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
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
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
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
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
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
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
目 录 摘 要... I ABSTRACT... II 第 一 章 绪 论...1 1.1 选 题 背 景 和 意 义... 1 1.2 震 害 分 析... 2 1.3 理 论 研 究... 2 1.4 试 验 研 究... 3 1.5 工 程 应 用 及 体 系 选 型 进 展... 4 1.5.1 工 程 应 用 情 况... 4 1.5.2 结 构 体 系 选 型 和 应 用 进 展... 6 1.6 本 文 研 究 内 容 与 创 新... 9 第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果...11 2.1 工 程 概 述... 11 2.2 设 计 依 据... 11 2.3 控 制 参 数... 13 2.4 材 料... 13 2.5 荷 载 及 效 应... 14 2.5.1 地 震 作 用... 14 2.5.2 地 震 效 应 其 他 问 题... 16 2.5.3 风 荷 载... 17 2.6 结 构 超 限 检 查... 17 2.6.1 建 筑 高 度 和 高 宽 比... 17 2.6.2 平 面 规 则 性... 18 2.6.3 竖 向 规 则 性... 20 2.6.4 超 限 情 况 总 结... 22 2.7 结 构 体 系 概 述... 23 2.8 楼 面 体 系... 23 2.9 加 强 层 的 布 置... 24 2.10 整 体 弹 性 分 析 结 果... 25 2.10.1 分 析 模 型... 25 2.10.2 周 期 和 振 型... 26 2.10.3 基 底 剪 力... 28 2.10.4 楼 层 剪 力 分 布... 28 2.10.5 剪 重 比... 29 2.10.6 结 构 位 移... 29 2.11 舒 适 度 研 究... 31 2.12 加 强 层 研 究... 31 2.13 纯 钢 结 构 与 混 合 结 构 方 案 比 较 研 究... 34 2.13.1 主 要 目 的... 34 i
2.13.2 结 构 布 置...34 2.13.3 体 系 概 述...36 2.13.4 计 算 模 型 分 析 与 比 较...38 2.13.5 材 料 用 量 比 较...38 2.13.6 其 他 比 较...39 2.13.7 总 结...39 2.14 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... 41 3.1 组 合 钢 板 剪 力 墙 研 究 简 介...41 3.1.1 试 验 研 究...41 3.1.2 工 程 研 究...43 3.2 本 工 程 核 心 筒 及 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究...44 3.2.1 组 合 钢 板 剪 力 墙 及 钢 暗 柱 布 置 形 式...45 3.2.2 构 件 校 核 与 分 析 结 果...50 3.2.3 组 合 钢 板 墙 性 能 特 点 及 分 析...58 3.2.4 核 心 筒 主 要 计 算 及 构 造 措 施...59 3.2.5 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 分 析...60 3.3 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... 63 4.1 技 术 规 范 要 求...63 4.1.1 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程...63 4.1.2 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程...64 4.2 超 限 结 构 的 处 理...64 4.3 本 工 程 的 特 点 及 抗 震 超 限 措 施...64 4.4 外 框 架 结 构 选 型 和 柱 距 选 择...67 4.5 圆 钢 管 混 凝 土 柱 简 介...68 4.5.1 性 能 特 点...68 4.5.2 工 程 应 用...69 4.6 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 的 比 较...69 4.6.1 钢 管 混 凝 土 柱...70 4.6.2 型 钢 混 凝 土 柱...70 4.6.3 力 学 性 能...71 4.6.4 抗 震 性 能...73 4.6.5 节 点 施 工 及 防 火...73 4.6.6 小 结...74 4.7 钢 管 混 凝 土 的 其 他 关 键 问 题...75 4.7.1 梁 柱 节 点 的 合 理 选 择...75 4.7.2 混 凝 土 密 实 度 及 构 件 整 体 性 控 制...77 4.7.3 混 凝 土 浇 筑 形 式 的 选 择...77 4.7.4 防 火 性 能 及 涂 料 的 选 择...78 4.7.5 小 结...79 ii
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响...81 5.1 简 述... 81 5.2 常 规 设 计 以 及 其 内 力 调 整... 82 5.2.1 剪 力 墙... 82 5.2.2 框 架 柱... 83 5.3 中 震 设 计 要 求... 84 5.3.1 中 震 弹 性 设 计... 84 5.3.2 中 震 不 屈 服 设 计... 85 5.4 性 能 化 设 计 的 特 点... 85 5.5 本 工 程 的 特 点 及 措 施... 86 5.5.1 中 震 设 计... 86 5.5.2 地 震 工 况 及 内 力 调 整... 87 5.5.3 核 心 筒 墙 肢 中 震 弹 性 验 算... 87 5.5.4 钢 管 混 凝 土 柱 校 核... 90 5.5.5 性 能 化 设 计 的 比 较... 91 第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究...93 6.1 时 程 分 析 的 特 点... 93 6.2 技 术 规 范 要 求... 93 6.3 时 程 波 的 选 取 与 调 整... 94 6.3.1 地 震 动 强 度... 95 6.3.2 地 震 动 谱 特 征... 95 6.3.3 地 震 动 持 续 时 间... 95 6.4 超 限 高 层 的 时 程 分 析... 96 6.5 本 工 程 小 震 弹 性 时 程 分 析 情 况 与 特 点... 96 6.5.1 时 程 波 的 选 取... 96 6.5.2 地 震 时 程 反 应 分 析 结 果... 98 6.6 罕 遇 地 震 弹 塑 性 分 析 评 估 与 设 计 建 议... 101 6.6.1 分 析 内 容 和 目 标... 101 6.6.2 分 析 方 法 和 步 骤... 101 6.6.3 单 元 模 型 和 材 料 本 构 关 系... 102 6.6.4 安 全 评 估 方 法... 102 6.6.5 弹 塑 性 分 析 与 弹 性 分 析 结 果 的 对 比 与 分 析... 104 6.6.6 本 工 程 弹 塑 性 分 析 结 果 对 弹 性 设 计 的 对 比 与 反 馈... 105 第 七 章 结 论 与 展 望...109 7.1 设 计 建 议 与 总 结... 109 7.2 展 望... 110 7.2.1 外 框 架 剪 力 分 配 及 调 整 性 能 化 设 计... 110 7.2.2 复 杂 结 构 分 析 数 据 的 后 处 理... 111 7.2.3 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 高 层 分 类 与 高 度 限 值... 112 参 考 文 献...113 致 谢...117 iii
作 者 简 介... 119 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 初 步 设 计 和 超 限 审 查 工 作 简 介... 121 iv
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
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
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
第 一 章 绪 论 1.5 工 程 应 用 及 体 系 选 型 进 展 1.5.1 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 1.5.1 列 出 了 部 分 250 米 以 上, 有 代 表 性 的 建 筑 : 表 1.5.1 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 2004 509 101 混 合 结 构 4
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 2008 492 101 混 合 结 构 马 来 西 亚 双 子 星 塔 1998 452 88 混 合 结 构 上 海 金 茂 大 厦 1999 421 88 混 合 结 构 香 港 国 际 金 融 中 心 二 期 2003 415 88 混 合 结 构 迪 拜 Empire State Building 1999 355 54 混 合 结 构 迪 拜 蔷 薇 大 厦 2007 333 72 混 合 结 构 美 国 费 城 Comcast 中 心 2008 297 57 混 合 结 构 上 海 香 港 新 世 界 中 心 2002 278 61 混 合 结 构 广 州 大 鹏 国 际 广 场 2006 269 56 混 合 结 构 莫 斯 科 Naberezhnaya Tower c 2007 266 61 混 合 结 构 多 哈 体 育 城 市 大 厦 2006 300 36 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 1.5.2 表 1.5.2 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 2012 612 118 混 合 结 构 纽 约 世 贸 中 心 2011 541 82 混 合 结 构 香 港 环 球 贸 易 广 场 2010 484 106 混 合 结 构 南 京 绿 地 紫 峰 大 厦 2009 450 69 混 合 结 构 广 州 西 塔 2009 432 103 混 合 结 构 韩 国 仁 川 东 北 亚 贸 易 大 厦 2010 305 70 混 合 结 构 土 耳 其 伊 斯 兰 堡 之 钻 2009 268 53 混 合 结 构 上 海 国 际 金 融 中 心 2011 260 60 混 合 结 构 杭 州 财 富 金 融 中 心 2009 258 55 混 合 结 构 大 连 国 际 贸 易 中 心 341 78 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
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 1.5.2 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
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 1.5.1 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 1.5.2 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 10 35 60 处 共 设 置 了 三 个 加 强 层, 见 图 1.5.3 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
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 1.5.3 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 1.5.4 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
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 1.5.4 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
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
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 2.1.1 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 2.2.1 设计规范依据 1 建筑结构设计术语和符号标准 GB/T50083-97 工程结构设计基本术语和通用符号 GBJ132-90 建筑抗震设防分类标准 GB50223-2004 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001 11
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 建 筑 结 构 荷 载 规 范 GB50009-2001(2006 年 版 ) 建 筑 抗 震 设 计 规 范 GB50011-2001(2008 版 ) 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 GB50010-2002 钢 结 构 设 计 规 范 GB50017-2003 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 范 JGJ3-2002 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 GB50007-2002 型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 JGJ138-2001 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 GB50108-2001 建 筑 结 构 用 钢 板 GB/T19879-2005 绿 色 建 筑 评 价 标 准 GB/T50378-2006 中 国 规 范 不 能 涵 盖 的 内 容, 参 考 了 以 下 国 际 规 范 : 表 2.2.2 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 356-2000 混 凝 土 建 筑 抗 震 评 估 及 改 造 ATC 40-1996 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 (CECS230-2008) [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 2 2 2 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
