6~6.9 平 面 为 圆 角 等 边 三 角 形, 如 图 3 1, 层 70 以 下 为 写 字 楼, 以 上 为 酒 店 和 公 寓 塔 身 沿 竖 向 在 中 部 略 微 外 鼓 采 用 混 合 筒 中 筒 结 构, 钢 筋 混 凝 土 内 筒 为 不 等 边 三 角 形 外 筒 为 新 型 的 钢 管 混 凝 土 菱 形 斜 交 网 格 筒 楼 盖 采 用 钢 梁 和 钢 筋 混 凝 土 板 广 州 珠 江 西 塔 外 筒 采 用 了 钢 管 混 凝 土 菱 形 斜 交 网 格 筒, 一 般 框 架 结 构 主 要 是 通 过 构 件 的 抗 弯 能 力 来 抵 抗 侧 力, 而 斜 交 网 格 筒 则 是 通 过 构 件 的 轴 力 来 抵 抗, 加 上 它 是 由 轴 向 强 度 很 高 的 钢 管 混 凝 土 组 成 的, 因 而 这 种 网 格 筒 具 有 强 大 的 抗 侧 能 力, 同 时 它 还 具 有 很 强 的 抗 扭 转 能 力, 因 为 它 也 是 通 过 轴 力 来 抗 扭 的 计 算 表 明, 在 抵 抗 倾 覆 力 矩 方 面, 外 网 筒 占 据 了 65%, 说 明 它 的 抗 侧 能 力 强 大 当 然, 它 还 必 须 要 和 建 筑 专 业 配 合, 尤 其 是 其 对 外 立 面 6

23 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 有 此 要 求 时, 此 方 案 可 彻 底 扭 转 外 框 薄 弱 的 特 点 (a) 标 准 层 平 面 图 (b) 外 筒 (c) 外 筒 立 面 展 开 图 (d) 外 筒 节 点 图 广 州 珠 江 新 城 西 塔 2 大 斜 撑 型 钢 混 凝 土 外 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 青 岛 万 邦 中 心 青 岛 万 邦 中 心 主 塔 楼 高 度 为 232m, 为 商 业 写 字 楼, 地 下 4 层, 地 上 52 层 结 构 采 用 了 斜 撑 框 架 - 核 心 筒 混 合 结 构 体 系 外 框 架 柱 在 36 层 以 下 为 型 钢 混 凝 土 柱, 局 部 采 用 钢 管 混 凝 土 柱, 层 36 以 上 为 纯 型 钢 柱, 框 架 斜 撑 为 焊 接 H 型 钢, 框 架 梁 为 焊 接 H 型 钢 组 合 梁, [66] 在 层 34~35 高 度 处 利 用 设 备 层 设 置 了 高 度 为 8 米 的 伸 臂 桁 架 加 强 层 (a) 标 准 层 平 面 图 (b) 伸 臂 桁 架 层 平 面 图 (c) 立 面 展 开 图 图 青 岛 万 邦 中 心 3 含 加 强 层 密 柱 型 钢 混 凝 土 外 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 南 京 绿 地 紫 峰 大 厦 紫 峰 大 厦 屋 顶 高 度 381m, 天 线 顶 尖 高 度 450m, 是 一 幢 地 下 4 层, 地 上 70 层 的 办 公 及 酒 店 双 用 建 筑 紫 峰 大 厦 采 用 了 带 有 加 强 层 的 框 架 - 核 心 筒 混 合 结 构 体 系, 采 用 型 钢 混 凝 土 柱 钢 梁 和 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒, 在 层 处 共 设 置 了 三 个 加 强 层, 见 图 核 心 筒 位 于 结 构 三 角 形 平 面 的 中 心 位 置, 其 面 积 大 约 占 整 个 结 构 平 面 面 积 的 27%, 剪 力 墙 厚 7

24 第 一 章 绪 论 度 在 1500mm 到 400mm 范 围 内 变 化, 各 片 剪 力 墙 通 过 连 梁 连 接 构 成 一 个 封 闭 的 筒 体, 为 结 构 提 供 了 大 部 分 的 抗 侧 刚 度 和 抗 扭 刚 度 型 钢 混 凝 土 组 合 柱 钢 梁 组 成 外 框 架 在 每 个 加 强 层 处 放 置 伸 臂 桁 架 把 周 边 型 钢 混 凝 土 柱 与 核 心 筒 连 接 在 一 起, 并 且 配 合 伸 臂 桁 架 还 设 置 了 周 边 带 状 桁 架, 把 周 边 型 钢 混 凝 土 柱 连 接 在 一 起, 从 而 使 柱 子 受 力 更 加 均 匀 外 伸 桁 架 与 带 状 桁 架 的 设 置 显 著 增 强 了 结 构 的 抗 侧 移 能 力 周 边 的 型 钢 混 凝 土 柱 与 周 边 钢 梁 刚 性 连 接, 构 成 抗 弯 矩 框 架, 形 成 了 主 楼 的 第 二 道 抗 侧 力 体 系 [13] (a) 结 构 平 面 图 图 南 京 绿 地 紫 峰 大 厦 (b) 伸 臂 及 带 状 桁 架 布 置 图 4 巨 型 型 钢 柱 桁 架 斜 撑 外 筒 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 上 海 环 球 金 融 中 心 上 海 环 球 金 融 中 心 高 度 为 492m, 地 下 3 层, 地 上 101 层, 采 用 了 外 围 为 巨 型 桁 架 筒 与 内 部 为 钢 筋 混 凝 土 的 筒 中 筒 结 构, 见 图 巨 型 柱 巨 型 斜 撑 周 边 带 状 桁 架 构 成 的 巨 型 结 构 具 有 很 大 的 抗 侧 力 刚 度, 在 建 筑 物 的 底 部 外 周 的 巨 型 桁 架 筒 体 承 担 了 60% 以 上 的 倾 覆 力 矩 和 30%~40% 的 剪 力, 而 且 与 框 筒 结 构 相 比, 避 免 了 剪 力 滞 后 的 效 应, 也 适 当 减 轻 了 建 筑 结 构 的 自 重 外 伸 臂 桁 架 在 建 筑 中 所 起 的 作 用 较 常 规 的 框 架 - 核 心 筒 或 框 筒 结 构 体 系 已 大 为 减 少, 使 得 采 用 非 贯 穿 核 心 筒 体 的 外 伸 臂 桁 架 成 为 可 行 位 于 建 筑 角 部 的 巨 型 柱 可 起 到 抵 抗 来 自 风 和 地 震 作 用 的 最 佳 效 果, 型 钢 混 凝 土 的 截 面 可 提 供 巨 型 构 件 需 要 的 高 承 载 力, 也 能 方 便 与 钢 结 构 构 件 的 连 接, 同 时 使 巨 型 柱 与 核 心 筒 竖 向 变 形 差 异 的 控 制 更 容 易 巨 型 斜 撑 采 用 内 灌 混 凝 土 的 焊 接 箱 形 截 面, 不 仅 增 加 了 结 构 的 刚 度 和 阻 尼, 而 且 也 能 防 止 斜 撑 构 件 钢 板 的 屈 曲 每 隔 12 层 的 一 层 高 的 周 边 带 状 桁 架 不 仅 是 巨 型 结 构 的 组 成 部 分, 同 时 也 将 荷 载 从 周 边 小 柱 传 递 至 巨 型 柱, 也 解 决 了 周 边 相 邻 柱 子 之 间 的 竖 向 变 形 差 异 的 问 题 [14] 8

25 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 (a) 环 球 金 融 中 心 标 准 层 平 面 图 (b) 环 球 金 融 中 心 立 面 图 图 上 海 环 球 金 融 中 心 立 面 图 1.6 本 文 研 究 内 容 与 创 新 本 文 以 已 经 完 成 设 计 的 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼, 这 一 目 前 在 国 内 8 度 抗 震 区 最 高 的 超 限 混 合 结 构 设 计 为 例, 针 对 组 合 结 构 体 系 和 构 件 选 型 抗 震 性 能 化 设 计 弹 塑 性 时 程 分 析 等 方 面, 对 该 工 程 在 结 构 方 案 以 及 初 步 设 计 阶 段 工 作, 结 合 抗 震 超 限 审 查 过 程 中 采 取 的 一 系 列 抗 震 措 施, 进 行 了 较 为 系 统 地 梳 理 和 总 结 论 文 结 合 作 者 在 职 其 间, 在 奥 雅 纳 工 程 顾 问 公 司 作 为 项 目 工 程 师 ( 第 一 设 计 人 ), 于 2007 年 9 月 至 2008 年 10 月 间, 完 成 的 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 ( 原 名 北 京 财 富 中 心 三 期 ) 结 构 初 步 设 计 抗 震 超 限 审 查 结 构 优 化 等 工 作, 以 及 此 后 对 于 施 工 图 深 入 设 计 图 纸 的 审 查 为 基 础, 将 其 作 为 高 震 区 超 高 层 混 合 结 构 的 典 型 代 表, 对 其 抗 震 关 键 技 术 进 行 总 结 分 析 及 再 研 究, 对 高 震 区 混 合 结 构 的 设 计 提 出 了 建 议 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 结 构 总 高 度 264 米, 将 成 为 继 国 贸 三 期 之 后 作 为 8 度 抗 震 区 的 北 京 第 二 高 楼 和 采 用 型 钢 混 凝 土 框 架 + 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 这 种 混 合 结 构 体 系 最 高 的 建 9

26 第 一 章 绪 论 筑, 大 大 超 过 规 范 高 度 限 值 114 米 建 筑 平 面 长 宽 比 较 大, 通 过 合 理 布 置 及 专 业 协 调, 前 两 个 自 振 周 期 均 为 平 动 且 较 为 接 近, 有 效 降 低 了 扭 转 效 应 对 超 高 层 结 构 的 不 利 影 响 结 构 高 宽 比 超 过 规 范 限 值,X 方 向 刚 度 较 弱, 结 构 沿 竖 向 设 置 了 四 道 含 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 的 加 强 层, 并 将 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 于 混 合 结 构 核 心 筒 底 部 加 强 区, 大 幅 提 高 了 抗 震 性 能 并 高 效 的 提 高 了 整 体 抗 侧 刚 度, 减 小 墙 体 厚 度 及 自 重 结 构 设 计 全 面 体 现 了 性 能 化 设 计 的 思 想, 除 剪 力 墙 抗 剪 截 面 按 照 大 震 下 不 屈 服 进 行 控 制 外, 针 对 部 分 墙 肢 在 中 震 下 抗 震 设 计 出 现 拉 弯 特 点, 墙 内 在 关 键 区 域 埋 设 了 高 含 钢 率 的 型 钢 暗 柱 为 落 实 二 道 设 防 要 求, 外 框 架 设 计 剪 力 采 取 了 在 小 震 下 按 照 0.2 和 1.5 较 大 值 在 中 震 下 较 小 值 进 行 调 整 的 超 限 措 施, 并 在 8 度 区 通 高 采 用 了 性 能 优 异 的 大 直 径 圆 钢 管 混 凝 土 柱, 在 满 足 中 震 弹 性 设 计 要 求 的 同 时, 有 效 减 小 了 截 面 尺 寸 及 用 钢 量 结 构 自 振 周 期 长 达 5.5 秒, 弹 性 及 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 表 明, 高 柔 结 构 高 振 型 对 顶 部 的 鞭 梢 效 应 明 显, 因 而 结 构 在 顶 部 增 设 伸 臂 桁 架, 有 效 提 高 了 整 体 安 全 度 整 体 结 构 设 计 在 满 足 规 范 要 求 的 基 础 上, 满 足 了 全 国 抗 震 审 查 专 家 组 提 出 的 一 系 列 超 限 措 施, 其 整 体 结 构 方 案 和 构 件 选 型 在 用 钢 量 防 火 性 能 风 载 舒 适 度 等 方 面 体 现 了 明 显 的 综 合 经 济 性 能, 因 而 成 功 的 降 低 了 结 构 总 体 造 价 与 同 为 高 震 区 北 京 设 计 的 330 米 的 国 贸 三 期 及 99 米 高 的 京 澳 中 心 比 较, 财 富 二 期 办 公 楼 作 为 高 度 居 于 其 间 的 混 合 结 构 呈 现 了 新 的 特 点, 本 文 通 过 当 前 超 高 层 混 合 结 构 设 计 发 展 的 最 新 进 展, 针 对 该 工 程 在 结 构 设 计 及 超 限 审 查 过 程 中 采 取 的 一 系 列 针 对 超 规 范 抗 震 措 施 手 段 以 及 构 件 选 型 特 点 的 总 结, 综 合 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 弹 性 及 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 手 段 特 提 供 了 在 高 震 区 设 计 建 造 超 高 层 混 合 结 构 的 设 计 参 考 和 建 议 10

27 第二章 背景工程及分析结果 如前文所述 本论文将特以北京财富中心二期办公楼 这一目前已经完成设计 含超 限审查 并开工建设 在国内 8 度抗震区最高的钢 混凝土混合结构工程为例 针对组合 结构体系和构件选型 抗震性能化设计 弹塑性时程分析等方面 进行研究和论述 2.1 工程概述 北京财富中心二期办公楼位于北京市朝阳区 坐落在北京商务中心区的核心部位 位 于同一地块上的财富中心一期 二期酒店及公寓已经完成 财富中心位于东三环路西侧 西至财富中心二期酒店及公寓 已建成 南至商务中心东西街 北至商务中心街 5 号路南 侧 其二期写字楼项目建筑面积约 17 万平方米 主要建筑为一座高层塔楼 檐口高度约 258 米 顶部直升机平台高 264 米 塔楼地下有 4 层地下室 并与同期已建成的酒店及公 寓的地下室相连 图 建筑效果图 2.2 设计依据 项目的设计按照目前已颁布的中国规范进行设计 具体如下 表 设计规范依据 1 建筑结构设计术语和符号标准 GB/T 工程结构设计基本术语和通用符号 GBJ 建筑抗震设防分类标准 GB 建筑结构可靠度设计统一标准 GB

28 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 建 筑 结 构 荷 载 规 范 GB (2006 年 版 ) 建 筑 抗 震 设 计 规 范 GB (2008 版 ) 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 GB 钢 结 构 设 计 规 范 GB 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 范 JGJ 高 层 民 用 建 筑 钢 结 构 技 术 规 程 JGJ99-98 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 GB 型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 JGJ 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 CECS28: 90 高 层 建 筑 箱 形 与 筏 形 基 础 技 术 规 范 JGJ6-99 建 筑 桩 基 技 术 规 范 JGJ94-94 地 下 工 程 防 水 技 术 规 范 GB 建 筑 结 构 用 钢 板 GB/T 绿 色 建 筑 评 价 标 准 GB/T 中 国 规 范 不 能 涵 盖 的 内 容, 参 考 了 以 下 国 际 规 范 : 表 设 计 规 范 依 据 2 建 筑 振 动 设 计 指 南 (1Hz to 80Hz)( 英 国 ) BS6472 楼 板 振 动 设 计 指 南 ( 英 国 ) SCI 076 建 筑 抗 震 加 固 的 预 备 标 准 及 说 明 FEMA 混 凝 土 建 筑 抗 震 评 估 及 改 造 ATC 本 项 目 还 将 依 据 以 下 相 关 文 件 : BMT 公 司 于 2008 年 2 月 提 供 的 财 富 中 心 二 期 写 字 楼 项 目 风 洞 试 验 报 告 ; 北 京 市 勘 察 设 计 研 究 院 有 限 公 司 于 2008 年 4 月 提 供 的 财 富 中 心 二 期 写 字 楼 项 目 ( 主 塔 楼 部 分 ) 岩 土 工 程 勘 察 报 告 2008 技 008-1; 北 京 吉 奥 星 地 震 工 程 勘 察 研 究 院 于 2008 年 6 月 提 供 的 财 富 中 心 二 期 写 字 楼 工 程 场 地 地 震 安 全 性 评 价 报 告 ( 送 审 稿 ) 关 于 钢 管 混 凝 土 的 设 计,2008 年 底 发 布 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 (CECS ) [50] 中 对 于 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 和 施 工 规 程 (CECS28:90) [16] 的 承 载 力 计 算 公 式 进 行 了 修 正, 其 抗 弯 承 载 力 较 后 者 有 了 一 定 的 降 低 由 于 工 程 属 于 5A 级 写 字 楼, 根 据 要 求 和 工 程 惯 例, 其 办 公 室 活 荷 载 的 取 值 在 规 范 基 础 上 由 2 kn / m 增 加 为 3 kn / m, 再 考 虑 隔 墙 荷 载 1 kn / m, 因 此, 实 际 设 计 则 采 用 3+ 1 方 案 12

29 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 2.3 控 制 参 数 根 据 有 关 设 计 规 范, 结 构 分 类 类 别 及 关 键 抗 震 设 计 参 数 取 用 如 下 : 表 主 要 控 制 参 数 表 设 计 控 制 参 数 设 计 取 值 建 筑 结 构 安 全 等 级 二 级 结 构 重 要 性 系 数 γ 建 筑 结 构 抗 震 设 防 类 别 设 计 基 准 期 设 计 使 用 年 限 乙 类 50 年 50 年 高 度 级 别 超 过 规 范 限 值 * 核 心 筒 抗 震 等 级 周 边 组 合 框 架 抗 震 等 级 基 础 设 计 等 级 基 础 设 计 安 全 等 级 抗 震 设 防 烈 度 抗 震 构 造 措 施 特 一 级 特 一 级 甲 级 二 级 8 度 8 度 * 按 照 JGJ 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 第 条, 型 钢 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体 结 构 在 抗 震 设 防 烈 度 为 8 度 时 的 最 大 适 用 高 度 为 150m 值 得 指 出 的 是, 我 国 2008 年 发 布 的 抗 震 设 防 分 类 标 准 (GB ) [54] 中 将 乙 类 建 筑 的 使 用 人 数 标 准 从 人 降 低 为 8000 人, 从 而 提 高 了 超 高 层 建 筑 结 构 设 计 的 部 分 标 准 原 许 多 超 高 层 建 筑 是 按 照 丙 类 建 筑 设 计 便 可 能 需 要 提 高 至 乙 类 如 抗 震 规 范 要 求 乙 类 建 筑, 其 抗 震 措 施, 当 抗 震 设 防 烈 度 为 6~8 度 时, 应 符 合 本 地 区 抗 震 设 防 烈 度 提 高 一 度 的 要 求, 如 为 8 度 区, 其 地 震 反 应 虽 不 变, 但 其 抗 震 措 施 则 须 按 照 9 度 设 防 采 取 抗 震 构 造 措 施 如 剪 力 墙 底 部 轴 压 比 将 从 0.5 提 高 至 材 料 混 凝 土 钢 筋 以 及 钢 材 材 料 性 能 均 按 照 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 (GB ) 和 钢 结 构 设 计 规 范 (GB ) 的 要 求 对 于 以 上 规 范 尚 无 明 确 定 义 的 Q345GJ 以 及 Q390GJ, 即 高 建 钢, 其 材 料 强 度 设 计 值 如 下 表 所 示 表 钢 材 的 强 度 设 计 值 (N/mm2) 牌 号 钢 材 厚 度 或 直 径 (mm) 抗 拉 抗 压 和 抗 弯 f y / f 抗 剪 f V 端 面 承 压 ( 刨 平 顶 紧 ) f ce Q345GJ / > 16 ~ ~455/

30 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 > 35 ~ ~445/ > 50 ~ ~435/ / Q390GJ >16~35 390/ >35~50 380/ >50~ / 柴 昶 在 文 献 [57]: 厚 板 钢 材 在 钢 结 构 工 程 中 的 应 用 及 其 材 性 选 用 一 文 中, 对 近 年 来 厚 板 钢 材 在 钢 结 构 工 程 应 用 中 出 现 的 一 些 新 特 点 进 行 了 介 绍, 对 当 前 工 程 中 选 用 厚 板 材 性 的 难 点 与 问 题 进 行 了 评 述, 并 提 出 了 合 理 选 材 的 建 议 本 工 程, 对 于 结 构 用 钢 板, 其 厚 度 大 于 35mm 时, 采 用 了 Q345GJ 即 高 建 钢 材 料 其 材 料 强 度 较 普 通 Q345 同 等 厚 度 有 明 显 提 高, 对 于 强 度 控 制 的 构 件, 可 在 一 定 程 度 减 小 用 钢 量, 降 低 结 构 自 重 ; 根 据 现 行 国 家 标 准 厚 度 方 向 性 能 钢 板 [56] GB/T5313 规 定 的 Z15 级 允 许 值, 对 于 钢 板 厚 度 等 于 和 大 于 40mm 厚 钢 板, 可 能 承 受 厚 度 方 向 拉 力 时, 应 对 受 拉 板 件 在 板 厚 方 向 的 截 面 收 缩 率 提 出 要 求 即 根 据 构 件 的 受 力 特 点 提 出 了 抗 层 状 撕 裂, 即 Z 向 性 能 的 材 料 要 求 如 钢 管 混 凝 土 框 架 柱 两 侧 为 刚 接 的 钢 框 梁, 在 地 震 下, 其 钢 管 承 受 很 大 的 弯 矩 ; 再 如 对 结 构 非 常 重 要 伸 臂 构 件, 其 杆 件 截 面 和 板 厚 均 较 大, 均 需 在 地 震 下 承 受 较 大 Z 向 弯 矩, 为 确 保 结 构 安 全, 对 于 厚 钢 板 此 项 性 能 应 是 必 须 考 虑 的 设 计 要 求 对 于 超 高 层 建 筑 普 遍 设 计 的 机 电 层 ( 避 难 层 ), 在 实 际 使 用 过 程 中, 需 要 长 期 保 持 通 风 但 同 时 其 结 构 构 件 也 同 时 暴 露 在 冬 季 寒 冷 状 态 下, 特 别 是 建 筑 的 机 电 层 往 往 也 是 结 构 的 加 强 层, 其 重 要 的 伸 臂 构 件 在 寒 冷 或 是 严 寒 状 态 下 确 保 其 构 件 材 料 冷 脆 性 能 亦 尤 为 重 要, 同 时 诸 如 需 要 长 期 与 室 外 接 触 的, 无 法 将 幕 墙 包 裹 于 室 温 状 态 下 的 结 构 柱 等 关 键 构 件 均 需 提 出 不 同 质 量 等 级 的 设 计 要 求 综 上 所 述, 如 本 结 构 对 伸 臂 构 件 便 提 出 了 Q345GJ Z15(25) D 这 样 的 非 常 具 体 的 材 料 要 求, 这 是 超 高 层 结 构 设 计 材 料 选 型 过 程 中 需 要 关 注 的 问 题 2.5 荷 载 及 效 应 地 震 作 用 抗 震 设 计 主 要 依 据 中 国 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB ) 及 安 评 单 位 吉 奥 星 于 2008 年 6 月 提 供 的 安 评 报 告, 考 虑 三 个 水 准 的 地 震 效 应 根 据 抗 规 该 场 地 的 抗 震 设 防 烈 度 及 场 地 类 别 规 定 如 下 : 抗 震 设 防 烈 度 8 度, 设 计 基 本 地 震 加 速 度 峰 值 = 0.2g; 建 筑 场 地 类 别 II 类 场 地, 设 计 地 震 分 组 第 一 组,Tg = 0.37 秒 ( 根 据 勘 察 结 果 ); 本 结 构 为 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构, 结 构 阻 尼 比 取 为 0.04( 小 震 ) 0.04( 中 震 ) 和 0.05( 大 震 ); 14