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 2.3.1 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 0 1.0 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 JGJ3-2002 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 第 11.1.2 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 (GB50223-2008) [54] 中 将 乙 类 建 筑 的 使 用 人 数 标 准 从 10000 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 0.4 2.4 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 (GB50010-2002) 和 钢 结 构 设 计 规 范 (GB 50017-2003) 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 2.4.1 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 16 345/310 180 400 > 16 ~ 35 345~455/310 175 400 13
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 > 35 ~ 50 335~445/304 170 400 > 50 ~ 100 325~435/295 170 400 16 390/350 205 415 Q390GJ >16~35 390/350 205 415 >35~50 380/345 205 415 >50~100 370/335 200 415 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 2.5.1 地 震 作 用 抗 震 设 计 主 要 依 据 中 国 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB 50011-2001) 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
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 2.5.1 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% 50 70 0.16 65 0.166 10% 475 200 0.46 212 0.541 2% 2475 400 0.90 394 1.005 Horizontal Force Coefficient, α 地 震 影 响 系 数 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 多 遇 地 震 Tg=0.37s (GB50011-2001) 设 防 烈 度 Tg=0.37s (GB50011-2001) 罕 遇 地 震 Tg=0.42s (GB50011-2001) 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 ) 0 0 1 2 3 4 5 6 周 期 /Period (s) 图 2.5.1 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 (GB50011-2001) 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
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 2.5.2 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 : 2 2 2 2 ( 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
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 2.5.3 风 荷 载 根 据 建 筑 结 构 荷 载 规 范 (GB 50009-2001), 风 荷 载 根 据 以 下 参 数 计 算 : 表 2.5.2 北 京 地 区 不 同 重 现 期 风 荷 载 标 准 10 年 一 遇 基 本 风 压 ω 0 0.30 kn / m 50 年 一 遇 基 本 风 压 ω 0 0.45 kn / m 100 年 一 遇 基 本 风 压 ω 0 0.50 kn / m 2 2 2 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 0.50 2 kn / m 此 外 本 工 程 由 BMT 公 司 进 行 有 关 风 洞 试 验 风 洞 试 验 与 GB50009-2001 计 算 的 底 部 剪 力 相 比 较, 两 者 基 本 相 当 详 见 图 2.5.2 竖 向 荷 载 本 文 略 图 2.5.2 风 洞 试 验 及 与 国 标 比 较 楼 层 剪 力 结 果 2.6 结 构 超 限 检 查 2.6.1 建 筑 高 度 和 高 宽 比 根 据 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ 3-2002), 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 263.65 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
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 残 疾 人 卫 生 间 图 2.6.1 标 准 层 建 筑 平 面 布 置 图 2.6.2 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
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% 50 50 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0 0.80 1.00 1.20 1.40 0.80 1.00 1.20 1.40 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 2.6.2 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% 50 50 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0 0.80 1.00 1.20 1.40 0.80 1.00 1.20 1.40 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 2.6.3 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
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 2.6.3 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] 50 50 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 X 向 层 间 刚 度 比 (ETABS) Y 向 层 间 刚 度 比 (ETABS) 图 2.6.4 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
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 60 50 Vxi/Vxi+1 Vyi/Vyi+1 规 范 限 值 40 楼 层 30 20 10 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 层 间 抗 剪 承 载 力 比 图 2.6.5 层 间 抗 剪 承 载 力 比 沿 楼 层 分 布 21
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 2.6.4 超 限 情 况 总 结 22
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 10-15 米 之 间, 典 型 楼 层 楼 面 梁 布 置 见 图 2.10.1 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 2.8.1 组 合 楼 面 系 统 23
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 2.8.2 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 2.9.1 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
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 2.9.1 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 2.10.1 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
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 2.10.1 显 示 了 SATWE 和 ETABS 整 体 模 型 图 2.10.1 结 构 有 限 元 模 型 2.10.2 周 期 和 振 型 1 结 构 自 振 周 期 表 2.10.1 SATWE 结 构 自 振 周 期 振 型 周 期 转 角 平 动 (X+Y) 扭 转 系 数 1 5.496 179.57 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 2 4.798 89.65 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 3.299 31.36 0.00 ( 0.00+0.00 ) 1.00 4 1.547 90.22 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 5 1.347 0.13 0.99 ( 0.99+0.00 ) 0.01 26
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 6 1.049 20.45 0.01 ( 0.01+0.00 ) 0.99 7 0.869 90.16 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 8 0.625 89.05 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 9 0.604 176.03 0.60 ( 0.60+0.00 ) 0.40 10 0.575 1.79 0.40 ( 0.40+0.00 ) 0.60 11 0.426 89.90 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 12 0.407 168.51 0.03 ( 0.03+0.00 ) 0.97 13 0.353 179.74 0.97 ( 0.97+0.00 ) 0.03 14 0.347 88.76 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 15 0.290 90.09 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 表 2.10.2 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 1 5.530 64.96 0.03 0.00 0.05 98.07 0.28 2 4.833 0.03 71.91 0.00 99.65 0.04 0.03 3 3.603 0.20 0.02 0.00 0.03 0.28 73.09 4 1.589 0.01 13.65 0.00 0.05 0.00 0.00 5 1.364 16.39 0.01 0.00 0.00 1.14 0.19 6 1.137 0.40 0.01 0.00 0.00 0.03 10.81 7 0.892 0.00 4.44 0.00 0.16 0.00 0.00 8 0.638 0.05 2.69 0.00 0.02 0.00 0.24 9 0.631 0.84 0.16 0.00 0.00 0.04 3.85 10 0.575 5.23 0.00 0.00 0.00 0.24 0.71 11 0.431 0.00 1.01 0.00 0.01 0.00 0.01 12 0.416 0.08 0.00 0.00 0.00 0.00 3.75 13 0.351 0.01 0.97 0.00 0.01 0.00 0.00 14 0.338 4.21 0.00 0.00 0.00 0.09 0.09 15 0.291 0.00 0.67 0.00 0.00 0.00 0.00 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
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 2.10.3 基 底 剪 力 表 2.10.3 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) 54068 55336 30690 20182 倾 覆 弯 据 (MN.m) 7906 8948 4732 3114 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) 52259 53641 31282 20889 倾 覆 弯 据 (MN.m) 8105 9064 4947 3150 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 ) 2.10.4 楼 层 剪 力 分 布 60 50 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) 60 50 EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 0 0 10 20 30 40 50 60 楼 层 剪 力 (MN) 楼 层 剪 力 (MN) 图 2.10.2 地 震 作 用 下 楼 层 剪 力 分 布 28
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 2.10.5 剪 重 比 60 60 50 50 楼 层 40 30 20 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) 规 范 限 值 :2.4% 楼 层 40 30 20 EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 规 范 限 值 :2.4% 10 10 0 0% 2% 4% 6% 8% 10% 剪 重 比 0 0% 2% 4% 6% 8% 10% 剪 重 比 图 2.10.3 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 3.3.13 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 2.10.6 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 2.10.4 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) 345 263 196 89 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) 337 264 201 99 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
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 60 60 楼 层 50 楼 层 50 40 40 30 30 20 20 10 0 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 层 间 位 移 比 EQ-X(SATWE) EQ-Y(SATWE) 规 范 限 值 10 0 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 层 间 位 移 比 EQ-X(ETABS) EQ-Y(ETABS) 规 范 限 值 图 2.10.4 地 震 作 用 下 层 间 位 移 比 曲 线 60 60 楼 层 50 楼 层 50 40 40 30 30 20 EQ-X(SATWE) 20 EQ-X(ETABS) 10 EQ-Y(SATWE) 10 EQ-Y(ETABS) 0 0 100 200 300 400 最 大 楼 层 位 移 (mm) 0 0 100 200 300 400 最 大 楼 层 位 移 (mm) 图 2.10.5 地 震 作 用 下 楼 层 位 移 曲 线 30
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 0.0122m/s 2, 当 阻 尼 为 2% 时 为 0.086m/s 2, 满 足 规 范 要 求 图 2.11.1 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 2.12.1 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
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 60 50 不 含 加 强 层 40 楼 层 30 含 加 强 层 规 范 限 值 20 10 0 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 位 移 角 图 2.12.1 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 2.12.2 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 2.12.2 伸 臂 桁 架 立 面 展 开 图 32
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 2.12.3 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 2.12.3 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 2.12.4 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 2.12.4 U 形 环 桁 架 立 面 布 置 图 ( 显 示 对 称 边 ) 33
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 2.13.1 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 2.13.2 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 2.13.2-1 所 示, 钢 结 构 布 置 如 图 2.13.2-2 核 心 筒 伸 臂 桁 架 和 腰 桁 架 周 边 框 架 ( 柱 子 及 边 梁 ) 图 2.13.1-1 混 合 结 构 方 案 34
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 2.13.2-2 钢 结 构 方 案 两 个 方 案 其 加 强 层 布 置 如 图 2.13.3 所 示 a) 混 合 结 构 方 案 b) 纯 钢 结 构 方 案 图 2.13.3 伸 臂 桁 架 加 强 层 布 置 35
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 2.13.3 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
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 2.13.1 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
第 二 章 背 景 工 程 及 分 析 结 果 2.13.4 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 2.13.2 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 0.85 0.679, 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 ) 204000 ton 139000 ton 2.13.5 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 2.13.3 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 3 20800m 3 钢 材 * 筏 板 总 计 22500 ton 31100 ton 平 均 150 kg/m 2 207 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
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 275 188 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 2.13.6 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 2.13.4 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 ) 4.5 3.5 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 2.13.7 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
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
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 3.1.1 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
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 0.25 0.5 0.4 f tbwhw0 + 0.1N + 0.8 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 + 0.2 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 1 0.25 = V f a A γ λ RE a 0.5 + βf p A λ 0.5 p 0.2β f b h c c w w0 3) 钢 板 厚 度 限 值 42
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 3.1.2 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 3.1.1 钢 板 剪 力 墙 有 限 元 模 型 43
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 3.1.2 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
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 3.2.1 所 示 图 3.2.1 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 ) 3.2.1 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
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 (a) 底 部 加 强 楼 层 剪 力 墙 示 意 (b) 非 加 强 楼 层 剪 力 墙 示 意 图 3.2.2 钢 暗 柱 及 钢 板 剪 力 墙 示 意 图 本 工 程 在 各 剪 力 墙 内 部 设 置 了 暗 钢 柱 及 暗 钢 梁, 暗 钢 柱 及 暗 钢 梁 可 有 效 约 束 钢 板 剪 力 墙 中 的 钢 板, 充 分 发 挥 钢 板 的 承 载 能 力, 如 图 3.2.2 所 示 钢 暗 柱 自 身 对 剪 力 墙 的 压 弯 拉 弯 承 载 力 也 有 明 显 增 强 以 本 结 构 北 部 墙 肢 为 例, 如 图 3.2.3 比 较 结 果 显 示, 加 设 图 示 形 状 6% 的 暗 钢 柱 使 得 墙 体 的 承 载 力 得 到 了 明 显 增 强 加 钢 暗 柱 不 加 钢 暗 柱 1400 1200 P(MN) 加 钢 暗 柱 不 加 钢 暗 柱 1400 1200 P(MN) 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 M(MN.m) 0-1000 -500 0 500 1000-200 -400-600 是 否 加 钢 暗 柱 承 载 力 比 较 (P-Mxx) (a) 底 部 加 强 楼 层 剪 力 墙 示 意 200 M(MN.m) 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000-200 -400-600 是 否 加 钢 暗 柱 承 载 力 比 较 (P-Myy) (b) 非 加 强 楼 层 剪 力 墙 示 意 图 3.2.3 是 否 加 设 钢 暗 柱 承 载 力 比 较 46
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 基 底 至 首 层 核 心 筒 墙 体 二 十 六 至 二 十 七 层 核 心 筒 体 墙 体 二 至 十 六 层 核 心 筒 墙 体 十 七 至 十 九 层 核 心 筒 体 墙 体 图 3.2.4 核 心 筒 钢 板 剪 力 墙 及 钢 暗 柱 布 置 图 ( 一 ) 二 十 至 二 十 五 层 二 十 八 层 核 心 筒 体 墙 体 47
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 48 二 十 九 至 三 十 四 层 三 十 五 至 四 十 四 十 三 四 十 一 至 四 十 二 层 四 十 五 至 五 十 五 层 五 十 六 至 顶 层 核 心 筒 体 墙 体 至 四 十 四 层 核 心 筒 体 墙 体 核 心 筒 体 墙 体 核 心 筒 体 墙 体 核 心 筒 体 墙 体 图 3.2.5 核 心 筒 钢 板 剪 力 墙 及 钢 暗 柱 布 置 图 ( 二 )
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 图 3.2.6 是 否 加 设 钢 暗 柱 承 载 力 比 较 49
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 表 3.2.1 核 心 筒 墙 体 ( 含 钢 板 剪 力 墙 ) 列 表 楼 层 标 高 Q1(Q1a) Q2 Q3 Q4 混 凝 土 (m) (mm) (mm) (mm) (mm) 材 料 F51~Roof +231.00~+263.65 600 600 C50 F45~F50 +205.92~+231.65 700 700 F29~F44 +134.32~+205.92 800 600 800 F20~F28 +90.98~+134.32 900 500 900 F17~F19 +78.44~+90.98 1000T20 1000(1000T20) C60 F2~F16-0.10~+78.44 1000T35 1000T35 600T35 B4~F1-18.50~-0.10 1000T35(50) 1200T50 1000T35 表 示 剪 力 墙 厚 1000mm, 其 中 内 嵌 钢 板 35mm 3.2.2 构 件 校 核 与 分 析 结 果 1) 轴 压 比 图 3.2.7 底 层 墙 柱 轴 压 比 平 面 示 意 图 由 图 3.2.7 所 示, 所 有 楼 层 剪 力 墙 轴 压 比 均 可 控 制 在 约 0.40 范 围 内 ( 此 数 据 为 SATWE 50
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 输 出 结 果, 底 部 墙 体 根 据 抗 弯 刚 度 等 效 的 原 则 将 组 合 钢 板 剪 力 墙 进 行 折 算, 因 此 其 轴 压 比 数 值 需 相 应 折 减 ), 最 终 满 足 高 规 特 一 级 剪 力 墙 乙 类 建 筑 的 设 计 要 求 由 于 首 层 层 高 较 高, 层 刚 度 比 及 框 架 承 担 剪 力 比 两 项 指 标 出 现 不 利 变 化, 且 钢 管 混 凝 土 柱 出 现 约 15m 跃 层, 承 载 力 因 长 细 比 加 大 发 生 明 显 削 弱 因 此, 根 据 计 算 结 果, 在 结 构 设 计 中 对 首 层 核 心 筒 外 围 墙 体 及 底 部 跃 层 框 架 柱 截 面 适 当 加 大 ( 核 心 筒 大 部 分 外 墙 截 面 由 1000mm 增 加 至 1200mm, 圆 钢 管 混 凝 土 柱 由 直 径 1300mm 增 加 至 1600mm) 根 据 建 筑 布 局, 底 层 核 心 筒 略 偏 向 北 侧, 为 控 制 底 部 X 向 位 移 比, 减 轻 结 构 扭 转 效 应, 将 南 北 两 侧 底 层 的 钢 板 剪 力 墙 进 行 了 调 整 : 北 侧 钢 板 剪 力 墙 Q1a 厚 度 保 持 1000T35, 将 南 侧 墙 体 Q1 厚 度 调 整 为 1300mm, 钢 板 厚 度 调 整 为 50mm 计 算 结 果 表 明 底 层 X 向 的 平 面 规 则 性 有 了 明 显 改 善,X 向 楼 层 及 层 间 扭 转 位 移 比 最 大 值 均 小 于 1.3 层 刚 度 比 墙 柱 轴 压 比 以 及 钢 管 混 凝 土 抗 力 也 得 到 了 明 显 改 善 图 3.2.8 第 37 层 墙 柱 轴 压 比 平 面 示 意 图 由 图 3.2.8 显 示 核 心 筒 外 围 主 要 墙 肢 轴 压 比 在 建 筑 第 37 层 时 大 致 处 于 0.2~0.25 范 围, 根 据 专 家 建 议, 约 束 边 缘 构 件 设 置 范 围 将 以 此 为 依 据 进 行 设 计 51
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 2) 抗 剪 承 载 力 验 算 在 本 工 程 初 步 设 计 以 及 超 限 审 查 期 间, 根 据 大 震 条 件 下 计 算 模 型 输 出 的 内 力 组 合 结 果, 将 L1-L19 层 主 要 钢 板 剪 力 墙 的 墙 肢 进 行 了 抗 剪 承 载 力 验 算 钢 板 剪 力 墙 主 要 墙 肢 编 号 如 图 3.2.9 所 示, 各 墙 肢 受 剪 承 载 力 使 用 率 沿 楼 层 的 分 布 如 图 3.2.10 所 示 分 析 结 果 表 明, 在 截 面 不 变 条 件 下, 越 到 下 层 地 震 剪 力 越 大, 因 此 组 合 钢 板 剪 力 墙 X 向 主 要 墙 肢 的 受 剪 承 载 力 使 用 率 由 上 层 至 下 层 逐 渐 增 加 H 墙 肢 首 层 由 于 墙 厚 及 钢 板 均 加 大, 抗 剪 承 载 力 明 显 提 高, 因 此 受 剪 承 载 力 使 用 率 降 低 L17-L19 层 由 于 钢 板 减 薄 ( 过 渡 层 ), 抗 剪 承 载 力 减 小, 因 此 受 剪 承 载 力 使 用 率 增 高 加 强 层 处 由 于 腰 桁 架 多 分 担 了 一 部 分 剪 力, 墙 肢 所 受 剪 力 减 小, 因 此 使 用 率 也 较 低 所 验 算 各 墙 肢 受 剪 承 载 力 使 用 率 均 在 50% 以 下, 可 满 足 截 面 抗 剪 大 震 不 屈 服 的 设 计 要 求 图 3.2.9 组 合 钢 板 剪 力 墙 分 布 示 意 19 18 17 16 15 19 18 17 16 15 14 13 12 14 13 12 楼 层 11 10 9 楼 层 11 10 9 8 7 6 8 7 6 5 4 3 A 墙 抗 剪 承 载 力 使 用 率 2 1 0% 10% 20% 30% 40% 50% 5 4 3 H 墙 抗 剪 承 载 力 使 用 率 2 1 0% 10% 20% 30% 40% 50% 最 大 剪 力 / 抗 剪 承 载 力 最 大 剪 力 / 抗 剪 承 载 力 52