31 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 周 期 折 减 系 数 为 0.9 对 于 周 期 折 减 系 数 的 取 值, 由 于 高 层 办 公 楼 与 住 宅 相 比 室 内 隔 墙 较 少, 因 此 是 结 合 工 程 经 验 选 取 的 但 在 中 震 和 大 震 计 算 时, 由 于 考 虑 此 时 在 强 烈 地 震 作 用 下, 内 隔 墙 已 经 开 裂, 刚 度 明 显 退 化, 因 此 此 时 则 取 1.0, 即 对 周 期 不 予 折 减 表 规 范 与 安 评 参 数 比 较 地 震 影 响 50 年 设 计 基 准 期 超 越 概 率 重 现 周 期 ( 年 ) 建 筑 结 构 抗 震 规 范 时 程 分 析 之 加 速 度 曲 线 最 大 值 (cm/s 2 ) 水 平 地 震 影 响 系 数 最 大 值 α max 场 地 地 震 安 全 性 评 价 报 告 时 程 分 析 之 加 速 度 曲 线 最 大 值 (cm/s 2 ) 水 平 地 震 影 响 系 数 最 大 值 α max 多 遇 地 震 ( 小 震 ) 设 防 烈 度 ( 中 震 ) 罕 遇 地 震 ( 大 震 ) 63% % % Horizontal Force Coefficient, α 地 震 影 响 系 数 多 遇 地 震 Tg=0.37s (GB ) 设 防 烈 度 Tg=0.37s (GB ) 罕 遇 地 震 Tg=0.42s (GB ) 多 遇 地 震 Tg=0.38s ( 安 评 报 告 ) 设 防 烈 度 Tg=0.45s ( 安 评 报 告 ) 罕 遇 地 震 Tg=0.58s ( 安 评 报 告 ) 周 期 /Period (s) 图 中 国 规 范 与 场 地 安 评 影 响 系 数 曲 线 比 较 根 据 中 华 人 民 共 和 国 国 务 院 第 323 号 令 地 震 安 全 性 评 价 条 例 [55] 第 十 一 条 的 相 关 规 定, 本 工 程 进 行 了 地 震 安 全 性 评 价, 上 图 给 出 了 中 国 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB ) 中 规 定 的 小 震 地 表 处 水 平 加 速 度 反 应 谱 曲 线 (8 度,0.2g,II 类 场 地 ) 与 场 地 地 震 安 全 性 评 价 报 告 得 出 的 地 表 处 水 平 反 应 谱 曲 线 的 比 较 小 震 反 应 谱 曲 线 中 规 范 值 要 大 于 地 震 安 评 给 出 的 结 果, 中 震 和 大 震 反 应 谱 曲 线 中 短 周 期 部 分 安 评 给 出 的 值 较 大 而 长 周 期 部 分 则 为 规 范 15

32 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 值 较 大 弹 性 分 析 表 明 小 震 下 根 据 规 范 反 应 谱 计 算 出 的 结 果 将 起 控 制 作 用 由 于 高 层 建 筑 结 构 地 震 反 应 受 地 震 影 响 系 数 曲 线 中 长 周 期 段 的 影 响 较 大, 中 震 下 也 是 规 范 反 应 谱 计 算 出 的 结 果 较 大, 应 起 控 制 作 用 地 震 效 应 其 他 问 题 1 重 力 荷 载 代 表 值 在 抗 震 验 算 时, 其 重 力 荷 载 代 表 值 Ge, 如 下 计 算 : Ge Ge = 恒 荷 载 + λ L 活 荷 载 λ L =0.5 ( 一 般 情 况 ),0.8( 书 库 档 案 库 ) G e 计 算 不 考 虑 活 荷 载 之 折 减 及 屋 面 活 荷 载 2 楼 层 水 平 地 震 剪 力 结 构 抗 震 验 算 时, 任 一 楼 层 的 水 平 地 震 剪 力 应 符 合 下 式 要 求 : V λ n Eki G j j= i 式 中 : V Eki 第 i 层 对 应 于 水 平 地 震 作 用 标 准 值 的 楼 层 剪 力 ; λ 剪 力 系 数, 对 于 扭 转 效 应 明 显 或 基 本 周 期 小 于 3.5s 的 结 构 取 为 0.032, 对 于 基 本 周 期 大 于 5.0s 的 结 构 取 为 0.024, 对 于 基 本 周 期 介 于 3.5s 和 5.0s 之 间 的 结 构, 可 插 入 取 值 ; 对 竖 向 不 规 则 结 构 的 薄 弱 层, 尚 应 乘 以 1.15 的 增 大 系 数 ; G j 第 j 层 的 重 力 荷 载 代 表 值 3 双 向 水 平 地 震 效 应 双 向 水 平 地 震 作 用 的 扭 转 效 应, 可 按 下 列 公 式 确 定 : ( S x + (0.85S y ), (0.85S x ) S y ) S = max + EK 其 中 S 和 S 分 别 为 x 向 y 向 单 向 水 平 地 震 作 用 效 应 x 4 偶 然 偏 心 y 计 算 单 向 地 震 作 用 时 应 考 虑 各 楼 层 质 心 的 偶 然 偏 心 沿 垂 直 于 地 震 输 入 方 向 的 偏 心 距 离 可 按 下 式 计 算 : 式 中, e i 第 i 层 质 心 的 偏 移 值 e = ± 0.05L L i 第 i 层 垂 直 于 地 震 作 用 方 向 的 建 筑 物 总 长 度 当 计 算 双 向 地 震 作 用 时, 可 不 考 虑 质 量 偶 然 偏 心 的 影 响 i i 16

33 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 作 用 效 应 ; 活 荷 载 折 减 系 数 ; 验 算 要 求 等 均 按 照 规 范 进 行, 本 文 略 风 荷 载 根 据 建 筑 结 构 荷 载 规 范 (GB ), 风 荷 载 根 据 以 下 参 数 计 算 : 表 北 京 地 区 不 同 重 现 期 风 荷 载 标 准 10 年 一 遇 基 本 风 压 ω kn / m 50 年 一 遇 基 本 风 压 ω kn / m 100 年 一 遇 基 本 风 压 ω kn / m 地 面 粗 糙 度 类 别 ω 0 C 类 由 于 结 构 高 度 较 高, 主 体 结 构 计 算 采 用 100 年 一 遇 基 本 风 压 kn / m 此 外 本 工 程 由 BMT 公 司 进 行 有 关 风 洞 试 验 风 洞 试 验 与 GB 计 算 的 底 部 剪 力 相 比 较, 两 者 基 本 相 当 详 见 图 竖 向 荷 载 本 文 略 图 风 洞 试 验 及 与 国 标 比 较 楼 层 剪 力 结 果 2.6 结 构 超 限 检 查 建 筑 高 度 和 高 宽 比 根 据 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ ), 型 钢 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体 结 构 在 8 度 区 的 最 大 适 用 高 度 为 150 米, 而 财 富 中 心 2 期 办 公 塔 楼 高 度 为 米, 比 此 限 值 高 114 米, 因 此 属 于 高 度 超 限 的 结 构, 按 规 定 需 要 进 行 专 家 审 查 17

34 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 残 疾 人 卫 生 间 图 标 准 层 建 筑 平 面 布 置 图 平 面 规 则 性 1 扭 转 不 规 则 当 考 虑 偶 然 偏 心 ( 即 5% 质 心 平 面 偏 移 ) 后 楼 层 最 大 弹 性 水 平 位 移 ( 或 层 间 位 移 ) 大 于 结 构 两 端 弹 性 水 平 位 移 ( 或 层 间 位 移 ) 平 均 值 的 1.2 倍 时, 将 认 为 结 构 有 扭 转 不 规 则 性 如 果 上 述 比 值 超 出 1.4 时, 将 视 为 严 重 扭 转 不 规 则 模 型 定 义 刚 性 楼 板 计 算 表 明, 本 结 构 Y 向 楼 层 的 最 大 水 平 位 移 和 层 间 位 移 与 该 楼 层 平 均 值 之 比 小 于 1.2;X 向 大 部 分 楼 层 的 最 大 水 平 位 移 和 层 间 位 移 与 该 楼 层 平 均 值 之 比 小 于 1.2, 底 部 少 数 楼 层 在 1.2 和 1.3 之 间, 存 在 轻 微 的 局 部 扭 转 不 规 则 18

35 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 60 EQ-X EQ-X+5% 60 EQ-Y EQ-Y+5% EQ-X-5% EQ-Y-5% 楼 层 30 楼 层 X 向 最 大 楼 层 水 平 位 移 / 平 均 楼 层 水 平 位 移 Y 向 最 大 楼 层 水 平 位 移 / 平 均 楼 层 水 平 位 移 图 楼 层 最 大 水 平 位 移 与 楼 层 平 均 水 平 位 移 之 比 60 EQ-X EQ-X+5% 60 EQ-Y EQ-Y+5% EQ-X-5% EQ-Y-5% 楼 层 30 楼 层 X 向 最 大 层 间 位 移 / 平 均 层 间 位 移 Y 向 最 大 层 间 位 移 / 平 均 层 间 位 移 图 层 间 最 大 水 平 位 移 与 层 间 平 均 水 平 位 移 之 比 2 凹 凸 不 规 则 凹 凸 不 规 则 的 定 义 是 指 结 构 平 面 凹 进 的 一 侧 尺 寸, 大 于 相 应 投 影 方 向 总 尺 寸 的 30% 本 项 目 塔 楼 的 所 有 柱 子 始 终 保 持 竖 直, 楼 层 平 面 自 下 而 上 没 有 变 化, 因 此 不 存 在 凹 凸 不 规 则 的 情 形 19