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 楼 层 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 B 墙 抗 剪 承 载 力 使 用 率 2 1 0% 10% 20% 30% 40% 楼 层 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 G 墙 抗 剪 承 载 力 使 用 率 2 1 0% 10% 20% 30% 40% 最 大 剪 力 / 抗 剪 承 载 力 最 大 剪 力 / 抗 剪 承 载 力 图 3.2.10 组 合 钢 板 剪 力 墙 抗 剪 承 载 力 验 算 结 果 3) 混 凝 土 剪 力 墙 受 剪 截 面 控 制 条 件 验 算 为 保 证 大 震 下 剪 力 墙 不 发 生 剪 压 破 坏, 在 考 虑 大 震 荷 载 组 合 作 用 下, 对 普 通 混 凝 土 剪 力 墙 的 截 面 进 行 了 验 算 根 据 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) 中 7.2.2 条 要 求, 在 考 虑 大 震 荷 载 组 合 作 用 下, 剪 力 墙 的 受 剪 截 面 应 符 合 下 列 要 求 : 1 剪 跨 比 大 于 2.5 时 : Vw 0.2 βc fcbwhw 0 γ 1 剪 跨 比 不 大 于 2.5 时 : Vw 0.15 βc fcbwhw 0 γ RE RE 其 中 大 震 下 普 通 混 凝 土 墙 所 受 剪 力 根 据 大 震 反 应 谱 的 弹 性 计 算 得 到, 并 根 据 弹 塑 性 时 程 分 析 所 得 基 底 剪 力 与 弹 性 反 应 谱 所 得 基 底 剪 力 的 比 值 进 行 了 调 整, 在 一 定 程 度 上 考 虑 了 结 构 弹 塑 性 变 形 对 结 果 的 影 响 通 过 比 较 剪 力 墙 截 面 中 的 最 大 剪 力 与 剪 力 墙 抗 震 截 面 破 坏 条 件 即 可 验 算 其 截 面 是 否 满 足 要 求 主 要 混 凝 土 剪 力 墙 墙 肢 编 号 如 图 3.2.11 所 示, 各 墙 肢 在 不 同 楼 层 中 最 大 剪 力 与 剪 力 墙 抗 震 截 面 破 坏 条 件 的 比 较 如 图 3.2.12 所 示 结 果 表 明 除 伸 臂 桁 架 所 在 层 外, 混 凝 土 剪 力 墙 各 主 要 墙 肢 均 可 满 足 大 震 截 面 抗 剪 验 算 的 控 制 条 件 与 伸 臂 桁 架 相 连 的 剪 力 墙 由 于 内 部 设 有 暗 桁 架, 受 力 情 况 较 为 复 杂, 设 计 时 根 据 不 同 情 况 采 用 了 型 钢 ( 钢 筋 ) 暗 撑 的 加 强 措 施 53
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 图 3.2.11 混 凝 土 剪 力 墙 分 布 示 意 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 A 墙 最 大 剪 力 H 墙 最 大 剪 力 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 B 墙 最 大 剪 力 G 墙 最 大 剪 力 50 50 40 40 楼 层 楼 层 30 30 20 20 10 10 0 0 2000 4000 6000 8000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 54
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 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 C 墙 最 大 剪 力 E 墙 最 大 剪 力 F 墙 最 大 剪 力 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 V1 墙 最 大 剪 力 V2 墙 最 大 剪 力 50 50 40 40 楼 层 楼 层 30 30 20 20 10 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 0 0 2000 4000 6000 8000 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 V3 墙 最 大 剪 力 V4 墙 最 大 剪 力 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 V5 墙 最 大 剪 力 V6 墙 最 大 剪 力 V7 墙 最 大 剪 力 50 50 40 40 楼 层 楼 层 30 30 20 20 10 10 0 0 2000 4000 6000 8000 0 0 2000 4000 6000 8000 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 55
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 V8 墙 最 大 剪 力 V9 墙 最 大 剪 力 70 60 抗 剪 截 面 破 坏 条 件 V10 墙 最 大 剪 力 V11 墙 最 大 剪 力 50 50 40 40 楼 层 楼 层 30 30 20 20 10 10 0 0 2000 4000 6000 8000 0 0 2000 4000 6000 8000 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 单 位 长 度 剪 力 (kn/m) 图 3.2.12 混 凝 土 剪 力 墙 截 面 抗 剪 控 制 条 件 验 算 4) 剪 力 墙 压 弯 承 载 力 校 核 加 强 区 剪 力 墙 按 大 震 不 屈 服 控 制, 此 处 对 其 压 弯 承 载 力 进 行 了 验 算 其 中 首 层 至 十 九 层 设 有 部 分 组 合 钢 板 剪 力 墙, 以 上 各 层 为 混 凝 土 剪 力 墙, 墙 肢 布 置 与 图 3.2.11 相 同 本 文 特 以 首 层 各 墙 肢 为 例, 介 绍 其 验 算 结 果 Capacity-P-Mx 1600 Capacity-P-My P-Mx P-My 1200 P(MN) Capacity-P-Mx 1200 Capacity-P-My P-Mx 1000 P-My 800 P(MN) 800 600 400 400 200 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000 M(MN.m) -400 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000-200 M(MN.m) -400-800 首 层 墙 肢 A 压 弯 校 核 -600 首 层 墙 肢 B 压 弯 校 核 56
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 Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 700 600 500 P(MN) Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 350 300 250 P(MN) 400 300 200 100 0-2000 -1000 0 1000 2000-100 M(MN.m) -200-300 首 层 墙 肢 C 压 弯 校 核 200 150 100 50 0-200 -100 0 100 200-50 M(MN.m) -100-150 -200 首 层 墙 肢 D 压 弯 校 核 Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 600 500 P(MN) Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 800 P(MN) 400 300 400 200 100 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 M(MN.m) -100 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000 M(MN.m) -200 首 层 墙 肢 E 压 弯 校 核 -400 首 层 墙 肢 F 压 弯 校 核 57
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 Capacity-P-Mx 1200 Capacity-P-My P(MN) Capacity-P-Mx 2000 Capacity-P-My P(MN) P-Mx P-Mx P-My 900 P-My 1600 600 1200 800 300 400 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000 0-6000 -4000-2000 0 2000 4000 6000-300 M(MN.m) -400 M(MN.m) -600-800 首 层 墙 肢 G 压 弯 校 核 首 层 墙 肢 H 压 弯 校 核 图 3.2.13 首 层 墙 肢 大 震 不 屈 服 压 弯 承 载 力 校 核 3.2.3 组 合 钢 板 墙 性 能 特 点 及 分 析 本 工 程 在 基 础 底 部 至 地 上 十 九 层 范 围 内 核 心 筒 内 的 主 要 墙 体 设 置 了 钢 板 剪 力 墙 钢 板 剪 力 墙 占 用 面 积 小 抗 剪 能 力 强, 且 能 更 高 效 率 提 供 抗 侧 刚 度 关 于 钢 板 剪 力 墙 的 设 计, 本 工 程 根 据 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 2007 年 12 月 所 作 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 考 虑 了 钢 板 型 钢 暗 柱 水 平 向 钢 筋 以 及 钢 筋 混 凝 土 共 同 承 担 剪 力, 具 有 如 下 特 点 : 因 为 抗 剪 承 载 力 由 钢 板 暗 柱 内 的 型 钢 以 及 钢 筋 混 凝 土 墙 的 剪 切 强 度 提 供, 与 纯 钢 筋 混 凝 土 墙 体 相 比, 抗 剪 承 载 力 大 大 提 高 ; 钢 板 本 身 的 剪 切 强 度 也 远 大 于 同 样 厚 度 的 钢 板 剪 力 墙, 因 为 后 者 在 斜 拉 / 压 屈 曲 后 抗 剪 能 力 主 要 由 受 拉 对 角 的 拉 应 力 提 供, 而 前 者, 由 于 混 凝 土 墙 体 约 束 了 钢 板 的 屈 曲, 钢 板 可 以 全 截 面 达 到 剪 切 强 度 ; 钢 板 亦 承 担 少 部 分 弯 矩 和 轴 力 另 一 方 面, 混 凝 土 墙 体 的 作 用 是 : 58
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 1 约 束 钢 板 的 屈 服 ; 2 提 供 轴 向 和 抗 弯 抗 剪 刚 度, 承 担 轴 力 弯 矩 和 一 部 分 剪 力 ; 3 提 供 良 好 的 防 火 保 温 和 隔 声 性 能 (a) 剪 力 墙 单 元 处 于 纯 剪 受 力 状 态 (b) 剪 力 墙 单 元 处 于 斜 拉 受 力 状 态 图 3.2.14 钢 板 抗 剪 能 力 (a) 组 合 钢 板 剪 力 墙 (b) 钢 板 剪 力 墙 图 3.2.15 核 心 筒 底 部 加 强 区 剪 力 墙 内 钢 板 及 暗 钢 梁 柱 立 面 布 置 图 3.2.4 核 心 筒 主 要 计 算 及 构 造 措 施 剪 力 墙 和 剪 力 墙 组 成 的 筒 体 承 担 了 大 部 分 的 水 平 剪 力, 应 保 证 混 凝 土 墙 体 具 有 足 够 的 延 性 初 步 设 计 阶 段 主 要 抗 震 措 施 包 括 : 59
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 1 根 据 规 范 要 求, 核 心 筒 抗 震 等 级 为 特 一 级 将 底 部 加 强 区 高 度 较 高 规 要 求 提 高 至 16 层, 其 主 要 墙 体 内 增 设 钢 板, 保 证 底 部 墙 体 中 震 抗 性 能 设 计 剪 要 求 2 在 钢 板 剪 力 墙 周 边 适 当 提 高 暗 钢 梁 柱 截 面 尺 寸, 形 成 对 钢 板 的 嵌 固 及 约 束, 以 有 效 发 挥 钢 板 抗 剪 力 承 载 力 及 延 性 性 能, 同 时 可 提 供 较 大 的 抗 侧 刚 度, 提 高 了 墙 的 压 弯 承 载 力, 减 小 剪 力 墙 体 截 面 厚 度 3 核 心 筒 所 有 墙 体 满 足 中 震 受 剪 截 面 弹 性 设 计 条 件 4 核 心 筒 各 片 墙 体 转 角 及 边 缘 处 均 埋 设 实 腹 式 钢 柱 并 在 每 层 与 墙 内 暗 钢 梁 连 接, 提 供 较 好 延 性 保 证 各 墙 肢 下 压 弯 以 及 拉 弯 中 震 弹 性 5 严 格 控 制 剪 力 墙 轴 压 比 6 将 加 强 区 及 以 上 至 第 37 层 主 要 墙 肢 ( 至 轴 压 比 小 于 0.2-0.25) 暗 柱 按 照 约 束 边 缘 构 件 进 行 设 计 并 相 应 提 高 暗 柱 体 积 配 箍 率 及 相 应 构 造 要 求 3.2.5 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 分 析 由 ARUP 设 计 并 完 成 结 构 施 工 的 北 京 国 贸 3 期 塔 楼 是 首 个 采 用 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 建 筑, 此 后 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 以 及 天 津 嘉 里 中 心 公 寓 楼 在 设 计 中 亦 引 入 了 组 合 钢 板 剪 力 墙 作 为 核 心 筒 底 部 加 强 区 墙 体 的 构 件 选 型 国 贸 三 期 主 体 结 构 已 经 施 工 完 成, 国 内 在 钢 板 剪 力 墙 施 工 方 面 积 累 了 一 定 经 验, 见 图 3.2.16 图 3.2.16 北 京 国 贸 三 期 组 合 钢 板 剪 力 墙 现 场 施 工 组 合 钢 板 剪 力 墙 除 具 有 优 异 的 力 学 性 能 外, 由 于 钢 的 弹 性 模 量 206 10 3 N/mm 2 较 混 凝 土 ( 以 C60 为 例 17 10 3 N/mm 2 ) 高 12.1 倍 而 钢 容 重 78kN/m³ 较 混 凝 土 25kN/m³ 仅 高 3.12 倍, 因 此 在 超 高 层 混 合 结 构 中, 在 降 低 墙 体 轴 压 比 减 小 墙 体 厚 度 及 自 重 降 低 基 础 造 价 等 方 面 有 着 一 系 列 的 优 势 以 本 工 程 为 例, 其 核 心 筒 底 部 主 要 墙 体 应 用 组 合 钢 板 剪 力 墙, 典 型 墙 肢 构 造 为 1000T35, 即 墙 体 厚 度 为 1000m, 内 嵌 钢 板 厚 度 为 35mm, 钢 板 采 用 Q345GJ, 如 以 普 通 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 替 换, 混 凝 土 强 度 按 照 等 效 抗 弯 刚 度 原 则, 墙 体 厚 度 为 1165, 两 者 比 对 分 析 结 果 如 下 表 所 示 60