36 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 3 楼 板 局 部 不 连 续 楼 板 不 连 接 是 指 横 隔 板 发 生 尺 寸 及 刚 度 的 突 变, 包 括 有 开 口 或 开 洞 尺 寸 超 出 该 层 楼 板 典 型 宽 度 的 50% 或 开 洞 面 积 大 于 该 层 楼 面 面 积 约 30%, 或 有 较 大 的 楼 层 错 层 除 塔 楼 入 口 处 为 了 实 现 两 层 高 的 大 堂 而 在 二 层 楼 板 设 置 一 些 开 洞 之 外, 塔 楼 各 层 楼 板 均 无 大 的 开 洞 二 层 的 楼 板 将 采 用 弹 性 楼 板 进 行 计 算, 以 考 虑 此 影 响 总 之, 本 项 目 基 本 不 存 在 楼 板 局 部 不 连 续 的 情 形 竖 向 规 则 性 1 侧 向 刚 度 不 规 则 侧 向 刚 度 不 规 则 指 软 弱 层 的 存 在 软 弱 层 是 指 当 某 楼 层 刚 度 小 于 其 上 一 楼 层 刚 度 的 70% 或 其 上 三 层 刚 度 平 均 值 的 80% 本 项 目 塔 楼 所 有 柱 子 均 保 持 竖 直, 核 心 筒 截 面 由 下 往 上 逐 渐 减 小, 而 且 各 标 准 层 之 间 层 高 差 别 不 大 因 此 结 构 侧 向 刚 度 变 化 均 匀 在 伸 臂 桁 架 所 在 的 楼 层, 由 于 伸 臂 桁 架 会 影 响 其 所 在 楼 层 的 侧 向 刚 度, 因 此 在 设 置 伸 臂 桁 架 获 得 额 外 刚 度 的 同 时, 应 将 其 刚 度 控 制 在 不 至 于 产 生 很 大 的 侧 向 刚 度 不 规 则 的 范 围 内, 计 算 结 果 表 明 该 楼 层 刚 度 比 均 可 满 足 要 求 Kxi/Kxi+1 Kyi/Kyi+1 60 Kxi/[(Kxi+1+Kxi+2+Kxi+3)/3] 60 Kyi/[(Kyi+1+Kyi+2+Kyi+3)/3] 楼 层 30 楼 层 X 向 层 间 刚 度 比 (ETABS) Y 向 层 间 刚 度 比 (ETABS) 图 ETABS 计 算 的 层 间 刚 度 比 2 竖 向 抗 侧 力 构 件 不 连 续 竖 向 抗 侧 力 构 件 不 连 续 是 指 竖 向 抗 侧 力 构 件 如 柱 抗 震 墙 抗 震 支 撑 等 的 内 力 由 水 平 转 换 构 件 如 梁 桁 架 等 向 下 传 递 本 塔 楼 中 没 有 竖 向 抗 侧 力 构 件 不 连 续 的 情 形 20

37 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 3 楼 层 承 载 力 突 变 对 于 B 级 高 度 建 筑, 楼 层 承 载 力 突 变 是 指 抗 侧 力 结 构 的 层 间 受 剪 承 载 力 小 于 相 邻 上 一 楼 层 的 75% 在 加 强 层, 由 于 伸 臂 桁 架 及 腰 桁 架 的 布 设, 使 层 间 抗 剪 承 载 力 出 现 了 局 部 不 规 则 的 情 况 Vxi/Vxi+1 Vyi/Vyi+1 规 范 限 值 40 楼 层 层 间 抗 剪 承 载 力 比 图 层 间 抗 剪 承 载 力 比 沿 楼 层 分 布 21

38 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 超 限 情 况 总 结 22

39 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 2.7 结 构 体 系 概 述 塔 楼 结 构 为 组 合 结 构 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 体 系 由 于 塔 楼 沿 东 西 向 高 宽 比 达 到 6.13, 核 心 筒 高 宽 比 为 16.1, 尺 寸 较 短, 刚 度 比 较 小, 因 此 在 此 方 向 采 用 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 形 成 加 强 层 来 增 大 结 构 刚 度, 控 制 侧 向 位 移 组 合 楼 板 形 成 刚 度 很 大 的 横 隔 板, 把 核 心 筒 与 外 框 联 系 在 一 起 核 心 筒 和 框 架 协 同 工 作, 将 竖 向 及 水 平 荷 载 传 至 基 础, 进 而 通 过 筏 板 和 桩 基 础 最 终 传 至 地 基 由 于 塔 楼 沿 东 西 方 向 尺 寸 较 短, 刚 度 比 较 小, 因 此 在 此 方 向 采 用 伸 臂 桁 架 来 增 大 结 构 刚 度, 控 制 侧 向 位 移 楼 板 形 成 刚 性 横 隔 板, 把 核 心 筒 与 外 框 联 系 在 一 起 核 心 筒 以 及 框 架 协 同 工 作, 将 竖 向 及 水 平 荷 载 传 至 基 础, 进 而 通 过 筏 板 和 桩 基 础 最 终 传 至 地 基 2.8 楼 面 体 系 楼 面 结 构 采 用 钢 梁 并 通 过 抗 剪 栓 钉 与 现 浇 钢 筋 混 凝 土 楼 板 连 接 形 成 组 合 楼 盖 系 统, 见 图 2.8.1, 楼 面 钢 梁 铰 接 于 两 端 的 核 心 筒 及 边 框 架, 可 以 减 轻 塔 楼 的 整 体 重 量 及 便 于 施 工 其 中 办 公 标 准 层 板 厚 130mm, 加 强 层 上 下 及 首 层 和 屋 顶 板 厚 为 200mm 由 于 建 筑 曲 线 的 收 缩, 梁 跨 长 度 在 约 在 米 之 间, 典 型 楼 层 楼 面 梁 布 置 见 图 组 合 楼 板 的 钢 筋 会 延 伸 并 锚 入 核 心 筒 的 外 墙, 钢 梁 顶 部 栓 钉 可 使 楼 板 与 钢 梁 紧 密 结 合, 在 地 震 作 用 下, 这 些 措 施 可 保 证 外 框 架 与 核 心 筒 体 共 同 作 用 抵 抗 水 平 荷 载, 同 时 为 框 架 柱 提 供 侧 向 约 束 地 下 室 为 传 统 的 钢 筋 混 凝 土 梁 板 体 系 值 得 指 出 的 是, 本 结 构 外 框 架 与 核 心 筒 连 接 的 楼 面 梁 均 采 用 了 两 边 铰 接 的 构 造, 显 然, 如 采 用 刚 接 的 做 法 可 以 提 高 结 构 整 体 刚 度, 但 同 时 楼 面 梁 亦 需 要 将 地 震 力 进 行 组 合 设 计, 由 于 地 震 力 对 构 件 设 计 以 及 截 面 在 平 面 和 竖 向 影 响 的 不 一 致, 且 超 高 层 建 筑 为 有 效 增 加 使 用 面 积, 往 往 对 层 高 设 计 和 要 求 非 常 缜 密, 结 构 梁 高 受 地 震 力 影 响 的 不 确 定 性, 以 及 该 变 化 对 整 体 刚 度 贡 献 的 相 对 有 限, 且 需 要 庞 大 的 现 场 焊 接 工 作 量, 因 此 在 大 量 的 工 程 实 践 过 程 中, 两 边 铰 接 为 一 常 用 的 构 造 形 式 图 组 合 楼 面 系 统 23

40 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 a) 基 底 至 四 十 四 层 b) 四 十 五 层 至 屋 面 层 1 图 典 型 楼 层 楼 面 布 置 图 2.9 加 强 层 的 布 置 塔 楼 东 西 方 向 刚 度 较 弱, 因 此 在 局 部 楼 层 沿 东 西 方 向 利 用 建 筑 机 电 层 及 屋 顶 层 设 置 了 伸 臂 桁 架 来 增 加 侧 向 刚 度 如 图 所 示, 伸 臂 桁 架 采 用 钢 结 构, 从 混 凝 土 核 心 筒 伸 到 外 柱 伸 臂 桁 架 的 水 平 钢 构 件 在 核 心 筒 墙 内 与 埋 入 墙 体 的 钢 柱 直 接 相 连, 在 混 凝 土 墙 内 由 一 层 钢 桁 架 贯 通 东 西 两 侧 的 伸 臂 桁 架 此 外 由 于 伸 臂 桁 架 与 内 横 墙 略 有 倾 角, 在 纵 墙 内 也 埋 设 加 强 的 钢 梁 以 将 纵 向 水 平 分 力 传 递 给 混 凝 土 墙 体 以 及 远 端 的 钢 柱 顶 部 伸 臂 桁 架 布 置 图 24

41 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 加 强 层 二 (F26A) 和 加 强 层 三 (F41A) 伸 臂 桁 架 及 腰 桁 架 布 置 图 加 强 层 一 (F11a) 腰 桁 架 布 置 图 图 加 强 层 及 伸 臂 桁 架 与 腰 桁 架 楼 层 布 置 2.10 整 体 弹 性 分 析 结 果 分 析 模 型 整 体 结 构 计 算 模 型 采 用 了 ETABS 和 SATWE 两 种 有 限 元 计 算 软 件 进 行, 根 据 结 构 静 力 与 弹 性 动 力 分 析 结 果 对 相 关 数 据 进 行 了 分 析 比 较 本 模 型 中 间 为 混 凝 土 核 心 筒, 每 层 周 边 有 32 根 柱 子, 典 型 柱 距 为 6m 柱 子 为 圆 钢 管 混 凝 土 CFT 柱, 边 梁 为 H 截 面 钢 梁 根 据 建 筑 楼 层 的 布 置, 在 机 电 层 F26a 和 F41a 以 及 屋 顶 层 设 置 了 伸 臂 桁 架 同 时 在 F11a F26a 和 F41a 层 沿 X 及 Y 向 布 置 了 两 道 U 型 腰 桁 架, 以 便 于 使 临 近 的 柱 子 共 同 分 担 伸 臂 桁 25

42 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 架 带 来 的 竖 向 力, 并 提 供 相 应 的 抗 侧 刚 度 模 型 中 定 义 了 竖 向 和 水 平 荷 载 工 况 其 中 竖 向 工 况 包 括 结 构 自 重 附 加 恒 荷 载 以 及 活 荷 载 水 平 荷 载 工 况 包 含 了 X 方 向 ( 东 西 方 向 ) 以 及 Y 方 向 ( 南 北 ) 的 风 荷 载 和 地 震 作 用 其 中 水 平 地 震 荷 载 考 虑 了 双 向 地 震 及 偶 然 偏 心 的 影 响 整 体 结 构 考 虑 了 重 力 二 阶 效 应 的 不 利 影 响 值 得 指 出 的 是 重 力 二 阶 效 应 对 于 高 宽 比 较 大 的 结 构, 其 刚 重 比 会 发 生 明 显 变 化, 虽 然 该 计 算 会 减 缓 结 构 计 算 的 速 度, 但 是 非 常 重 要 的 在 软 件 分 析 中, 钢 板 剪 力 墙 均 是 按 等 效 刚 度 的 方 法 进 行 模 拟 图 显 示 了 SATWE 和 ETABS 整 体 模 型 图 结 构 有 限 元 模 型 周 期 和 振 型 1 结 构 自 振 周 期 表 SATWE 结 构 自 振 周 期 振 型 周 期 转 角 平 动 (X+Y) 扭 转 系 数 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

43 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0.00 表 ETABS 结 构 自 振 周 期 振 型 周 期 ETABS 振 型 质 量 参 与 系 数 UX UY UZ RX RY RZ 前 15 个 振 型 X 方 向 的 质 量 参 与 系 数 :SATWE 计 算 结 果 为 92.55%,ETABS 计 算 结 果 为 98.07%;Y 方 向 有 效 质 量 参 与 量 系 数 :SATWE 计 算 结 果 为 96.09%,ETABS 计 算 结 果 为 99.65%, 满 足 规 范 质 量 参 与 系 数 大 于 90% 的 要 求 第 一 扭 转 周 期 与 第 一 平 动 周 期 比 值 SATWE 计 算 结 果 为 0.60,ETABS 计 算 结 果 为 0.65, 此 值 小 于 中 国 规 范 0.85 的 限 值 因 此 可 认 为 扭 转 振 型 与 第 一 平 动 振 型 不 耦 合 其 中 第 一 振 型 为 X 方 向 平 动, 第 二 振 型 为 Y 方 向 平 动, 第 三 振 型 为 扭 转 值 得 指 出 的 是, 狭 长 结 构 通 常 其 扭 转 相 应 较 为 明 显, 特 别 是 超 高 层 结 构 则 更 为 显 著, 本 结 构 由 于 建 筑 设 计 特 点, 其 平 面 长 宽 比 达 到 1.5:1, 在 高 震 区 超 高 层 结 构 中 是 较 高 的 为 降 低 其 扭 转 效 应 对 结 构 的 不 利 影 响, 在 结 构 布 置 的 专 业 配 合 过 程 中, 则 有 意 识 的 将 结 构 核 27

44 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 心 筒 洞 口 布 置 于 强 轴 ( 南 北 向 ) 两 侧, 而 弱 轴 ( 东 西 向 ) 核 心 同 墙 体 均 保 持 较 大 刚 度 的 单 肢 墙, 此 外 加 上 沿 东 西 向 设 置 的 伸 臂 桁 架, 因 而 使 得 水 平 方 向 两 侧 抗 侧 刚 度 尽 量 接 近, 从 而 降 低 扭 转 耦 联 效 应, 最 终 结 构 第 一 及 第 二 周 期 均 保 持 平 动, 且 两 者 较 为 接 近, 既 满 足 了 建 筑 和 机 电 的 配 合 需 要, 有 实 现 了 结 构 较 为 良 好 的 设 计 目 的 基 底 剪 力 表 地 震 及 风 载 作 用 下 结 构 基 底 剪 力 SATWE 计 算 结 果 地 震 作 用 -X 向 地 震 作 用 -Y 向 风 荷 载 -X 向 风 荷 载 -Y 向 底 部 剪 力 (kn) 倾 覆 弯 据 (MN.m) ETABS 计 算 结 果 地 震 作 用 -X 向 地 震 作 用 -Y 向 风 荷 载 -X 向 风 荷 载 -Y 向 底 部 剪 力 (kn) 倾 覆 弯 据 (MN.m) 计 算 结 果 表 明, 两 软 件 底 部 剪 力 及 倾 覆 弯 矩 是 较 为 吻 合 的 此 外 地 震 与 风 荷 载 比 较 结 果 表 明, 该 结 构 虽 然 高 达 264 米, 但 在 高 震 区 其 地 震 剪 力 仍 然 明 显 大 于 风 荷 载 这 与 我 国 南 方 6 度 区, 特 别 是 沿 海 台 风 区 超 高 层 建 筑 主 控 荷 载 有 着 明 显 的 区 别 ( 注 : 该 地 区 超 高 层 结 构 其 百 年 重 现 期 风 荷 载 往 往 对 整 体 刚 度 起 控 制 作 用, 但 构 件 由 于 性 能 化 设 计 的 需 要, 在 中 震 设 计 过 程 中, 地 震 仍 可 能 成 为 构 件 设 计 的 主 控 荷 载, 因 此 该 地 区 结 构 则 往 往 受 到 地 震 和 风 的 双 重 控 制 ) 楼 层 剪 力 分 布 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 楼 层 30 楼 层 楼 层 剪 力 (MN) 楼 层 剪 力 (MN) 图 地 震 作 用 下 楼 层 剪 力 分 布 28

45 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 风 作 用 下 楼 层 剪 力 分 布 图 略 剪 重 比 楼 层 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) 规 范 限 值 :2.4% 楼 层 EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 规 范 限 值 :2.4% % 2% 4% 6% 8% 10% 剪 重 比 0 0% 2% 4% 6% 8% 10% 剪 重 比 图 水 平 地 震 作 用 下 楼 层 剪 重 比 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) 中 条 规 定 计 算 水 平 地 震 作 用 下 楼 层 剪 力 时 应 满 足 最 小 剪 重 比 的 要 求, 否 则 应 按 比 例 放 大 计 算 结 果 表 明, 两 软 件 输 出 楼 层 剪 重 比 数 值 较 为 吻 合, 最 小 剪 重 比 大 于 2.4%, 满 足 规 范 要 求 结 构 位 移 计 算 模 型 在 伸 臂 桁 架 及 其 上 下 两 层 定 义 了 弹 性 楼 板, 同 时 亦 保 证 准 确 反 应 伸 臂 桁 架 以 及 腰 桁 架 等 斜 交 构 件 变 形 及 内 力 计 算 的 准 确 根 据 设 计 规 范 定 义 了 风 荷 载 以 及 地 震 作 用 工 况 并 进 行 了 分 析 下 图 显 示 了 模 型 在 风 荷 载 以 及 双 向 地 震 作 用 下 的 总 位 移 以 及 层 间 位 移 角 表 地 震 及 风 载 作 用 下 结 构 位 移 及 层 间 位 移 比 SATWE 地 震 作 用 -X 向 地 震 作 用 -Y 风 荷 载 -X 向 风 荷 载 -Y 向 最 大 层 间 位 移 比 1/556 1/726 1/1025 1/2177 顶 部 最 大 水 平 位 移 (mm) ETABS 地 震 作 用 -X 向 地 震 作 用 -Y 风 荷 载 -X 向 风 荷 载 -Y 向 最 大 层 间 位 移 比 1/560 1/737 1/852 1/1587 顶 部 最 大 水 平 位 移 (mm) 结 果 表 明 地 震 作 用 下 的 楼 层 侧 移 是 结 构 设 计 的 主 要 控 制 因 素 层 间 位 移 角 均 可 满 足 规 29

46 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 范 1/500 的 设 计 要 求 从 位 移 曲 线 看, 由 于 X 方 向 主 要 由 数 片 单 肢 墙 体 构 成 抗 侧 体 系, 因 而 形 成 较 为 明 显 的 弯 曲 变 形, 而 Y 方 向 墙 体 开 洞 较 多, 呈 现 了 部 分 弯 剪 复 核 变 形 的 特 点 楼 层 50 楼 层 层 间 位 移 比 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) 规 范 限 值 层 间 位 移 比 EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 规 范 限 值 图 地 震 作 用 下 层 间 位 移 比 曲 线 楼 层 50 楼 层 EQ-X(SATWE) 20 EQ-X(ETABS) 10 EQ-Y(SATWE) 10 EQ-Y(ETABS) 最 大 楼 层 位 移 (mm) 最 大 楼 层 位 移 (mm) 图 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 30

47 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 2.11 舒 适 度 研 究 居 住 舒 适 性 是 结 构 设 计 中 须 考 虑 的 一 个 重 要 问 题 风 导 致 的 结 构 变 形 或 振 动 可 以 引 起 居 住 者 或 使 用 者 的 不 适, 或 影 响 正 常 的 活 动 居 住 者 对 运 动 的 感 知 是 主 观 的, 由 诸 多 因 素 决 定, 如 个 体 对 运 动 舒 适 性 的 预 期, 所 进 行 活 动 的 类 型 等 声 音 ( 结 构 变 形 的 噪 声 ) 和 视 觉 ( 摇 摆 ) 效 果 将 使 人 们 对 运 动 的 感 知 大 大 增 强 对 于 整 体 结 构 设 计,ISO6897 标 准 对 可 接 受 的 运 动 程 度 作 出 了 说 明, 这 大 体 上 与 国 际 通 行 标 准 相 当, 并 符 合 温 带 风 暴 影 响 的 区 域 的 经 验 中 国 规 范 对 住 宅 和 办 公 室 由 10 年 一 遇 的 风 荷 载 引 起 的 屋 顶 加 速 度 的 限 值 分 别 是 0.15m/s 2 和 0.25 m/s 2 从 图 9-16 可 以 看 出, 风 洞 试 验 所 提 供 的 10 年 重 现 期 顶 点 加 速 度, 当 风 动 阻 尼 为 1% 时 为 m/s 2, 当 阻 尼 为 2% 时 为 0.086m/s 2, 满 足 规 范 要 求 图 舒 适 度 顶 点 加 速 度 风 洞 试 验 结 果 2.12 加 强 层 研 究 塔 楼 东 西 方 向 刚 度 较 弱, 因 此 在 局 部 楼 层 沿 东 西 方 向 利 用 建 筑 机 电 层 及 屋 顶 层 设 置 了 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 形 成 加 强 层 来 增 加 侧 向 刚 度 图 显 示, 加 强 层 的 设 置 使 结 构 最 大 层 间 位 移 角 由 1/447 减 小 为 1/556, 满 足 了 规 范 限 值 的 要 求, 有 效 地 提 高 了 结 构 整 体 抗 侧 刚 度, 起 到 了 良 好 的 作 用 实 践 证 明, 伸 臂 构 件 组 成 的 加 强 层, 可 以 有 效 的 联 系 内 外 筒, 并 有 助 于 实 现 共 同 作 用, 对 于 结 构 刚 度 控 制 是 一 个 经 济 有 效 的 手 段 31

48 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 不 含 加 强 层 40 楼 层 30 含 加 强 层 规 范 限 值 位 移 角 图 设 置 加 强 层 对 层 间 位 移 角 控 制 的 对 比 (X 方 向 ) 由 于 伸 臂 桁 架 工 作 时 的 巨 大 轴 力, 如 图 所 示 构 造, 伸 臂 桁 架 的 水 平 构 件 与 楼 板 脱 开, 此 外, 构 件 设 计 时 则 不 考 虑 弹 性 楼 板 的 对 其 的 刚 度 贡 献, 在 实 际 设 计 过 程 则 将 伸 臂 构 件 周 边 的 楼 板 删 除, 以 避 免 楼 板 吸 收 伸 臂 构 件 内 力 值 得 特 别 指 出 的 是, 为 减 少 内 外 筒 因 不 均 匀 沉 降 及 材 料 弹 性 变 形 对 伸 臂 构 件 产 生 的 不 利 影 响, 根 据 抗 震 性 能 目 标 并 结 合 施 工 条 件, 伸 臂 桁 架 与 内 外 筒 之 间 的 连 接 将 延 迟 进 行, 从 而 可 在 计 算 中 卸 载 部 分 结 构 自 重, 并 与 附 加 恒 载 活 载 以 及 地 震 力 一 次 性 加 载 至 结 构 进 行 构 件 校 核 设 计 过 程 中, 如 果 不 对 部 分 重 力 进 行 释 放, 其 计 算 软 件 由 于 内 外 筒 材 料 及 承 受 荷 载 的 显 著 差 异 其 弹 性 变 形 便 使 得 伸 臂 构 件 仅 在 重 力 下 便 产 生 巨 大 的 内 力, 这 完 全 可 以 在 施 工 阶 段 采 取 临 时 断 开 的 手 段 实 施 有 效 卸 载 这 也 是 伸 臂 构 件 设 计 的 一 大 特 点 图 伸 臂 桁 架 立 面 展 开 图 32