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 表 3.2.2 组 合 钢 板 剪 力 墙 与 普 通 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 刚 度 等 效 变 换 组 合 钢 板 剪 力 墙 CSPW: 1000T35 普 通 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 RCW 材 料 混 凝 土 C60 C60 型 钢 Q345GJ - 墙 体 厚 度 (mm) 1000 1165 2 等 效 弹 性 模 量 N / mm 4.20 10 4 3.60 10 4 2 轴 KN 压 比 相 / m对 值 0.857 1.0 2 墙 体 重 度 KN / m 26.82 25.0 综 合 以 上 论 述, 在 实 际 工 程 中, 应 用 组 合 钢 板 剪 力 墙 优 缺 点 分 析 如 表 3.2.3 所 示 : 表 3.2.3 组 合 钢 板 剪 力 墙 应 用 实 际 工 程 优 缺 点 优 点 可 减 小 核 心 筒 自 重, 减 小 地 震 反 应 ; 核 心 筒 下 所 需 桩 数 减 小, 降 低 基 础 沉 降 及 造 价 ; 降 低 底 部 墙 体 轴 压 比, 有 利 控 制 墙 体 厚 度, 增 加 房 屋 实 际 使 用 面 积 ; 有 效 增 加 构 件 拉 压 弯 剪 等 各 项 抗 震 性 能 核 心 筒 整 体 抗 震 性 能 明 显 提 高, 缓 解 大 震 下 因 出 现 塑 形 铰, 导 致 内 外 筒 内 力 重 分 布, 对 外 筒 的 不 利 影 响, 提 高 结 构 整 体 安 全 度 缺 点 用 钢 量 及 相 应 造 价 上 升 施 工 难 度 增 大, 对 承 包 商 要 求 较 高 专 业 及 条 件 配 合 要 求 提 高 3.3 核 心 筒 内 设 计 含 钢 量 的 比 较 在 高 震 区 建 造 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构, 需 要 处 理 好 罕 遇 地 震 下, 混 凝 土 核 心 筒 由 于 刚 度 退 化, 外 框 架 分 配 剪 力 由 于 内 力 重 分 布 产 生 的 不 利 影 响 因 此 对 于 核 心 筒 的 性 能 化 设 计 就 显 得 尤 为 重 要, 为 满 足 核 心 筒 抗 震 性 能 要 求, 在 关 键 区 域 配 置 钢 板 或 型 钢 暗 柱 可 以 起 到 有 效 作 用 不 同 结 构 高 度 的 框 架 核 心 筒 结 构, 其 核 心 筒 在 构 件 选 型 及 含 钢 率 等 方 案 又 有 所 区 别 以 图 3.3.1 所 示 三 栋 不 同 典 型 高 度 的 混 合 结 构 建 筑 为 例, 北 京 国 际 贸 易 中 心 三 期 高 330 米, 核 心 筒 主 要 为 钢 结 构 并 外 包 混 凝 土, 其 刚 度 则 主 要 由 组 合 钢 支 撑 框 架 和 其 底 部 组 合 钢 板 剪 力 墙 形 成, 核 心 筒 底 部 型 钢 组 合 柱 含 钢 率 约 为 18%; 北 京 财 富 中 心 一 期 办 公 楼 高 约 152 米, 核 心 筒 为 钢 筋 混 凝 土 结 构, 其 含 钢 率 随 结 构 高 度 明 显 下 降, 其 混 凝 土 暗 柱 内 配 置 了 约 4% 的 构 造 型 钢 而 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 结 构 高 度 介 于 其 间, 其 混 凝 土 核 心 筒 根 据 性 能 化 设 计 要 求, 沿 高 度 埋 置 了 较 高 且 不 同 含 钢 率 的 型 钢 暗 柱, 其 底 部 暗 柱 含 钢 率 约 为 8%, 并 配 置 了 组 合 钢 板 剪 力 墙 以 上 三 栋 超 高 层 建 筑, 虽 均 为 钢 与 混 凝 土 组 成 的 混 合 结 构, 但 三 者 其 核 心 筒 内 含 钢 率 随 高 度 上 升, 亦 反 映 出 由 低 至 高 的 明 显 特 点 有 此 可 见, 超 限 混 合 结 构, 其 核 心 筒 内 配 置 型 钢 从 概 念 ( 构 造 ) 设 计 进 入 并 实 施 性 能 化 设 计 的 必 要 61
第 三 章 型 钢 混 凝 土 核 心 筒 和 组 合 钢 板 剪 力 墙 设 计 研 究 北 京 国 际 贸 易 中 心 三 期 (330 米 ) 北 京 财 富 中 心 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 (264 米 ) 一 期 办 公 楼 (152 米 ) 图 3.3.1 北 京 地 区 不 同 结 构 高 度 超 高 层 混 合 结 构 62
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 4.1.1 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 4.1 技 术 规 范 要 求 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) [31] 要 求 型 钢 混 凝 土 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 结 构 的 各 层 框 架 柱 所 承 担 的 地 震 剪 力 不 应 小 于 结 构 底 部 总 剪 力 的 20% 和 框 架 部 分 地 震 力 最 大 值 的 1.5 倍 二 者 的 较 小 值 ; 钢 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 结 构 的 各 层 框 架 柱 所 承 担 的 地 震 剪 力 不 应 小 于 结 构 底 部 总 剪 力 的 25% 和 框 架 部 分 地 震 剪 力 最 大 值 的 1.8 倍 二 者 的 最 小 值 中 国 国 家 标 准 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) [24] 中 对 于 框 架 剪 力 墙 结 构 设 计 规 定 : 满 足 (4.1.1) 式 要 求 的 楼 层, 其 框 架 总 剪 力 不 必 调 整 ; 不 满 足 式 要 求 的 楼 层, 其 框 架 总 剪 力 应 按 0.2V 0 和 1.5V max 二 者 的 较 小 值 采 用 ; 其 中 V 0 V f Vf 0.2V (4.1.1) 0 对 框 架 柱 数 量 从 下 至 上 基 本 不 变 的 规 则 建 筑, 应 取 对 应 于 地 震 作 用 标 准 层 框 架 柱 所 承 担 的 地 震 剪 力 不 应 小 于 结 构 底 部 总 剪 力 的 20% 和 框 架 部 分 地 震 力 最 大 值 的 1.5 倍 二 者 的 较 小 值 ; 对 应 于 地 震 作 用 标 准 值 且 未 经 调 整 的 各 层 ( 或 某 一 段 内 各 层 ) 框 架 承 担 的 地 震 总 剪 力 ; V 对 框 架 柱 数 量 从 下 至 上 基 本 不 变 的 规 则 建 筑, 应 取 对 应 于 地 震 作 用 标 f,max 准 值 且 未 经 调 整 的 各 层 框 架 承 担 的 地 震 总 剪 力 中 的 最 大 值 ; 对 框 架 柱 数 量 从 下 至 上 分 段 有 规 律 变 化 的 结 构, 应 取 每 段 中 对 应 于 地 震 作 用 标 准 值 且 未 经 调 整 的 各 层 框 架 承 担 的 地 震 总 剪 力 中 的 最 大 值 ; 其 中, 各 层 框 架 所 承 担 的 地 震 总 剪 力 调 整 后, 应 按 调 整 前 后 总 剪 力 的 比 值 调 整 每 根 框 架 柱 和 与 之 相 连 框 架 梁 的 剪 力 及 端 部 弯 矩 标 准 值, 框 架 柱 的 轴 力 标 准 值 可 不 予 调 整 ; 文 献 [49] 中 指 出, 框 架 - 剪 力 墙 结 构 中, 柱 与 剪 力 墙 相 比, 其 抗 剪 刚 度 是 很 小 的, 故 在 地 震 作 用 下, 楼 层 地 震 总 剪 力 主 要 由 剪 力 墙 来 承 担, 框 架 柱 只 承 担 很 小 一 部 分, 就 是 说 框 架 由 于 地 震 作 用 引 起 的 内 力 是 很 小 的, 而 框 架 作 为 抗 震 的 第 二 道 防 线, 过 于 单 薄 是 不 利 的, 为 了 保 证 框 架 部 分 有 一 定 的 内 力 储 备, 规 定 框 架 部 分 所 承 担 的 地 震 剪 力 不 应 小 于 一 定 的 值, 并 将 该 值 规 定 为 : 取 基 底 总 剪 力 的 20%(0.2V 0 ) 和 各 层 框 架 承 担 的 地 震 总 剪 力 中 最 大 值 的 1.5 倍 (1.5 V ) 两 者 中 较 小 值 文 献 同 时 指 出,2001 版 的 高 规 增 加 了 容 许 分 段 进 行 f,max 调 整 的 做 法, 即 当 某 楼 层 段 柱 根 数 减 小 时, 则 以 该 段 为 调 整 单 元, 取 该 段 最 底 一 层 的 地 震 剪 力 为 其 该 段 的 底 部 总 剪 力 ; 该 段 内 各 层 框 架 承 担 的 地 震 总 剪 力 中 最 大 值 为 该 段 的 V f,max 63
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 4.1.2 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 (CECS230-2008) [50] 在 其 4.1.3 中 规 定 : 多 遇 地 震 时, 高 层 建 筑 混 合 结 构 框 架 - 剪 力 墙 和 框 架 核 心 筒 中 框 架 部 分 的 最 小 地 震 层 剪 力 标 准 值 应 满 足 式 (4.1.2) 的 要 求, 式 中 框 架 部 分 层 剪 力 分 担 率 β 的 最 小 值 应 按 表 取 值, 框 架 部 分 的 最 小 地 震 层 剪 力 也 不 应 小 于 按 结 构 整 体 分 析 得 到 的 框 架 部 分 的 地 震 层 剪 力 V fi βi V (4.1.2) i 其 中 V fi 第 i 楼 层 框 架 部 分 的 地 震 层 剪 力 ; V i 第 i 楼 层 的 总 地 震 层 剪 力 ; β 框 架 部 分 的 地 震 层 剪 力 分 担 率 当 框 架 部 分 的 地 震 层 剪 力 按 式 (4.1.2) 调 整 时, 由 地 震 作 用 产 生 的 该 楼 层 各 构 件 的 剪 力 弯 矩 和 轴 力 标 准 值 均 应 进 行 相 应 调 整 表 4.1.1 框 架 部 分 层 剪 力 分 担 率 β 的 最 小 值 结 构 体 系 设 防 烈 度 β 的 最 小 值 双 重 抗 侧 力 体 系 8 度,9 度 18% 7 度 15% 非 双 重 抗 侧 力 体 系 7 度 (0.1g) 及 以 下 10% 4.2 超 限 结 构 的 处 理 我 国 针 对 超 限 高 层 建 筑 于 近 年 来 以 部 长 令 的 形 式 颁 布 了 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 管 理 规 定 以 及 全 国 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 审 查 专 家 委 员 会 抗 震 设 防 专 项 审 查 办 法 [34] 和 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 专 项 审 查 技 术 要 点 [35] 对 于 超 限 高 层 建 筑, 徐 培 福 王 亚 勇 戴 国 莹 在 文 献 [36] 关 于 超 限 高 层 建 筑 抗 震 设 防 审 查 的 若 干 讨 论 中 指 出, 对 于 钢 - 混 结 构 中, 钢 框 架 部 分 承 担 的 地 震 剪 力 应 比 规 范 的 规 定 适 当 增 加, 超 高 越 多, 增 加 越 多 例 如, 规 范 要 求 取 结 构 总 地 震 剪 力 的 20% 和 框 架 部 分 按 刚 度 分 配 计 算 的 最 大 层 剪 力 这 二 者 中 的 较 小 值, 超 高 时 可 取 二 者 的 平 均 值 或 其 中 的 较 大 值 而 不 是 二 者 中 的 较 小 值 4.3 本 工 程 的 特 点 及 抗 震 超 限 措 施 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼, 周 边 组 合 框 架 基 本 贴 合 建 筑 外 形, 外 轮 廓 约 为 64m 41.5m 塔 楼 周 边 外 框 架 是 由 钢 管 混 凝 土 柱 以 及 钢 边 梁 构 成 的 组 合 结 构 框 架, 标 准 柱 距 为 6 米, 边 梁 与 柱 采 用 刚 性 连 接 边 梁 采 用 钢 梁, 一 方 面 便 于 与 楼 面 钢 梁 连 接, 另 一 方 面 也 减 少 了 采 用 SRC 边 梁 所 需 要 的 大 量 钢 筋 绑 扎 工 作 64
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 图 4.3.1 周 边 框 架 布 置 图 框 架 部 分 作 为 抗 震 的 第 二 道 防 线, 构 件 设 计 上 须 满 足 规 范 对 于 框 架 - 剪 力 墙 结 构 对 应 于 地 震 作 用 标 准 值 的 各 层 框 架 总 剪 力 的 要 求, 即 在 构 件 设 计 上, 须 满 足 20% 底 部 剪 力 的 承 载 力 要 求, 否 则 将 按 照 规 范 进 行 放 大 调 整 图 4.3.2~ 图 4.3.3 列 出 小 震 下,X 及 Y 方 向 楼 层 及 其 框 架 部 分 承 担 剪 力 的 变 化 规 律 和 框 架 剪 力 所 占 百 分 比 的 楼 层 分 布 图 中 反 映 了 20% 结 构 底 部 总 剪 力 以 及 1.5 倍 框 架 最 大 楼 层 剪 力 的 数 值 分 布 关 系 值 得 指 出 的 是, 在 V max 数 值 的 选 择 上, 结 合 其 它 工 程 经 验, 忽 略 了 因 加 强 层 产 生 的 部 分 楼 层 剪 力 突 变 的 效 应, 其 双 方 向 最 大 框 架 楼 层 剪 力 出 现 在 第 八 层, ( 见 图 8 10 中 V max 取 值 点 ) 根 据 本 工 程 首 次 超 限 审 查 预 审 会 的 意 见, 将 按 照 0.2Vo 和 1.5V max 中 较 大 值 对 外 框 架 承 担 剪 力 进 行 调 整 设 计 由 图 4.3.2 可 见, 在 X 及 Y 方 向 框 架 调 整 后 的 剪 力 将 采 用 1.5V max 之 数 值 按 照 以 上 调 整 方 案, 框 架 设 计 剪 力 的 调 整 系 数 见 图 4.3.4, 并 将 用 于 小 震 下 构 件 的 设 计 和 验 算 65
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 楼 层 60 50 X 向 地 震 层 剪 力 框 架 承 担 剪 力 Vmax 设 计 取 点 1.5Vmax 0.2V0 楼 层 60 50 Y 向 地 震 层 剪 力 框 架 承 担 剪 力 Vmax 设 计 取 值 点 1.5Vmax 0.2V0 40 40 30 30 20 20 10 10 MN 0 0 10 20 30 40 50 60 地 震 作 用 外 框 架 楼 层 剪 力 分 布 图 MN 0 0 10 20 30 40 50 60 地 震 作 用 外 框 架 楼 层 剪 力 分 布 图 图 4.3.2 小 震 下 外 框 架 承 担 剪 力 分 布 图 60 60 楼 层 楼 层 50 50 40 40 30 30 20 X 向 地 震 框 架 承 担 剪 力 比 20 Y 向 地 震 框 架 承 担 剪 力 比 10 10 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% 地 震 作 用 框 架 承 担 剪 力 比 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% 地 震 作 用 框 架 承 担 剪 力 比 图 4.3.3 小 震 下 外 框 架 承 担 剪 力 百 分 比 66
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 60 楼 层 楼 层 50 X 向 剪 力 比 放 大 系 数 50 Y 向 剪 力 比 放 大 系 数 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 2 4 6 地 震 作 用 框 架 剪 力 比 放 大 系 数 MAX (0.2Vo,1.5Vmax) 0 0 2 4 6 地 震 作 用 框 架 剪 力 比 放 大 系 数 MAX (0.2Vo,1.5Vmax) 图 4.3.4 小 震 下 外 框 架 剪 力 放 大 系 数 4.4 外 框 架 结 构 选 型 和 柱 距 选 择 以 上 分 析 均 体 现 了 外 框 架 对 二 道 设 防 思 想 的 体 现 和 具 体 实 现 形 式, 这 也 从 另 一 个 侧 面 反 映 了 混 合 结 构 对 外 框 架 布 置 和 选 型 的 一 些 客 观 要 求, 即 必 须 采 用 合 理 的 布 置 达 到 与 结 构 整 体 刚 度 必 要 的 匹 配 要 求, 否 则 即 便 剪 力 按 照 要 求 进 行 调 整, 设 计 也 很 难 以 满 足 规 范 要 求, 或 建 筑 需 要, 同 时 造 成 结 构 综 合 技 术 经 济 性 能 的 降 低 其 重 点 便 是 针 对 不 同 结 构 高 度, 对 外 框 架 柱 距 的 设 计 考 虑 以 下 为 部 分 不 同 结 构 高 度 典 型 高 层 及 超 高 层 混 合 结 构 工 程 外 框 架 布 置 形 式 及 柱 距 的 一 些 数 据 : 表 4.4.1 国 内 抗 震 区 部 分 混 合 结 构 外 框 架 柱 布 置 形 式 项 目 名 称 抗 震 等 级 结 构 高 度 (m) 外 框 形 式 / 典 型 柱 距 (m) 北 京 国 贸 三 期 8 度 330 4.5 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 8 度 264 6 北 京 财 富 中 心 一 期 办 公 楼 8 度 152 8.4 北 京 京 澳 中 心 8 度 99 12 大 连 裕 景 中 心 塔 楼 1 7 度 350 巨 型 外 框 广 州 西 塔 7 度 432 斜 角 网 格 上 海 环 球 金 融 中 心 7 度 492 巨 型 外 框 深 圳 京 基 金 融 中 心 7 度 439 巨 型 钢 斜 撑 框 架 + 伸 臂 桁 架 可 以 看 出, 混 合 结 构 外 框 架 布 置 形 式 或 柱 距 选 择, 随 着 其 整 体 结 构 高 度 的 不 断 提 高, 其 柱 距 亦 不 断 变 小, 从 稀 柱 结 构 逐 渐 向 密 柱 结 构 变 化, 而 结 构 高 度 约 为 400 米 时, 外 框 架 67