49 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 在 核 心 筒 墙 体 内 加 设 了 暗 钢 桁 架, 如 图 3-11 所 示 ( 阴 影 内 为 核 心 筒 区 ) 一 般 情 况 混 凝 土 墙 的 抗 剪 能 力 有 限, 无 法 承 受 伸 臂 桁 架 中 的 巨 大 水 平 力, 暗 钢 桁 架 的 设 置 可 保 证 混 凝 土 墙 受 拉 开 裂 后 仍 可 平 衡 伸 臂 桁 架 的 水 平 荷 载, 需 要 按 等 强 来 对 暗 钢 桁 架 进 行 设 计 伸 臂 桁 架 与 内 筒 混 凝 土 墙 及 暗 钢 桁 架 的 连 接 处 受 力 情 况 复 杂, 节 点 有 限 元 分 析 的 结 果 如 图 所 示, 伸 臂 桁 架 与 暗 柱 / 暗 桁 架 相 连 的 节 点 处 有 很 大 的 应 力 传 递, 因 此 在 这 个 范 围 内 不 设 置 栓 钉, 而 在 暗 桁 架 的 构 件 上 使 型 钢 的 内 力 逐 渐 传 递 到 墙 体 中 图 暗 桁 架 弹 塑 性 分 析 结 果 为 使 伸 臂 桁 架 作 用 于 更 多 的 外 柱 并 提 高 层 刚 度, 结 构 三 个 加 强 层 沿 外 框 架 布 置 了 腰 桁 架 由 于 结 构 平 面 长 边 中 部 建 筑 有 凹 进 部 位, 结 构 梁 在 此 有 错 位, 最 终 采 用 了 两 道 U 型 环 桁 架 的 布 置 方 案, 如 图 所 示 腰 桁 架 的 布 置 可 以 有 效 分 解 由 伸 臂 构 件 传 递 给 柱 子 巨 大 轴 力, 同 时 环 向 布 置 还 可 将 水 平 地 震 力 得 以 在 加 强 层 均 匀 传 递, 增 加 冗 余 度, 避 免 应 力 集 中 和 构 件 破 坏 图 U 形 环 桁 架 立 面 布 置 图 ( 显 示 对 称 边 ) 33

50 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 2.13 纯 钢 结 构 与 混 合 结 构 方 案 比 较 研 究 在 本 工 程 方 案 设 计 阶 段, 针 对 该 工 程 特 点, 进 行 了 纯 钢 结 构 和 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 两 种 结 构 方 案 的 量 化 分 析 和 比 较 主 要 目 的 1 混 合 结 构 方 案 与 纯 钢 结 构 方 案 在 结 构 布 置 设 计 要 求 等 方 面 的 详 细 比 较 2 混 合 结 构 方 案 与 纯 钢 结 构 方 案 用 钢 量 混 凝 土 用 量 等 比 较, 以 便 造 价 工 程 师 对 这 两 个 方 案 的 造 价 进 行 比 较 3 大 致 评 估 两 种 方 案 对 于 施 工 工 期 以 及 抗 震 设 防 专 项 审 批 时 间 等 的 影 响 结 构 布 置 方 案 比 较 应 用 了 ETABS 软 件, 分 别 对 以 上 两 种 结 构 体 系 进 行 建 模 分 析, 其 混 合 结 构 布 置 如 图 所 示, 钢 结 构 布 置 如 图 核 心 筒 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 周 边 框 架 ( 柱 子 及 边 梁 ) 图 混 合 结 构 方 案 34

51 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 核 心 筒 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 周 边 框 架 ( 柱 子 及 边 梁 ) 核 心 筒 南 北 方 向 支 撑 核 心 筒 南 北 方 向 支 撑 图 钢 结 构 方 案 两 个 方 案 其 加 强 层 布 置 如 图 所 示 a) 混 合 结 构 方 案 b) 纯 钢 结 构 方 案 图 伸 臂 桁 架 加 强 层 布 置 35

52 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 体 系 概 述 在 两 个 方 案 中, 塔 楼 的 抗 侧 力 体 系 都 是 框 架 - 核 心 筒 结 构 混 合 结 构 方 案 采 用 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 ( 底 部 内 埋 钢 骨 ), 以 及 组 合 柱 与 钢 梁 组 成 的 周 边 的 混 合 框 架 中 国 设 计 规 范 规 定 这 种 结 构 体 系 在 抗 震 设 防 烈 度 为 8 度 的 地 区 最 大 适 用 高 度 为 150m 由 于 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 高 度 比 此 限 值 超 出 较 多, 需 要 进 行 抗 震 设 防 专 项 审 查 纯 钢 结 构 则 采 用 带 斜 撑 的 框 筒 作 为 核 心 筒, 由 钢 管 柱 和 钢 梁 组 成 周 边 纯 钢 结 构 框 架 中 国 设 计 规 范 规 定 这 种 结 构 体 系 在 抗 震 设 防 烈 度 为 8 度 的 地 区 最 大 适 用 高 度 为 260m 财 富 中 心 三 期 高 度 在 此 限 值 以 下, 应 该 不 需 要 抗 震 设 防 专 项 审 查 以 下 分 别 对 比 两 个 方 案 中 的 各 个 结 构 系 统 1 核 心 筒 1) 混 合 结 构 方 案 混 合 结 构 的 核 心 筒 从 基 础 筏 板 至 顶 部 均 为 钢 筋 混 凝 土, 核 心 筒 内 部 为 电 梯 井 楼 梯 间 以 及 设 备 管 井 等 用 途 平 面 上 核 心 筒 可 以 看 成 一 个 箱 形 截 面 以 及 内 部 的 东 西 向 联 系 墙 为 了 提 高 核 心 筒 在 地 震 作 用 下 的 延 性, 在 最 低 的 伸 臂 桁 架 所 在 楼 层 以 下 的 核 心 筒 角 部 墙 端 及 两 墙 交 会 处 设 有 型 钢 柱, 型 钢 柱 之 间 采 用 钢 梁 或 者 钢 板 连 接 其 它 楼 层 视 与 楼 面 系 统 连 接 需 要 加 设 型 钢 采 用 混 凝 土 核 心 筒 的 优 点 是 造 价 较 低, 而 刚 度 很 大, 可 以 有 效 控 制 结 构 的 侧 向 位 移 以 及 风 荷 载 作 用 下 的 结 构 振 动, 有 利 于 提 高 用 户 的 舒 适 度 混 凝 土 核 心 筒 施 工 可 以 采 用 较 为 成 熟 的 滑 模 技 术, 速 度 较 快 2) 纯 钢 结 构 方 案 纯 钢 结 构 方 案 核 心 筒 采 用 钢 柱 钢 梁 和 钢 斜 撑 组 成 在 东 西 方 向, 斜 撑 布 置 受 建 筑 布 置 影 响 较 小, 因 此 采 用 延 性 较 好 的 人 字 形 支 撑 在 南 北 方 向, 由 于 建 筑 布 置 了 一 系 列 的 电 梯 大 厅 出 入 口, 不 适 宜 采 用 人 字 形 斜 撑, 因 此 采 用 一 系 列 单 斜 杆 支 撑 钢 柱 在 底 部 由 于 内 力 较 大, 采 用 箱 形 截 面 随 楼 层 增 高 变 为 实 腹 式 工 字 形 截 面, 并 且 尺 寸 逐 渐 减 小 钢 梁 和 钢 斜 撑 全 部 采 用 实 腹 式 工 字 形 截 面 在 伸 臂 桁 架 位 置 以 及 上 下 一 段 距 离 内, 钢 柱 钢 梁 和 钢 斜 撑 采 用 较 大 的 截 面, 以 承 担 伸 臂 桁 架 带 来 的 内 力 采 用 纯 钢 结 构 核 心 筒 的 优 点 是 施 工 速 度 快, 而 且 在 节 点 设 计 施 工 有 保 障 的 情 况 下, 钢 结 构 在 地 震 作 用 下 具 有 很 好 的 延 性 此 方 案 钢 核 心 筒 的 全 部 构 件 都 需 要 防 火 喷 涂 2 外 框 架 1) 混 合 结 构 方 案 混 合 结 构 的 周 边 框 架 由 组 合 柱 与 钢 梁 组 成 柱 子 典 型 间 距 为 6 米, 柱 子 之 间 的 钢 梁 采 用 实 腹 式 工 字 形 截 面, 两 端 与 柱 子 刚 接 组 合 柱 的 优 点 是 造 价 较 低, 刚 度 较 大 如 采 用 SRC 柱, 则 钢 截 面 埋 在 混 凝 土 中 间, 无 需 防 火 涂 料 采 用 CFT 柱 时 柱 子 的 钢 结 构 外 露, 需 要 防 火 喷 涂, 但 是 其 用 量 可 以 比 纯 钢 结 构 略 少 所 有 钢 框 架 梁 都 需 要 防 火 喷 涂 36

53 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 2) 纯 钢 结 构 方 案 纯 钢 结 构 的 周 边 框 架 由 钢 柱 与 钢 梁 组 成 钢 柱 根 据 建 筑 需 要 采 用 方 钢 管 或 者 圆 钢 管 目 前 分 析 模 型 中 暂 时 采 用 方 钢 管 框 架 梁 也 采 用 实 腹 式 工 字 形 截 面, 两 端 与 柱 子 刚 接 钢 框 架 的 优 点 是 在 施 工 速 度 快, 地 震 作 用 下 的 延 性 很 好 钢 柱 和 钢 梁 都 需 要 防 火 喷 涂 3 伸 臂 桁 架 在 机 电 层 设 置 了 钢 伸 臂 桁 架 以 及 局 部 腰 桁 架, 通 过 伸 臂 桁 架 将 核 心 筒 和 框 架 柱 联 系 在 一 起, 使 核 心 筒 和 周 边 框 架 共 同 作 用, 增 大 了 结 构 的 抗 侧 刚 度, 减 少 了 侧 向 位 移 混 合 结 构 方 案 与 纯 钢 方 案 中 的 伸 臂 桁 架 布 置 以 及 尺 寸 相 同, 以 便 比 较 核 心 筒 与 周 边 框 架 的 采 用 混 合 结 构 与 钢 结 构 所 产 生 的 区 别 4 楼 面 体 系 两 个 方 案 的 楼 面 结 构 体 系 相 同 地 面 层 以 上 的 楼 层 将 采 用 钢 梁 压 型 钢 板 和 现 浇 混 凝 土 楼 板 组 成 的 组 合 楼 板 体 系 梁 跨 长 度 在 12~19 米 之 间, 组 合 楼 板 的 厚 度 为 : 办 公 楼 层 130 毫 米 机 电 层 ( 伸 臂 桁 架 所 在 楼 层 ) 及 顶 层 200 毫 米 5 基 础 混 合 结 构 基 础 可 采 用 桩 - 筏 板 基 础, 筏 板 厚 度 约 3.5 米 ~4.0 米, 筏 板 下 采 用 钻 孔 灌 注 桩 桩 底 和 桩 侧 预 计 采 用 后 压 浆 技 术 来 提 高 承 载 力, 控 制 沉 降 纯 钢 结 构 方 案 自 重 较 轻, 因 此 筏 板 厚 度 可 以 略 小, 约 3.0 米 ~3.5 米 筏 板 下 采 用 的 钻 孔 灌 注 桩 与 混 合 结 构 相 同, 但 是 由 于 结 构 自 重 较 轻, 桩 的 数 量 较 少 6 小 结 对 上 述 两 个 结 构 方 案 的 结 构 体 系 比 较 总 结 如 下 : 表 结 构 方 案 及 其 体 系 比 较 混 合 结 构 方 案 纯 钢 结 构 方 案 规 范 最 大 适 用 高 度 150m 260m 核 心 筒 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 内 埋 钢 骨 框 筒 + 斜 撑 周 边 框 架 组 合 柱 + 钢 梁 钢 柱 + 钢 梁 伸 臂 桁 架 及 腰 桁 架 纯 钢 结 构, 在 三 个 楼 层 布 置 与 混 合 结 构 方 案 相 同 楼 面 体 系 钢 梁 + 压 型 钢 板 + 混 凝 土 楼 板 与 混 合 结 构 方 案 相 同 基 础 系 统 钻 孔 灌 注 桩 + 筏 板 与 混 合 结 构 方 案 相 同 37

54 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 计 算 模 型 分 析 与 比 较 对 上 述 的 两 个 结 构 方 案 分 别 建 立 ETABS 模 型, 并 且 进 行 了 初 步 分 析 模 型 中 未 包 括 地 下 室 楼 层 为 便 于 比 较, 两 个 模 型 采 用 的 相 同 的 荷 载 以 及 设 计 假 定 其 中 混 合 结 构 阻 尼 比 为 0.04, 而 钢 结 构 为 0.02 通 过 调 整 模 型, 控 制 两 个 模 型 的 结 构 整 体 参 数 分 别 满 足 中 国 设 计 规 范 对 于 混 合 结 构 以 及 钢 结 构 的 相 关 要 求 两 个 模 型 的 主 要 结 果 见 下 表 表 两 结 构 方 案 计 算 模 型 比 较 主 要 周 期 ( 秒 ) 混 合 结 构 方 案 T1 = 5.25 (X 方 向 ) T2 = 4.52 (Y 方 向 ) T3 = 3.54 ( 扭 转 ) 纯 钢 结 构 方 案 T1 = 6.76 (X 方 向 ) T2 = 6.52 (Y 方 向 ) T3 = 4.59 ( 扭 转 ) 扭 转 / 平 动 周 期 比 值 0.674, 满 足 规 范 限 值 , 满 足 规 范 限 值 0.85 地 震 层 间 侧 移 1/519, 满 足 规 范 限 值 1/500 1/318, 满 足 规 范 限 值 1/300 顶 部 位 移 - 风 荷 载 170mm 380mm 顶 部 位 移 - 地 震 320mm 520mm 塔 楼 总 重 ( 恒 荷 载 +55% 活 荷 载 ) ton ton 材 料 用 量 比 较 下 表 列 出 了 根 据 ETABS 模 型 统 计 的 钢 材 和 混 凝 土 材 料 用 量, 以 及 估 计 的 基 础 和 阻 尼 器 用 量 需 指 出 由 于 ETABS 模 型 只 包 含 地 上 结 构, 因 此 下 表 中 的 数 据 仅 包 含 主 塔 楼 地 上 结 构 的 材 料 用 量 估 计 表 两 结 构 方 案 材 料 用 量 比 较 材 料 用 量 混 合 结 构 方 案 纯 钢 结 构 方 案 核 心 筒 墙 23100m 3 混 凝 土 周 边 柱 8300m 3 楼 板 20800m m 3 钢 材 * 筏 板 总 计 ton ton 平 均 150 kg/m kg/m 2 平 面 尺 寸 约 48m x 71m 约 48m x 71m 厚 度 3.5m~4.0m 3.0m~3.5m 38

55 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 桩 直 径 1.2m( 方 案 暂 估 ) 1.2m( 方 案 暂 估 ) 数 量 阻 尼 器 不 需 要 可 能 需 要 ** * 仅 为 钢 结 构 用 钢 量, 未 计 入 混 凝 土 中 钢 筋 ** 为 控 制 钢 结 构 方 案 舒 适 度, 需 要 布 置 粘 滞 型 阻 尼 器 其 他 比 较 由 于 结 构 体 系 不 同, 上 述 两 个 方 案 在 施 工 速 度 抗 震 专 项 审 查 楼 层 面 积 等 方 面 也 会 略 有 差 异, 参 见 如 下 比 较 表 两 结 构 方 案 其 他 比 较 混 合 结 构 方 案 纯 钢 结 构 方 案 估 计 每 层 施 工 周 期 ( 天 ) 塔 楼 地 上 结 构 施 工 工 期 ( 天 ) 4.5x57+30x3=347 ( 伸 臂 桁 架 楼 层 约 需 30 天 ) 3.5x57+30x3 =290 ( 伸 臂 桁 架 楼 层 约 需 30 天 ) 抗 震 专 项 审 查 时 间 约 3~6 个 月 应 该 不 需 要 专 家 审 查 * 钢 结 构 防 火 喷 涂 工 作 量 及 造 价 较 混 合 结 构 明 显 增 多 总 结 从 上 面 对 两 个 结 构 方 案 所 进 行 的 描 述 与 对 比, 可 以 得 到 如 下 结 论 : 1) 从 结 构 设 计 角 度, 混 合 结 构 方 案 和 钢 结 构 方 案 都 是 可 行 的 2) 混 合 结 构 总 体 造 价 较 低, 对 施 工 承 包 商 的 要 求 相 对 较 低, 在 舒 适 度 方 面 表 现 比 钢 结 构 方 案 好 通 过 在 核 心 筒 内 埋 钢 骨, 以 及 采 用 组 合 柱 和 钢 梁 混 合 框 架, 能 够 在 地 震 作 用 下 提 供 较 好 延 性 机 制 缺 点 是 施 工 比 钢 结 构 慢, 而 且 专 家 审 查 可 能 导 致 结 构 设 计 时 间 较 长 3) 钢 结 构 方 案 总 体 造 价 比 混 合 结 构 方 案 高, 对 施 工 承 包 商 技 术 水 平 的 要 求 相 对 较 高, 而 且 结 构 刚 度 较 小, 如 果 达 到 与 混 合 结 构 相 近 的 舒 适 度 水 平 则 需 要 安 装 阻 尼 器 但 是 钢 结 构 方 案 有 可 能 避 免 抗 震 设 防 专 项 审 查, 从 而 使 结 构 设 计 时 间 较 短, 同 时 施 工 速 度 较 快, 这 些 都 有 利 于 项 目 尽 快 完 成 投 入 使 用 此 外, 由 于 钢 结 构 总 体 自 重 较 轻, 桩 和 筏 板 等 材 料 用 量 相 对 混 合 结 构 可 适 当 降 低 但 从 综 合 成 本 效 益 看, 混 合 结 构 在 节 省 用 钢 量 提 高 舒 适 度 以 及 防 火 性 能 等 方 面 较 钢 结 构 具 备 明 显 的 综 合 经 济 优 势 39

56 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 2.14 总 结 本 章 以 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼, 这 一 带 有 加 强 层 的 超 高 层 混 合 结 构 设 计 为 例, 简 要 介 绍 了 其 设 计 依 据 材 料 荷 载 等 情 况, 由 于 属 于 超 限 结 构, 分 别 依 据 抗 震 规 范 对 其 各 项 规 则 性 进 行 了 检 查 和 判 定, 进 而 在 设 计 过 程 中, 针 对 其 特 点, 采 用 了 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 这 一 结 构 体 系, 依 据 设 计 要 求, 对 其 整 体 各 项 分 析 结 果 和 指 标 数 据 进 行 了 分 析 和 总 结, 对 超 高 层 结 构 经 常 采 用 的 加 强 层 设 计 进 行 了 比 较 分 析 本 章 内 容, 构 成 了 对 超 高 层 混 合 结 构 初 步 设 计, 特 别 是 超 限 研 究, 典 型 的 基 本 分 析 要 点 和 判 定 内 容, 可 以 作 为 相 似 工 程 的 参 考 在 满 足 本 章 内 容 相 关 各 项 要 求 的 前 提 下, 本 文 后 续 章 节, 将 分 别 以 此 工 程 为 例, 对 混 合 结 构 核 心 筒 外 框 架 的 分 析 及 构 造, 以 及 在 实 施 抗 震 性 能 化 设 计 弹 塑 性 时 程 分 析 过 程 中 的 特 点 进 行 进 一 步 深 入 的 阐 述 和 研 究 40

57 第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 3.1 组 合 钢 板 剪 力 墙 研 究 简 介 从 抗 震 的 角 度 出 发, 混 合 结 构 在 结 构 抗 震 的 设 计 上 有 两 个 方 向, 一 是 加 强 筒 体, 使 其 承 担 主 要 的 抗 震 作 用, 另 一 个 就 是 加 强 外 框 架, 使 其 能 够 起 到 二 道 防 线 的 作 用 混 合 结 构 体 系 建 筑 的 抗 震 性 能 在 很 大 程 度 上 取 决 于 混 凝 土 筒 体, 为 此 必 须 采 取 有 效 措 施 保 证 混 凝 土 筒 体 的 延 性 而 筒 体 是 由 剪 力 墙 组 成 的, 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 的 刚 度 很 大, 承 载 力 高, 但 受 剪 破 坏 时 延 性 较 小, 改 善 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 的 承 载 力 和 延 性 是 至 关 重 要 的 [84] 组 合 钢 板 剪 力 墙 是 在 钢 板 剪 力 墙 基 础 上 提 出 的 一 种 用 于 高 层 建 筑 钢 结 构 的 新 型 抗 侧 力 构 件 它 以 普 通 钢 板 作 为 基 本 支 撑 板, 钢 板 上 下 分 别 与 钢 框 架 中 的 梁 相 连, 两 侧 外 包 混 凝 土 为 钢 板 提 供 侧 向 约 束, 防 止 钢 板 过 早 屈 曲 失 稳, 同 时 混 凝 土 还 起 到 防 火 隔 热 的 作 用 对 于 该 构 件 的 抗 震 性 能, 近 年 来, 国 内 在 试 验 和 工 程 研 究 中, 有 了 一 定 的 进 展 试 验 研 究 同 济 大 学 李 国 强 等 对 3 片 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 试 件 进 行 了 反 复 加 载 试 验 [85], 同 时 还 对 1 片 纯 钢 板 剪 力 墙 板 进 行 了 反 复 加 载 试 验 以 资 比 较 通 过 试 验 了 解 了 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 板 的 刚 度 强 度 变 形 性 能 和 破 坏 形 态 以 及 滞 回 性 能 研 究 结 果 表 明 : 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 板 受 力 明 确, 在 混 凝 土 开 裂 前 钢 板 与 混 凝 土 共 同 工 作, 有 很 大 的 抗 侧 移 刚 度, 对 于 提 高 结 构 整 体 在 非 地 震 条 件 或 小 地 震 条 件 下 的 侧 向 承 载 力 和 抗 侧 移 刚 度 是 非 常 有 利 的 另 外, 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 板 延 性 好, 允 许 有 较 大 的 变 形, 其 延 性 系 数 可 以 达 到 10 左 右, 共 振 容 量 约 为 7.64 这 样, 在 大 震 情 况 下 钢 板 外 包 混 凝 上 剪 力 墙 板 能 够 大 量 消 耗 能 量, 保 证 结 构 整 体 不 坍 塌, 具 有 良 好 的 抗 震 性 能, 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 抗 侧 力 构 件 在 对 试 验 结 果 进 行 分 析 的 基 础 上, 提 出 了 设 计 建 议 : 为 了 使 钢 板 与 混 凝 土 协 调 工 作, 应 在 钢 板 上 规 则 地 点 焊 栓 钉 ( 钢 筋 ); 从 试 验 现 象 可 知, 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 板 受 力 最 大 处 为 角 部, 也 最 先 破 坏, 故 在 剪 力 墙 的 四 个 角 部 应 适 当 地 配 置 加 劲 肋, 以 更 好 地 提 高 其 极 限 承 载 力 和 变 形 能 力 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 通 过 11 片 高 宽 比 为 1.5 轴 压 比 为 0.5 的 钢 板 - 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 抗 震 性 能 试 验 研 究, 对 比 了 不 同 连 接 形 式 钢 板 - 混 凝 土 组 合 墙 受 剪 破 坏 形 态 极 限 承 载 力 及 延 性 性 能 试 验 表 明, 钢 板 - 混 凝 土 组 合 墙 中 型 钢 钢 板 与 混 凝 土 可 很 好 地 协 同 工 作, 而 且 四 周 焊 接 的 钢 板 - 混 凝 土 组 合 墙 可 大 幅 度 提 高 受 剪 承 载 力, 而 延 性 与 普 通 配 筋 墙 相 当 或 略 高 ; 采 用 连 接 板 与 周 边 型 钢 连 接 的 钢 板 - 混 凝 土 组 合 墙, 其 承 载 力 提 高 幅 度 取 决 于 连 接 板 的 强 度, 延 性 性 能 较 好 基 于 承 载 力 叠 加 原 理 提 出 的 钢 板 - 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 受 剪 承 载 力 设 计 计 算 公 式 与 试 验 结 果 吻 合 较 好, 并 具 有 适 当 的 安 全 度, 同 时 还 提 出 了 钢 板 - 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 受 剪 截 面 控 制 条 件 的 建 议 公 式 [15][94] 41