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 多 选 择 以 上 海 环 球 金 融 中 心 为 代 表 的 巨 型 结 构 和 以 广 州 西 塔 为 代 表 的 斜 角 网 格 或 以 深 圳 京 基 中 心 为 代 表 的 将 巨 型 斜 撑 布 置 与 外 框 架, 以 形 成 更 大 的 外 框 刚 度, 满 足 其 合 理 的 剪 力 分 配, 实 现 对 于 二 道 设 防 思 想 可 靠 的 实 现 4.5 圆 钢 管 混 凝 土 柱 简 介 4.5.1 性 能 特 点 钢 管 混 凝 土 结 构 作 为 组 合 结 构 的 一 个 分 支, 是 近 年 来 研 究 较 为 深 入 的 结 构 形 式 钢 管 混 凝 土 结 构 是 一 种 介 于 钢 结 构 和 钢 筋 混 凝 土 结 构 之 间 的 一 种 新 型 结 构, 其 基 本 原 理 有 两 个 方 面 :1) 借 助 内 填 混 凝 土 增 强 钢 管 壁 的 稳 定 性 ;2) 借 助 钢 管 对 混 凝 土 的 套 箍 作 用, 使 混 凝 土 处 于 三 向 受 压 应 力 状 态, 延 缓 了 混 凝 土 纵 向 微 裂 缝 的 发 生 和 发 展, 提 高 了 其 抗 压 强 度 和 变 形 能 力 而 且, 在 钢 管 的 紧 箍 作 用 下, 混 凝 土 由 脆 性 材 料 转 变 为 塑 性 材 料, 基 本 性 能 起 了 质 的 变 化 ; 同 时, 由 于 混 凝 土 的 存 在, 提 高 了 薄 壁 钢 管 的 局 部 稳 定 性, 使 其 强 度 得 到 充 分 利 用 [76][77] 钢 管 和 混 凝 土 在 受 力 过 程 中 的 共 同 组 合 作 用, 大 大 改 善 了 混 凝 土 的 塑 性 和 韧 性 性 能, 同 时 还 可 以 延 缓 和 避 免 钢 管 壁 发 生 局 部 屈 曲, 成 为 多 高 层 建 筑 结 构 体 系 中 的 后 起 之 秀 钢 管 混 凝 土 结 构 具 有 如 下 特 点 : 1) 承 载 力 高, 抗 压 和 抗 剪 性 能 好, 可 以 减 小 柱 的 截 面 尺 寸, 节 约 建 筑 材 料, 增 加 建 筑 空 间 2) 塑 性 和 韧 性 好, 抗 震 性 能 优 越, 延 性 好 3) 钢 管 取 材 容 易, 制 作 工 厂 化, 施 工 安 装 方 便, 符 合 现 代 化 施 工 技 术 的 要 求 4) 简 化 安 装 施 工 工 艺 节 约 模 板 方 便 逆 作 法 施 工, 可 大 大 减 少 施 工 工 期 5) 耐 火 性 能 好, 与 普 通 钢 结 构 相 比, 可 节 约 耐 火 材 料 一 半 以 上 6) 可 采 用 高 强 混 凝 土 (C50~C80), 由 于 钢 管 外 无 混 凝 土 保 护 层, 因 此 能 够 充 分 发 挥 高 强 混 凝 土 的 承 载 能 力 钢 管 混 凝 土 有 圆 形 和 方 形 的, 对 于 其 结 构 性 能, 钟 善 桐 在 文 献 [78] 中 认 为, 从 静 力 承 载 力 来 看, 方 形 钢 管 混 凝 土 要 比 圆 形 的 多 用 钢 材 至 少 15% 左 右 如 果 考 虑 抗 震 要 求, 限 制 轴 压 比, 则 方 形 不 但 用 钢 量 将 更 多, 而 且 圆 形 钢 管 混 凝 土 的 优 越 抗 震 性 能 远 远 超 过 方 形 钢 管 混 凝 土, 安 全 可 靠 性 更 高 作 者 特 别 认 为, 在 抗 震 设 防 区, 尤 其 是 8 度 与 9 度 区 不 应 采 用 方 钢 管 混 凝 土 在 文 献 [79] 中 作 者 还 对 两 者 进 行 了 详 细 的 论 述 和 定 量 的 比 较, 认 为 与 方 钢 管 混 凝 土 相 比, 采 用 圆 钢 管 混 凝 土 具 有 下 列 优 点 :1) 轴 心 受 压 时, 承 载 力 高 20% 左 右, 用 于 偏 心 受 压 时, 承 载 力 高 也 不 少 于 20%;2) 抗 弯 刚 度 高 约 20%;3) 抗 震 性 能 好, 可 控 制 构 件 长 细 比 而 不 限 制 轴 压 比 ; 4) 制 造 加 工 比 较 方 便, 焊 缝 少 梁 柱 节 点 采 用 外 环 时 较 费 材 料, 但 工 作 可 靠, 采 用 内 环 时 与 方 钢 管 混 凝 土 相 同 ; 5) 节 约 防 火 涂 料 或 保 护 层 唯 一 的 不 足 之 处 是 建 筑 认 为 圆 截 面 对 室 内 空 间 布 置 不 利, 但 这 也 可 采 用 防 火 板 包 成 方 形 来 解 决 68
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 4.5.2 工 程 应 用 近 年 来, 钢 管 混 凝 土 在 高 层 和 超 高 层 建 筑 结 构 中 得 到 了 日 益 广 泛 的 应 用, 其 推 广 与 发 展 速 度 十 分 迅 猛 随 着 钢 管 混 凝 土 柱 设 计 规 范 及 施 工 等 配 套 技 术 的 不 断 发 展, 越 来 越 多 的 高 层 及 超 高 层 建 筑 应 用 了 钢 管 混 凝 土, 其 相 应 的 施 工 工 艺 水 平 也 得 到 了 长 足 的 进 步 和 发 展 : 如 正 在 建 设 中 的 天 津 津 塔 (330 米 ) 广 州 西 塔 (432 米 ) 广 州 电 视 塔 (454 米 ) 等 均 采 用 了 钢 管 混 凝 土 几 年 来 各 地 众 多 超 限 高 层 建 筑 采 用 钢 管 混 凝 土 的 设 计 和 施 工 实 例 表 明, 钢 管 混 凝 土 的 应 用 已 具 备 相 当 的 可 实 施 性 香 港 长 江 中 心 282m 深 圳 赛 格 广 场 292m 天 津 津 塔 337m 广 州 西 塔 432m 图 4.5.1 超 高 层 建 筑 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 实 例 广 州 电 视 塔 610m 4.6 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 的 比 较 钢 管 混 凝 土 柱 和 型 钢 混 凝 土 柱 均 为 由 钢 和 混 凝 土 两 种 材 料 组 成 的 组 合 构 件, 在 高 层 和 超 高 层 混 合 结 构 中 是 框 架 柱 经 常 选 用 的 方 案 与 纯 钢 筋 混 凝 土 和 钢 结 构 相 比, 此 两 种 组 合 构 件 可 充 分 发 挥 不 同 材 料 的 长 处, 提 供 更 大 的 承 载 力 和 更 好 的 延 性, 因 此 在 相 同 承 载 力 要 求 下, 可 有 效 减 小 柱 横 截 面 尺 寸, 增 加 实 际 使 用 面 积, 具 有 较 高 的 技 术 经 济 性 能 和 明 显 的 优 势 69
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 a) 型 钢 混 凝 土 柱 SRC b) 钢 管 混 凝 土 柱 CFT 图 4.6.1 圆 SRC 与 CFT 柱 4.6.1 钢 管 混 凝 土 柱 钢 管 混 凝 土 柱 (CFT,Concrete Filled Tube) 是 在 钢 管 中 浇 注 混 凝 土 而 成 的 组 合 构 件, 其 截 面 如 图 4.6.1b 所 示 其 外 围 采 用 圆 钢 管 并 在 梁 柱 节 点 范 围 设 置 加 劲 肋 板, 内 部 填 充 高 强 混 凝 土 钢 管 混 凝 土 柱 中, 钢 管 对 其 内 部 混 凝 土 的 约 束 作 用 使 混 凝 土 处 于 三 向 受 压 状 态, 提 高 了 混 凝 土 的 抗 压 强 度 ; 钢 管 内 部 的 混 凝 土 又 可 以 有 效 地 防 止 钢 管 发 生 局 部 屈 曲 钢 管 和 混 凝 土 之 间 的 相 互 作 用 使 钢 管 内 部 混 凝 土 的 破 坏 由 脆 性 破 坏 转 变 为 塑 性 破 坏, 构 件 的 延 性 性 能 明 显 改 善, 耗 能 能 力 大 大 提 高, 具 有 优 越 的 抗 震 性 能 尤 其 是 圆 形 钢 管, 对 内 部 混 凝 土 的 约 束 作 用 最 理 想 对 于 高 层 结 构, 柱 子 的 长 细 通 常 比 较 小, 研 究 表 明 无 需 对 钢 管 混 凝 土 柱 的 轴 压 比 进 行 限 制, 就 能 够 获 得 较 好 的 塑 性 变 形 能 力 4.6.2 型 钢 混 凝 土 柱 型 钢 混 凝 土 (SRC,Steel Reinforced Concrete) 柱, 其 截 面 如 图 4.6.1a 所 示, 是 在 普 通 钢 筋 混 凝 土 柱 中 增 设 了 型 钢, 使 混 凝 土 和 型 钢 共 同 受 力, 从 结 构 功 能 上 可 提 高 柱 的 刚 度 承 载 力 和 延 性, 对 提 高 抗 震 性 能 有 利 型 钢 可 分 为 实 腹 式 和 格 构 式 两 种 形 式, 在 大 型 结 构 和 高 层 结 构 实 际 应 用 中 都 以 实 腹 式 型 钢 混 凝 土 柱 为 主 因 此, 我 们 采 用 如 图 4.6.1a 所 示 的 实 腹 式 型 钢 混 凝 土 截 面 为 比 较 研 究 对 象 中 国 规 范 JGJ138 规 定 型 钢 混 凝 土 柱 含 钢 率 为 4%~10%, 截 面 含 钢 量 明 显 超 过 10% 时, 专 家 审 查 时 可 能 会 要 求 进 行 柱 子 试 验 以 验 证 其 性 能 通 常 为 了 尽 可 能 减 小 柱 子 的 截 面 尺 寸, 常 选 用 8% 左 右 为 保 证 柱 内 型 钢 与 混 凝 土 协 同 工 作, 型 钢 表 面 按 计 算 结 果 进 行 栓 钉 的 布 置 柱 的 周 边 也 需 按 规 范 设 置 纵 向 主 筋 及 横 向 箍 筋 以 约 束 混 凝 土 施 工 时 周 边 框 架 钢 梁 及 楼 面 梁 首 先 与 柱 内 型 钢 安 装 连 接, 然 后 完 成 钢 筋 绑 扎 并 浇 注 混 凝 土 将 型 钢 包 裹 因 此 该 方 案 梁 柱 节 点 处 钢 筋 配 置 较 为 复 杂, 但 外 包 混 凝 土 可 提 高 结 构 耐 久 性 并 具 有 天 然 防 火 和 抗 腐 蚀 的 特 点 虽 然 在 施 工 中 需 要 使 用 建 筑 模 板, 但 是 钢 结 构 部 分 可 最 先 架 设, 并 作 为 浇 筑 混 凝 土 时 的 模 板 支 撑, 承 担 施 工 荷 载, 简 化 支 模 工 程 混 凝 土 的 浇 筑 可 以 相 对 滞 后 于 钢 结 构 70
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 安 装, 不 在 施 工 关 键 路 径 上, 不 影 响 整 体 施 工 进 度 4.6.3 力 学 性 能 为 研 究 并 比 较 型 钢 混 凝 土 柱 与 钢 管 混 凝 土 柱 力 学 性 能, 分 别 对 该 两 种 构 件, 在 相 同 截 面 尺 寸 相 同 材 料 下 进 行 对 比, 为 保 证 相 同 含 钢 率 的 比 较 条 件, 型 钢 混 凝 土 柱 未 计 入 钢 筋 的 贡 献 两 构 件 比 较 参 数 如 表 4.6.1 所 示 (a) 型 钢 混 凝 土 柱 图 4.6.2 SRC 与 CFT 压 弯 比 较 计 算 分 析 模 型 (b) 钢 管 混 凝 土 柱 构 件 截 面 如 图 4.6.2 所 示 : 表 4.6.1 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 性 能 比 较 参 数 项 目 型 钢 混 凝 土 柱 SRC 钢 管 混 凝 土 柱 CFT 柱 外 径 1300mm 1300mm 柱 高 4.2m 4.2m 钢 材 Q345GJ Q345GJ 混 凝 土 C60 C60 截 面 含 钢 率 7.56% ( 未 计 钢 筋 ) 7.54% γ RE 0.85 1.0 比 较 结 果 显 示, 在 截 面 刚 度 方 面, 由 于 钢 截 面 面 积 相 同, 因 此 截 面 的 等 效 EA 相 同 由 于 钢 截 面 的 分 布 不 同, 两 个 截 面 的 抗 弯 刚 度 有 较 大 差 别 在 不 考 虑 混 凝 土 套 箍 效 应 的 情 况 下, 型 钢 混 凝 土 柱 截 面 的 等 效 EI 值 为 5.72x10 9, 而 钢 管 混 凝 土 柱 截 面 的 等 效 EI 值 为 8.51x10 9, 是 型 钢 混 凝 土 柱 截 面 的 1.49 倍 这 显 示 钢 管 混 凝 土 截 面 的 抗 弯 刚 度 明 显 大 于 型 钢 混 凝 土 柱 截 面 在 截 面 承 载 力 方 面, 为 直 观 比 较 压 弯 构 件 的 力 学 性 能, 图 4.6.3 分 别 绘 出 了 上 述 条 件 下, 两 种 截 面 的 压 弯 承 载 力 包 络 结 果 71
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-14 -10-6 -2-10 2 6 10 14-20 -30 N(MN) -40 SRC CFT SRC( 考 虑 抗 震 调 整 系 数 ) 轴 压 比 0.7 M(MNm) 图 4.6.3 CFT 与 SRC 压 弯 承 载 力 比 较 [50] 圆 钢 管 混 凝 土 柱 压 弯 承 载 力, 根 据 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 对 钢 管 混 凝 土 的 规 定, 以 表 1 构 件 为 例, 其 套 箍 系 数 θ = A f /( A f ) =0.92, 满 足 规 程 定 义 的 限 值 a a c c 要 求 混 凝 土 强 度 C60,ξ =1.56 钢 管 混 凝 土 短 柱 的 轴 心 受 压 承 载 力 N0 = 0.9 A f (1 + αθ ) =80.1MN, 其 中 α =1.8; 钢 管 柱 受 弯 承 载 力 M u = 0.24N0rc =12.1MNm, 对 于 钢 管 混 凝 土 非 短 柱, 其 承 载 力 为 Nu = ϕ1ϕ e N0, ϕ 1 ϕ e 分 别 为 长 细 比 以 及 偏 心 影 响 受 压 承 载 力 折 减 系 数, 其 中 ϕ1 =1.0, 偏 心 影 响 折 减 系 数, 则 根 据 偏 心 距 与 钢 管 混 凝 土 横 截 面 的 半 径 比 值 计 算 所 得 ; 对 于 拉 弯 承 载 力 则 不 考 虑 混 凝 土 作 用, 完 全 由 钢 管 承 担, 其 拉 弯 - 压 弯 承 载 力 曲 线 如 图 4.6.3 所 示 需 要 指 出 的 是, 以 上 关 于 CFT 柱 压 弯 承 载 力 曲 线 是 基 于 新 的 行 业 标 准 CECS230:2008 进 行 绘 制 的, 该 标 准 出 台 于 本 工 程 完 成 初 步 设 计 之 后,( 初 步 设 计 主 要 依 据 为 CECS28:90) 新 规 程 对 CFT 柱 的 承 载 力 的 相 关 参 数 进 行 了 补 充 和 调 整, 特 别 是 将 γ RE 明 确 取 值 为 1.0, 并 增 加 了 其 纯 弯 的 承 载 力 的 计 算 公 式, 即 M u = 0.24N0rc, 如 将 该 公 式 纳 入 压 弯 承 载 力 中, 则 较 原 规 程 变 化 较 大, 在 本 论 文 截 稿 时, 对 于 钢 管 混 凝 土 的 承 载 力 正 确 理 解 和 选 取 仍 需 进 一 步 研 究, 并 需 要 规 程 编 制 组 进 行 必 要 的 解 释 由 于 其 取 值 对 钢 管 柱 截 面 及 整 体 用 钢 量 影 响 较 大, 因 此 这 是 钢 管 混 凝 土 柱 设 计 中 非 常 值 得 关 注 的 问 题 型 钢 混 凝 土 柱 压 弯 承 载 力, 以 纤 维 模 型 为 基 础, 根 据 平 截 面 假 定 理 论 计 算 所 得 两 者 比 较, 如 图 4.6.3 所 示, 其 轴 向 最 大 承 载 力, 由 于 钢 管 柱 内 混 凝 土 在 套 箍 强 化 作 用 下, 其 轴 向 抗 压 强 度 较 型 钢 混 凝 土 有 明 显 提 高 比 较 结 果 显 示, 其 轴 心 抗 压 强 度,CFT [51] 柱 为 80.3MN,SRC 为 64.2MN, 提 高 约 25% 此 外, 型 钢 混 凝 土 柱 须 控 制 轴 压 比 c c, 而 72
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 钢 管 混 凝 土 柱 则 无 此 限 制, 因 此 钢 管 混 凝 土 轴 向 受 压, 具 有 显 著 的 优 势 对 于 轴 向 受 拉, 因 为 两 个 截 面 的 混 凝 土 部 分 和 钢 结 构 部 分 的 面 积 分 别 相 等, 且 不 考 虑 混 凝 土 的 受 拉 作 用, 两 者 相 同 对 于 N-M 压 弯 承 载 力 曲 线 的 抗 弯 部 分, 由 于 钢 管 混 凝 土 的 钢 材 截 面 分 布 于 柱 截 面 周 边, 在 承 受 弯 矩 时 可 以 更 加 有 效 地 发 挥 其 强 度 高 的 优 势 虽 然 对 于 抗 震 设 计 调 整 系 数 γ RE, 型 钢 混 凝 土 为 0.8, 钢 管 混 凝 土 柱 为 1.0, 考 虑 两 者 承 载 力 在 抗 震 设 计 时 的 可 比 性, 如 图 4.6.3 曲 线 SRC( 考 虑 抗 震 调 整 系 数 ) 所 示, 与 CFT 相 比 有 所 接 近, 但 总 体 上, 钢 管 混 凝 土 抗 弯 能 力 比 型 钢 混 凝 土, 尤 其 在 高 轴 压 比 下, 仍 具 备 明 显 优 势 综 上 所 述, 钢 管 混 凝 土 柱 不 需 要 限 制 轴 压 比, 抗 弯 承 载 力 高, 与 型 钢 混 凝 土 比, 在 超 高 层 建 筑 结 构 设 计 中, 具 有 更 大 的 性 能 优 势, 相 同 条 件 下, 可 以 相 应 减 小 柱 截 面 或 降 低 用 钢 量 4.6.4 抗 震 性 能 钢 管 混 凝 土 柱 在 抗 震 性 能 上 优 于 型 钢 混 凝 土 柱 在 轴 心 受 压 情 况 下, 钢 管 对 混 凝 土 产 生 紧 箍 力 作 用, 使 混 凝 土 的 抗 压 强 度 弹 性 模 量 和 塑 性 变 形 能 力 都 有 很 大 提 高 当 紧 箍 力 大 到 一 定 程 度, 可 以 使 混 凝 土 的 应 力 - 应 变 关 系 发 生 变 化, 在 应 变 很 大 时 都 不 出 现 下 降 段 在 受 弯 和 压 弯 作 用 下, 试 验 表 明, 钢 管 混 凝 土 构 件 滞 回 曲 线 饱 满, 延 性 和 耗 能 性 能 都 很 好 在 长 细 比 较 小 时, 构 件 弯 矩 - 曲 率 关 系 曲 线 和 P - 关 系 曲 线 的 下 降 段 很 缓, 表 明 构 件 在 大 变 形 下 仍 能 保 持 较 高 的 承 载 力 钢 管 混 凝 土 柱 延 性 好 的 原 因 在 于, 通 过 混 凝 土 和 钢 结 构 共 同 作 用 充 分 发 挥 了 两 种 材 料 的 优 势 混 凝 土 在 钢 管 的 约 束 下, 从 变 形 能 力 小 的 脆 性 材 料 变 为 具 有 较 大 变 形 能 力 的 材 料 ; 钢 管 壁 在 内 部 混 凝 土 的 支 撑 作 用 下, 即 使 进 入 塑 性 阶 段 也 不 会 出 现 局 部 屈 曲 的 问 题, 可 以 充 分 发 挥 其 承 载 力 和 变 形 能 力, 因 此 具 备 更 为 优 异 的 抗 震 性 能 4.6.5 节 点 施 工 及 防 火 型 钢 混 凝 土 柱, 为 保 证 其 内 部 型 钢 与 混 凝 土 协 同 工 作, 型 钢 表 面 应 按 计 算 结 果 布 置 栓 钉 柱 的 周 边 也 需 按 规 范 设 置 纵 向 主 筋 及 横 向 箍 筋 以 约 束 混 凝 土 图 4.6.4a 所 示, 施 工 时, 周 边 框 架 钢 梁 和 楼 面 梁 首 先 与 柱 内 型 钢 安 装 连 接, 然 后 完 成 钢 筋 绑 扎, 浇 注 混 凝 土 将 型 钢 包 裹 因 此 型 钢 混 凝 土 梁 柱 节 点 处, 钢 筋 配 置 较 为 复 杂, 但 外 包 混 凝 土 可 提 高 结 构 耐 久 性, 并 具 有 天 然 防 火 和 抗 腐 蚀 的 特 点 73
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 (a) 型 钢 混 凝 土 柱 梁 柱 节 点 (b) 钢 管 混 凝 土 柱 梁 柱 节 点 图 4.6.4 SRC 与 CFT 典 型 梁 柱 节 点 钢 管 混 凝 土 柱, 如 图 4.6.4b 和 图 4.6.5 所 示, 其 钢 管 通 常 以 2~3 层 为 一 吊 装 段, 在 工 厂 预 制 完 成, 在 现 场 直 接 安 装, 内 部 混 凝 土 可 在 钢 柱 安 装 完 毕 后 进 行 灌 注, 不 需 要 支 撑 模 板 及 钢 筋 绑 扎, 施 工 速 度 快 此 外, 钢 柱 的 多 层 预 先 安 装, 为 楼 面 钢 梁 及 其 混 凝 土 的 浇 筑 提 供 了 工 作 面, 大 大 加 快 了 施 工 总 体 进 度, 但 同 时 钢 管 混 凝 土 柱 表 面 需 要 一 定 的 防 腐 及 防 火 处 理 图 4.6.5 钢 管 混 凝 土 柱 的 分 段 运 输 与 吊 装 4.6.6 小 结 综 上 所 述, 比 较 而 言, 钢 管 混 凝 土 柱 不 需 要 限 制 轴 压 比, 抗 弯 承 载 力 高 因 此, 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 相 比, 在 超 高 层 建 筑 结 构 设 计 中, 具 有 更 大 的 性 能 优 势 74
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 表 4.6.2 型 钢 混 凝 土 柱 与 钢 管 混 凝 土 柱 优 缺 点 比 较 钢 管 混 凝 土 型 钢 混 凝 土 优 点 缺 点 截 面 抗 弯 刚 度 与 抗 弯 承 载 力 比 SRC 柱 有 明 显 增 加, 相 应 减 少 用 钢 量 ; 天 然 的 耐 火 和 抗 腐 蚀 性 能 截 面 尺 寸 可 明 显 减 少, 可 不 限 制 轴 压 比 ; 无 需 钢 筋 绑 扎, 无 需 模 板, 施 工 方 便 ; 抗 震 延 性 优 异 外 表 面 需 考 虑 防 锈 及 防 火, 对 造 价 有 增 加, 钢 筋 绑 扎 模 板 工 程 工 作 量 大 ; 但 所 需 防 火 喷 涂 比 纯 钢 结 构 可 减 薄 ; 型 钢 梁 连 接 时 节 点 构 造 复 杂, 钢 筋 绑 扎 困 混 凝 土 浇 注 工 艺 要 求 高, 并 需 严 格 控 制 密 难 ; 实 度, 对 承 包 商 素 质 有 一 定 要 求 ; 4.7 钢 管 混 凝 土 的 其 他 关 键 问 题 4.7.1 梁 柱 节 点 的 合 理 选 择 钢 管 混 凝 土 柱 与 钢 梁 的 刚 性 连 接, 通 常 有 外 环 板 内 环 板 和 穿 心 节 点 三 种 类 型, 如 下 图 4.7.1 所 示 a) 外 环 节 点 b) 内 环 节 点 c) 穿 心 节 点 图 4.7.1 圆 形 钢 管 混 凝 土 梁 柱 连 接 节 点 外 环 板 连 接, 如 图 4.7.1a 所 示, 其 加 劲 板 在 钢 管 外 部, 环 绕 钢 管 布 置 外 环 板 连 接 传 力 明 确 可 靠, 适 用 性 强, 而 且 有 助 于 保 证 混 凝 土 的 浇 筑 质 量, 但 是 节 点 板 尺 寸 较 大, 板 厚 亦 需 要 额 外 增 加, 因 此 节 点 用 钢 量 明 显 提 高 但 其 加 劲 肋 设 置 在 圆 钢 管 外 部, 可 以 比 较 方 便 地 设 置 连 接 板, 如 图 4.6.4b 和 图 4.7.2b 所 示, 特 别 适 用 于 复 杂 及 斜 交 节 点 的 设 计, 避 免 复 杂 内 肋 板 加 工 焊 接 以 及 混 凝 土 浇 筑 的 不 便 内 环 板 连 接, 如 图 4.7.1b 所 示, 环 形 加 劲 板 设 置 于 钢 管 内 部, 加 劲 板 中 央 开 洞 并 沿 环 向 开 设 排 气 孔, 以 便 浇 筑 混 凝 土 如 图 4.7.2a 所 示, 内 环 板 连 接 其 加 劲 板 尺 寸 较 小, 而 且 钢 管 柱 外 侧 没 有 加 劲 板, 不 影 响 幕 墙 等 围 护 结 构 构 造 要 求 内 环 板 连 接 通 常 用 于 直 径 1 米 以 及 更 大 的 柱 子, 当 然 这 要 加 工 施 工 的 工 艺 水 平 而 定 75
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 a) 内 隔 板 节 点 - 天 津 津 塔 b) 内 隔 板 节 点 - 广 州 西 塔 图 4.7.2 圆 形 钢 管 混 凝 土 梁 柱 连 接 节 点 实 例 穿 心 节 点, 如 图 4.7.1c 所 示, 指 刚 性 连 接 的 钢 梁 其 翼 缘 ( 或 翼 缘 和 腹 板 ) 在 钢 管 内 部 贯 通 布 置 穿 心 节 点 保 持 了 内 环 节 点 用 钢 量 节 省 的 优 点, 而 内 力 传 递 更 为 直 接, 其 在 反 复 [80] 荷 载 作 用 下, 滞 回 及 延 性 性 能 较 内 环 及 外 环 节 点 更 加 良 好 试 验 数 据 表 明, 对 于 工 字 型 钢 梁 与 钢 管 混 凝 土 柱 不 同 的 连 接 形 式, 其 中 外 环 板 的 延 性 系 数 为 2.83, 而 翼 缘 穿 心 节 点 为 3.76, 翼 缘 和 腹 板 共 同 穿 心 则 达 到 4.37, 体 现 了 更 加 优 异 的 延 性 性 能 和 耗 能 机 制 图 4.7.3 钢 梁 翼 缘 与 腹 板 穿 心 梁 柱 节 点 及 滞 回 曲 线 [80] 穿 心 节 点 一 般 应 用 于 柱 两 侧 钢 梁 基 本 位 于 同 一 直 线 的 条 件, 利 于 弯 矩 的 直 线 传 递, 对 于 平 面 有 倾 角 的 情 况, 仍 需 结 合 实 际 情 况, 考 虑 其 节 点 选 型 综 上 所 述, 钢 管 混 凝 土 不 同 梁 柱 节 点, 综 合 优 缺 点 比 较 如 下 : 表 4.7.1 钢 管 混 凝 土 不 同 梁 柱 节 点 形 式 比 较 项 目 优 点 缺 点 内 环 节 点 节 点 用 钢 量 低 混 凝 土 须 采 用 顶 升 法 外 环 节 点 穿 心 节 点 节 点 连 接 方 便, 适 用 于 复 杂 节 点, 便 于 控 制 混 凝 土 浇 筑 密 实 度 节 点 用 钢 量 低 延 性 性 能 最 高 节 点 用 钢 量 较 高 混 凝 土 须 采 用 顶 升 法 76
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 4.7.2 混 凝 土 密 实 度 及 构 件 整 体 性 控 制 钢 管 混 凝 土 柱 的 力 学 特 性 与 内 部 混 凝 土 的 密 实 度 有 很 大 关 系, 混 凝 土 浇 灌 质 量 的 好 坏 将 直 接 影 响 到 钢 管 混 凝 土 构 件 设 计 目 标 的 实 现 在 实 际 工 程 中, 为 实 现 钢 管 内 混 凝 土 充 分 发 挥 三 向 受 压 的 套 箍 效 应, 确 保 钢 管 和 混 凝 土 作 为 组 合 构 件 的 共 同 作 用, 需 要 妥 善 解 决 以 下 两 个 问 题 : 1 常 温 下 钢 管 混 凝 土 在 水 化 凝 结 过 程 中 由 于 混 凝 土 的 收 缩, 使 钢 管 和 混 凝 土 之 间 产 生 离 析 作 用 2 外 界 温 度 上 升 时 由 于 钢 的 线 膨 胀 系 数 大 于 混 凝 土 线 膨 胀 系 数, 且 钢 管 在 外 直 接 受 热, 产 生 空 脱 现 象 对 于 控 制 混 凝 土 干 缩 对 钢 管 混 凝 土 柱 的 不 利 影 响, 尤 其 对 于 应 用 于 超 高 层 结 构 中 的 大 直 径 钢 管 混 凝 土 柱, 属 于 大 体 积 混 凝 土, 需 要 在 水 泥 掺 合 料 ( 粉 煤 灰 矿 渣 等 ) 混 凝 土 的 养 护 砂 率 含 泥 量 水 灰 比 控 制 添 加 剂 的 选 用 ( 缓 凝 剂 微 膨 胀 剂 等 ) 施 工 温 度 的 选 择 施 工 浇 筑 方 案 的 组 织 实 施 等 方 面 进 行 综 合 统 筹, 控 制 混 凝 土 和 易 性 和 凝 结 时 间 对 于 控 制 混 凝 土 密 实 度, 应 采 用 自 密 实 免 振 捣 混 凝 土, 其 制 备 需 结 合 施 工 所 在 地 混 凝 土 骨 料 水 质 特 点 添 加 剂, 对 配 合 比 进 行 专 门 的 配 置, 并 在 施 工 前 进 行 足 尺 试 验, 控 制 塌 落 度 由 于 管 内 混 凝 土 施 工 缝 表 面 如 产 生 出 现 浮 浆, 难 以 清 理, 混 凝 土 易 产 生 断 裂, 因 此, 必 须 确 保 混 凝 土 不 产 生 离 析, 当 地 预 制 混 凝 土 搅 拌 站 宜 进 行 专 线 制 备, 确 保 混 凝 土 性 能 稳 定 性, 同 时 混 凝 土 单 方 造 价 有 一 定 提 高 对 于 钢 管 壁 的 温 度 膨 胀 问 题, 应 控 制 混 凝 土 浇 筑 时 的 外 界 温 度, 尽 量 避 免 冬 季 施 工, 如 有 必 要 可 对 钢 管 进 行 预 加 热, 施 加 温 度 预 应 力, 待 温 度 降 低 钢 管 收 缩, 达 到 紧 箍 效 果 综 上 所 述, 影 响 钢 管 混 凝 土 共 同 作 用 的 主 要 问 题 及 防 治 措 施 如 表 4.7.1 所 示 表 4.7.2 钢 管 混 凝 土 共 同 作 用 及 其 防 治 措 施 主 要 问 题 混 凝 土 水 化 干 缩 防 治 措 施 控 制 水 灰 比 塌 落 度 ; 合 理 选 择 添 加 剂 施 工 养 护 等 钢 管 升 温 膨 胀 施 工 温 度 控 制 施 加 温 度 预 应 力 混 凝 土 浇 筑 不 密 实 优 先 采 取 顶 升 法 采 取 足 尺 试 验 控 制 骨 料 配 合 比 塌 落 度 等 4.7.3 混 凝 土 浇 筑 形 式 的 选 择 钢 管 混 凝 土 柱 浇 筑 混 凝 土 的 主 要 方 式 有 以 下 两 种 1 高 位 抛 落 法, 即 利 用 自 密 实 混 凝 土 从 高 位 顺 钢 管 流 下, 自 上 而 下 进 行 浇 筑, 无 需 振 捣 2 泵 送 顶 升 法 采 用 混 凝 土 输 送 泵 直 接 将 高 流 态 混 凝 土 压 入 钢 管, 自 下 而 上 填 满 钢 管, 无 需 振 捣 由 于 钢 管 混 凝 土 梁 柱 内 隔 板 节 点 用 钢 量, 较 外 隔 板 显 著 降 低, 因 此 顶 升 法 多 配 合 内 隔 板 混 凝 土 的 施 工 隔 板 表 面 开 设 通 气 孔, 有 利 于 混 凝 土 浇 筑 密 实 度 的 保 障, 有 利 于 避 免 抛 落 法 混 凝 土 易 产 生 离 析 的 影 响 77