58 第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 在 2007 年 12 月, 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 体 系 设 计 与 施 工 关 键 技 术 研 究 - 综 合 报 告 中, 结 合 现 行 规 范 的 相 关 公 式, 提 出 了 带 型 钢 端 柱 及 钢 板 的 组 合 剪 力 墙 设 计 公 式 1) 承 载 力 计 算 公 式 对 于 偏 心 受 压 的 钢 - 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 斜 截 面 受 剪 承 载 力 按 下 列 公 式 进 行 计 算, 有 地 震 作 用 下 组 合 时 : V 1 1 Aw Ash f tbwhw N f y h + f a Aa + βf γ RE λ 0.5 A s λ λ 0. 5 p Ap 条 件 : 式 中 N - 剪 力 墙 的 轴 向 压 力 设 计 值, 当 N > 0.2 f c b w h w 时, 应 取 N = 0.2 f c b w h w ; A - 剪 力 墙 截 面 面 积 ; AW -T 形 或 I 形 截 面 剪 力 墙 腹 板 的 面 积, 矩 形 截 面 时 应 取 A; λ - 计 算 截 面 处 的 剪 跨 比 计 算 时, 当 λ <1.5 时, 取 λ =1.5, 当 λ >2.2 时, 取 λ =2.2; 当 计 算 截 面 与 墙 底 之 间 的 距 离 小 于 0.5h w 0 时,λ 应 按 距 离 墙 底 0.5h w 0 处 的 弯 矩 值 与 剪 力 值 计 算 ; s - 剪 力 墙 水 平 分 布 钢 筋 间 距 ; fa - 剪 力 墙 端 部 暗 柱 中 型 钢 的 屈 服 强 度 ; Aa - 剪 力 墙 一 端 柱 中 型 钢 截 面 面 积 ; f p - 剪 力 墙 墙 身 钢 板 的 屈 服 强 度 ; β - 反 应 墙 身 钢 板 与 周 围 构 件 连 接 关 系 的 系 数, 周 边 焊 接 时 β =1.0, 周 边 采 用 不 连 续 的 连 接 时, 可 按 β = 0.7ψ 计 算 ; ψ - 连 接 板 的 面 积 百 分 比 2) 受 剪 截 面 限 值 条 件 带 型 钢 端 柱 及 钢 板 的 组 合 剪 力 墙, 钢 筋 混 凝 土 部 分 承 担 的 剪 力 满 足 以 下 受 剪 截 面 控 制 有 地 震 作 用 下 组 合 时 : V 1 (0.2 β f b h ) cw c c w w0 γ RE V cw = V f a A γ λ RE a βf p A λ 0.5 p 0.2β f b h c c w w0 3) 钢 板 厚 度 限 值 42

59 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 带 型 钢 钢 板 的 组 合 剪 力 墙, 墙 厚 度 与 钢 板 厚 度 之 比 不 宜 小 于 15 组 合 钢 板 剪 力 墙 具 有 十 分 突 出 的 优 势, 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 结 构 形 式, 由 于 其 是 一 种 新 型 的 结 构 形 式, 国 内 尚 未 制 定 出 有 关 的 抗 震 设 计 规 定 中 国 建 筑 科 学 院 通 过 以 上 试 验 为 基 础, 为 该 构 件 的 设 计 提 供 了 一 定 的 依 据 工 程 研 究 组 合 钢 板 墙 在 北 美 和 日 本 的 地 震 区 已 经 得 到 了 应 用, 在 IBC/AISC [26][28] 和 日 本 规 范 中 已 经 包 含 了 相 关 规 定 组 合 钢 板 墙 被 定 义 为 由 钢 板 以 及 钢 板 一 侧 或 两 侧 的 钢 筋 混 凝 土 组 成 的 组 合 墙, 并 带 有 型 钢 或 组 合 构 件 作 为 边 界 构 件 在 钢 筋 混 凝 土 的 约 束 下, 组 合 钢 板 墙 的 整 个 钢 板 可 以 达 到 抗 剪 屈 服 强 度, 远 远 大 于 纯 钢 板 墙 只 有 在 对 角 受 拉 区 域 有 效 的 抗 剪 承 载 力 [27] 330 米 高 的 北 京 国 际 贸 易 中 心 三 期 塔 楼 A 是 国 内, 特 别 是 8 度 区 首 次 应 用 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 实 际 工 程, 采 用 了 组 合 支 撑 框 架 核 心 筒 和 组 合 周 边 刚 性 框 架 筒 的 结 构 形 式 [29][30], 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 于 其 核 心 筒 底 部, 主 要 是 起 抗 侧 力 作 用, 对 其 滞 回 性 能 的 比 较, 在 国 贸 三 期 工 程 设 计 研 究 中, 则 是 把 钢 板 和 混 凝 土 剪 力 墙 分 别 建 成 空 间 位 置 一 致 共 节 点 的 非 线 性 壳 单 元 钢 板 采 用 理 想 弹 塑 性 材 料, 采 用 Von Mises 准 则 作 为 屈 服 准 则 ; 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 采 用 非 线 性 壳 单 元 这 种 模 型 能 够 保 证 钢 板 与 混 凝 土 协 同 作 用 ( 变 形 协 调 ), 因 为 二 者 的 节 点 是 共 享 的, 并 且 单 元 的 插 值 函 数 一 致, 只 是 两 者 本 构 方 程 不 同, 因 而 单 元 内 应 力 不 同 如 图 3.1.1, 其 边 界 条 件 是 : 在 上 部 钢 梁 处 初 始 位 移 边 界 条 件, 其 位 移 加 载 曲 线 如 图 3.1.2a, 下 部 钢 梁 处 加 边 界 约 束 图 3.1.2b 是 参 考 文 献 [25] 中 组 合 钢 板 剪 力 墙 在 循 环 加 载 试 验 中 得 出 的 滞 回 曲 线, 图 3.1.2c 是 组 合 钢 板 剪 力 墙 在 循 环 加 载 数 值 模 拟 中 的 滞 回 曲 线, 两 者 非 常 相 似 图 3.1.2d 是 边 界 条 件 相 同, 但 不 含 钢 板 的 普 通 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 在 循 环 加 载 下 的 滞 回 曲 线, 比 较 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 滞 回 曲 线, 可 发 现 其 滞 回 曲 线 饱 满, 抗 剪 能 力 高, 其 抗 剪 强 度 大 约 是 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 抗 剪 强 度 的 5 倍, 具 有 很 好 的 延 性 图 钢 板 剪 力 墙 有 限 元 模 型 43

60 第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 (a) 位 移 加 载 曲 线 (b) 文 献 [10] 的 钢 板 剪 力 墙 滞 回 曲 线 (c) 钢 板 剪 力 墙 有 限 元 模 型 滞 回 曲 线 (d) 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 有 限 元 模 型 滞 回 曲 线 图 位 移 加 载 曲 线 及 滞 回 曲 线 3.2 本 工 程 核 心 筒 及 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 在 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 的 结 构 初 步 设 计 过 程 中, 作 为 超 高 层 的 混 合 结 构 建 筑, 在 其 核 心 筒 底 部 的 主 要 墙 体 内 设 置 了 组 合 钢 板 剪 力 墙, 构 件 设 计 在 借 鉴 了 国 贸 三 期 塔 楼 A 的 经 验 基 础 上, 结 合 了 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 对 组 合 钢 板 剪 力 墙 最 新 的 试 验 研 究 成 果 和 建 议 设 计 公 式 此 外, 由 于 该 建 筑 高 宽 比 较 大,X 方 向 刚 度 弱, 为 提 高 其 整 体 抗 侧 刚 度, 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 应 用 除 了 大 幅 度 改 善 核 心 筒 底 部 抗 剪 承 载 力 和 延 性 外, 由 于 钢 板 较 混 凝 土 更 高 的 弹 性 模 量, 从 而 更 高 效 的 提 供 了 刚 度, 降 低 了 墙 体 厚 度 和 结 构 自 重, 在 改 善 拉 弯 压 弯 抗 剪 轴 压 等 承 载 能 力 的 同 时, 起 到 了 多 重 的 效 果 以 下 详 细 介 绍 该 工 程 核 心 筒 及 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 设 计 情 况 : 本 工 程 抗 侧 力 体 系 由 三 部 分 组 成 : 核 心 筒 体 外 框 架 和 伸 臂 桁 架 及 腰 桁 架 核 心 筒 及 44

61 北 京 建 筑 工 程 学 院 硕 士 学 位 论 文 高 震 区 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 设 计 关 键 技 术 研 究 与 建 议 伸 臂 桁 架 布 置 如 图 所 示 图 核 心 筒 及 伸 臂 桁 架 布 置 图 ( 红 色 为 底 部 加 强 区 钢 板 剪 力 墙 分 布 区 域, 紫 色 为 钢 板 墙 局 部 过 渡 区 域 ) 组 合 钢 板 剪 力 墙 及 钢 暗 柱 布 置 形 式 核 心 筒 作 为 抗 侧 力 体 系 的 主 要 组 成 部 分 配 合 电 梯 井 进 行 布 置, 在 平 面 上 为 长 方 形, 从 基 础 向 上 一 直 延 伸 至 结 构 屋 顶, 仅 在 较 高 楼 层 南 北 方 向 尺 寸 减 小, 其 外 笼 尺 寸 约 为 42.3 米 15.9 米 ( 基 底 -44 层 ) 34.8 米 15.1 米 (45 层 - 屋 面 ) 核 心 筒 周 边 墙 体 厚 度 随 楼 层 高 度 增 加 而 缓 慢 减 小 (1300mm~600mm) 核 心 筒 承 担 竖 向 及 水 平 荷 载, 混 凝 土 提 供 了 很 高 的 结 构 刚 度, 在 水 平 荷 载 作 用 下 表 现 了 良 好 的 抗 扭 转 性 能 45