第 四 章 外 框 架 二 道 设 防 问 题 及 钢 管 混 凝 土 的 应 用 图 4.7.4 钢 管 混 凝 土 泵 送 顶 升 法 - 香 港 长 江 中 心 顶 升 法 利 于 现 场 工 作 面 的 展 开, 加 快 施 工 进 度, 如 图 4.7.4 所 示, 混 凝 土 灌 注 可 在 已 经 施 工 完 毕 的 楼 板 中 进 行, 在 钢 柱 侧 面 预 设 灌 浆 孔, 完 成 浇 筑 后 封 闭, 此 法 可 避 免 抛 落 法 高 空 作 业 的 安 全 危 险, 便 于 施 工 安 全 的 保 障 综 上 所 示, 钢 管 混 凝 土 柱 不 同 浇 筑 方 法 优 缺 点 如 下 表 4.7.3 钢 管 混 凝 土 不 同 浇 筑 形 式 比 较 项 目 优 点 缺 点 顶 升 法 抛 落 法 混 凝 土 密 实 度 控 制 较 好 ; 避 免 高 空 作 业, 有 利 安 全 ; 有 利 于 工 作 面 展 开, 加 快 施 工 进 度 ; 78 混 凝 土 需 专 门 配 置, 造 价 有 所 提 高 ; 对 施 工 机 具 有 一 定 要 求 ; 只 适 用 与 外 环 板 ; 混 凝 土 易 产 生 离 析 ; 施 工 难 度 较 大 ; 当 然, 采 用 何 种 浇 筑 方 法 还 需 要 视 施 工 承 包 商 的 技 术 力 量 与 施 工 经 验 而 定 4.7.4 防 火 性 能 及 涂 料 的 选 择 高 层 及 超 高 层 建 筑 结 构 防 火 是 一 项 必 须 重 视 的 问 题 钢 管 混 凝 土 柱 需 要 按 照 防 火 时 限 要 求 进 行 防 火 喷 涂 主 要 措 施 有 混 凝 土 或 水 泥 砂 浆 包 覆 法 防 火 涂 料 保 护 法 防 火 板 保 护 法 等 其 中 防 火 涂 料 分 为 膨 胀 型 ( 薄 涂 型 ) 和 非 膨 胀 型 ( 厚 涂 型 ) 两 类 对 于 钢 管 混 凝 土 柱, 因 其 内 部 存 在 大 量 吸 热 性 能 较 好 的 混 凝 土, 钢 管 和 混 凝 土 共 同 工 作, 从 而 使 其 比 纯 钢 结 构 柱 相 比 具 有 较 好 的 耐 火 性 能 此 外, 随 着 柱 截 面 增 大, 其 混 凝 土 热 容 量 越 大, 耐 火 时 间 也 就 越 长, 防 火 涂 料 厚 度 相 应 降 低, 因 此 对 其 防 火 设 计 可 不 必 按 照 纯 钢 结 构 要 求 进 行 根 据 国 家 标 准 高 层 民 用 建 筑 设 计 防 火 规 范 [81] 对 耐 火 等 级 为 一 级 的 框 架 柱 耐 火 极 限 3 小 时 的 要 求, 并 参 考 矩 形 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 [82] 的 规 定, 建 议 对 圆 钢 管 混 凝 土 柱 采 用 厚 涂 型 防 火 涂 料, 由 于 钢 管 混 凝 土 柱 自 身 耐 火 能 力 较 好, 涂 料 可 以 较 薄, 其 厚 度 根 据 建 筑 钢 结 构 防 火 技 术 规 范 [83], 需 要 结 合 圆 钢 管 混 凝 土 柱 直 径 耐 火 极 限 以 及 数 值 ( 与 长 细 比 有 关 ), 查 表 确 定 以 上 文 所 列 钢 管 柱 为 例 ( 截 面 直 径 1.3m, 高 4.2m), 耐 火 时 限 3 小 时, 值 约 为 13, 则 其 防 火 涂 料 厚 度 仅 为 9mm 对 更 大 直 径 钢 管 混 凝 土 柱, 因 其 防 火 性
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 能 相 对 较 好, 也 可 考 虑 采 用 薄 涂 型 防 火 涂 料 或 防 火 漆, 施 用 面 漆 后 直 接 作 建 筑 表 面, 与 厚 涂 型 涂 料 相 比, 可 以 不 需 要 再 做 外 装 修 层, 柱 的 总 尺 寸 可 以 因 而 减 小 与 纯 钢 结 构 柱 相 比, 尤 其 对 于 大 直 径 钢 管 混 凝 土 柱, 其 防 火 涂 料 厚 度 及 对 柱 实 际 截 面 尺 寸 的 影 响 明 显 降 低, 同 时 涂 料 及 喷 涂 费 用 也 可 以 得 到 有 效 控 制 4.7.5 小 结 综 上 所 述, 钢 管 混 凝 土 柱, 特 别 是 圆 钢 管 混 凝 土 柱, 因 其 优 异 的 力 学 性 能, 在 框 筒 结 构 高 层 及 超 高 层 建 筑 外 框 架 构 件 选 型 中, 具 有 显 著 的 优 势, 并 在 超 高 层 建 筑 中 有 着 明 显 的 应 用 趋 势 随 着 近 年 来 众 多 实 际 项 目 采 用 了 该 种 结 构 形 式, 并 在 施 工 技 术 及 工 艺 等 方 面 的 不 断 积 累 和 日 臻 成 熟, 钢 管 混 凝 土 已 经 具 备 了 相 当 的 可 实 施 性 钢 管 混 凝 土 柱 在 设 计 与 施 工 过 程 中, 在 梁 柱 节 点 形 式 的 选 择 混 凝 土 浇 筑 方 式 及 密 实 度 保 障 不 同 类 型 防 火 涂 料 的 选 择 等 方 面 又 存 在 许 多 值 得 分 析 和 比 较 的 问 题 具 体 的 选 择 还 需 要 结 合 建 筑 设 计, 综 合 抗 震 受 力 性 能 用 钢 量 及 造 价 混 凝 土 浇 筑 质 量 施 工 进 度 及 安 全 构 件 制 作 及 质 量 控 制 难 易 程 度 等 多 种 因 素, 权 衡 各 种 因 素 利 弊, 进 行 统 筹 考 虑 由 于 不 同 建 筑 类 型 及 结 构 高 度 等 条 件 的 变 化, 在 衡 量 不 同 方 案 时, 以 上 因 素 各 因 子 权 重 亦 会 发 生 相 应 变 化 如 在 高 震 区, 其 抗 震 要 求 显 著 提 高, 节 点 要 求 更 高 的 延 性 性 能 ; 对 于 超 高 层 建 筑, 其 用 钢 量 及 造 价 对 节 点 形 式 选 择 相 对 敏 感 ; 对 于 工 期 要 求 紧 张 的 建 筑, 施 工 进 度 及 时 间 成 本 便 成 为 不 可 忽 视 的 重 要 因 素 ; 对 于 特 殊 和 复 杂 节 点 ( 如 斜 交 或 多 层 加 劲 ) 的 建 筑, 其 连 接 的 便 利 便 成 为 梁 柱 节 点 首 要 的 选 择 ; 对 于 小 直 径 钢 管 柱 ( 甚 至 轧 制 型 钢 管 ), 其 肋 板 的 加 工 和 焊 接 又 不 便 采 用 内 隔 板 ; 对 于 不 同 的 承 包 商 和 材 料 供 应 环 境 ( 混 凝 土 制 备 质 量 ), 在 设 计 方 案 时 还 需 考 虑 其 施 工 质 量 管 理 和 技 术 水 平 的 影 响 因 此, 钢 管 混 凝 土 柱 的 设 计, 必 须 结 合 具 体 工 程 实 际, 进 行 深 入 比 较 和 分 析 研 究 一 般 来 讲, 对 于 典 型 的 超 高 层 建 筑, 钢 管 混 凝 土 柱 的 直 径 往 往 较 大, 在 承 包 商 具 备 相 应 技 术 和 管 理 水 平 的 条 件 下, 采 用 穿 心 节 点 配 合 混 凝 土 顶 升 法, 这 一 设 计 选 型 对 于 提 高 节 点 延 性 性 能, 保 证 混 凝 土 密 实 度, 节 省 用 钢 量, 加 快 施 工 进 度 等 方 面 具 有 更 高 的 技 术 经 济 性 能, 综 合 设 计 和 施 工 各 项 因 素, 可 为 优 先 考 虑 的 方 案 79
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 5.1 简 述 基 于 性 能 的 设 计 方 法 已 引 起 工 程 界 的 关 注, 在 超 限 高 层 建 筑 的 结 构 抗 震 设 计 中, 采 用 基 于 性 能 要 求 的 抗 震 设 计 方 法, 有 助 于 提 高 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 计 的 可 靠 性 避 免 抗 震 安 全 隐 患, 同 时 又 促 进 高 层 建 筑 技 术 发 展 基 于 性 能 的 抗 震 设 计 理 念 和 方 法, 自 20 世 纪 90 年 代 在 美 国 兴 起, 并 日 益 得 到 工 程 界 的 关 注 美 国 的 ATC 40 (1996 年 ) [38] FEMA237 (1997 年 ) [39] 提 出 了 既 有 建 筑 评 定 加 固 中 使 用 多 重 性 能 目 标 的 建 议, 并 提 供 了 设 计 方 法 美 国 加 州 结 构 工 程 师 协 会 SEAO 于 1995 年 提 出 了 新 建 房 屋 基 于 性 能 的 抗 震 设 计 [40] 1998 年 和 2000 年, 美 国 FEMA 又 发 布 了 几 个 有 关 基 于 性 能 的 抗 震 设 计 文 件 [41]~[44] 2003 年 美 国 ICC ( International Code Council ) 发 布 了 建 筑 物 及 设 施 的 性 能 规 范 [45], 其 内 容 广 泛, 涉 及 房 屋 的 建 筑 结 构 非 结 构 及 设 施 的 正 常 使 用 性 能 遭 遇 各 种 灾 害 时 ( 火 风 地 震 等 ) 的 性 能 施 工 过 程 及 长 期 使 用 性 能, 该 规 范 对 基 于 性 能 设 计 方 法 的 重 要 准 则 作 了 明 确 的 规 定 日 本 也 开 始 将 抗 震 性 能 设 计 的 思 想 正 式 列 入 设 计 和 加 固 标 准 中, 并 已 由 建 筑 研 究 所 (BRI) 提 出 了 一 个 性 能 标 准 [46] 欧 洲 混 凝 土 协 会 (CEB) 于 2003 年 出 版 了 钢 筋 混 凝 土 建 筑 结 构 基 于 位 移 的 抗 震 设 计 报 告 [47] 澳 大 利 亚 则 在 基 于 性 能 设 计 的 整 体 框 架 以 及 建 筑 防 火 性 能 设 计 等 方 面 做 了 许 多 研 究, 提 出 了 相 应 的 建 筑 规 范 (BCA 1996) [48] 我 国 现 行 的 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB50011-2001) 中, 对 性 能 化 设 计 ( 包 括 中 震 设 计 ) 的 内 容 涉 及 很 少, 仅 在 总 则 中 提 到 小 震 不 坏 中 震 可 修 大 震 不 倒 的 抗 震 设 防 目 标, 但 没 有 给 出 中 震 设 计 的 判 断 标 准 和 设 计 要 求 目 前 我 国 的 抗 震 设 计 是 以 小 震 为 设 计 基 础 的, 中 震 和 大 震 则 是 通 过 调 整 系 数 和 各 种 抗 震 构 造 措 施 来 保 证 的 规 范 的 这 些 规 定, 对 于 大 多 数 工 程 而 言, 其 结 构 安 全 性 是 有 保 证 的, 但 随 着 结 构 形 式 多 样 性 的 发 展, 复 杂 结 构 超 高 超 限 结 构 越 来 越 多, 对 中 震 设 计 的 要 求 也 越 来 越 多 目 前 在 超 高 超 限 施 工 图 审 查 中, 对 于 超 限 结 构 基 本 上 都 要 求 进 行 中 震 验 算 徐 培 福 等 在 文 献 [36] 中 指 出, 对 于 超 限 高 层 可 按 基 于 性 能 设 计 的 要 求 提 出 结 构 设 计 方 案, 尤 其 是 抗 震 设 防 类 别 为 乙 类 的 高 层 建 筑, 或 超 限 程 度 很 多 的 高 层 建 筑, 可 根 据 性 能 要 求 提 出 具 体 设 防 目 标 如 中 震 时 关 键 部 件 不 屈 服, 结 构 总 体 经 一 般 修 理 即 可 继 续 使 用 或 在 大 震 作 用 下 某 些 构 件 按 极 限 承 载 力 进 行 对 应 于 地 震 作 用 标 准 值 的 效 应 进 行 复 核 等 容 柏 生 在 国 内 高 层 建 筑 结 构 设 计 的 若 干 新 进 展 [65] 也 中 指 出 : 目 前 我 国 小 震 不 坏 中 震 可 修 大 震 不 倒 和 两 阶 段 设 计 的 抗 震 设 防 目 标 和 设 计 方 法 对 于 一 般 结 构 基 本 是 适 用 的, 但 对 大 型 和 复 杂 结 构 来 说, 就 显 得 不 够 具 体, 甚 至 可 以 说 把 握 性 不 大 因 此, 在 这 类 结 构 的 抗 震 设 计 中, 基 本 上 都 补 充 提 出 一 些 具 体 的 抗 震 性 能 目 标, 如 要 求 某 些 重 要 构 件 在 中 震 下 处 于 弹 性 或 不 屈 服 或 某 重 要 部 位 在 大 震 下 不 破 坏 才 能 保 证 大 震 不 倒 等, 其 实 这 就 等 于 81
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 进 入 了 基 于 性 能 的 抗 震 设 计 方 法 范 畴 5.2 常 规 设 计 以 及 其 内 力 调 整 我 国 三 水 准 两 阶 段 的 抗 震 设 计 原 则, 对 于 一 般 建 筑, 在 常 规 执 行 过 程 中, 在 多 遇 地 震 下, 对 于 如 强 柱 弱 梁 强 剪 弱 弯 设 置 底 部 加 强 区, 以 及 针 对 不 同 构 件 采 取 相 应 延 性 等 要 求, 主 要 是 通 过 对 各 构 件 内 力 进 行 一 系 列 调 整 以 及 满 足 诸 如 轴 压 比 等 构 造 措 施 来 实 现 如 ; 对 于 罕 遇 地 震, 则 更 多 的 是 依 靠 概 念 设 计, 控 制 如 结 构 高 度 高 宽 比, 以 及 刚 度 比 周 期 比 位 移 比 等 结 构 水 平 和 竖 向 连 续 性 和 体 系 规 则 性 的 宏 观 指 标 进 行 控 制 的, 对 于 绝 大 多 数 建 筑 设 计 来 讲, 是 一 种 较 为 实 用 和 有 利 的 手 段 本 文 第 二 章, 已 经 针 对 具 体 工 程, 简 要 介 绍 了 概 念 设 计 中 宏 观 指 标 的 控 制 要 点 以 下 则 以 剪 力 墙 和 框 架 柱, 尤 其 是 型 钢 混 凝 土 剪 力 墙 和 型 钢 混 凝 土 土 柱 为 例, 简 要 叙 述 多 遇 地 震 下 我 国 相 关 规 程 对 第 一 阶 段 构 件 设 计 的 一 些 设 计 特 点 和 地 震 力 调 整 原 则 5.2.1 剪 力 墙 1 轴 压 比 对 于 不 同 抗 震 等 级 的 剪 力 墙, 规 范 及 相 关 规 程 提 出 不 同 的 轴 压 比 限 值 要 求, 以 实 现 相 应 的 延 性 设 计 标 准 高 规 JGJ3-2002 [31] 第 7.2.14 条 规 定 : 抗 震 设 计 时, 一 二 级 抗 震 等 级 的 剪 力 墙 底 部 加 强 部 位, 其 重 力 荷 载 代 表 值 作 用 下 不 宜 超 过 表 5.2.1 的 限 值 表 5.2.1 高 规 剪 力 墙 轴 压 比 限 值 轴 压 比 一 级 (9 度 ) 一 级 (7 8 度 ) 二 级 N f A c 0.4 0.5 0.6 注 :N- 重 力 荷 载 代 表 值 作 用 下 剪 力 墙 墙 肢 的 轴 向 压 力 设 计 值 ; A- 剪 力 墙 墙 肢 截 面 面 积 ; f c - 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度 设 计 值 对 于 8 度 区 超 高 层 建 筑, 其 核 心 筒 抗 震 等 级 往 往 为 特 一 级, 如 按 乙 类 建 筑 考 虑, 则 其 轴 压 比 应 提 高 一 度 进 行 设 计, 则 为 0.4 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 [50] CECS230:2008, 以 下 简 称 混 合 结 构 设 计 规 程 则 对 于 高 层 混 合 结 构 常 见 的 型 钢 混 凝 土 剪 力 墙 轴 压 比, 根 据 有 无 端 柱 进 行 了 进 一 步 的 划 分, 如 第 6.3.14 条 规 定, 其 轴 压 比 限 值 见 表 5.2.2 表 5.2.2 混 合 结 构 设 计 规 程 剪 力 墙 轴 压 比 限 值 抗 震 等 级 特 一 级 一 级 (9 度 ) 一 级 (7 8 度 ) 二 级 有 端 柱 剪 力 墙 0.45 0.55 0.65 无 端 柱 剪 力 墙 0.40 0.50 0.60 82
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 该 规 程 在 轴 压 比 的 计 算 公 式 中, 明 确 的 将 剪 力 墙 内 型 钢 计 入 其 承 载 力, 如 下 公 式 : n = N A f + A f c c ss ss 计 值 式 中 N,A,f 均 与 前 相 同, A, f 则 分 别 为 剪 力 墙 内 型 钢 截 面 面 积 和 型 钢 抗 压 强 度 设 c c ss ss 对 于 组 合 钢 板 剪 力 墙, 虽 没 有 明 确 规 定, 但 在 满 足 相 应 构 造 要 求 的 情 况 下, 在 计 算 其 轴 压 比 时, 显 然 应 计 入 钢 板 的 面 积, 并 共 同 参 与 计 算 2 底 部 加 强 区 高 度 高 规 7.1.9 条, 对 于 非 框 支 结 构, 当 剪 力 墙 高 度 超 过 150m 时, 其 底 部 加 强 部 位 高 度 可 取 墙 肢 总 高 度 的 1/10 但 对 于 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构, 其 核 心 筒 应 提 出 更 高 的 延 性 要 求, 往 往 需 要 在 此 基 础 进 行 适 当 提 高 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 该 项 目, 根 据 专 家 的 要 求, 结 合 组 合 钢 板 剪 力 墙 的 布 置 ( 越 过 第 一 加 强 层 两 层 ), 将 加 强 区 提 高 至 建 筑 第 16 层 ( 结 构 第 17 层 ) 3 墙 肢 截 面 剪 力 设 计 取 值 高 规 7.2.10 条, 对 于 剪 力 墙 底 部 加 强 部 位 墙 肢 截 面 的 剪 力 设 计 值, 一 二 三 级 抗 震 等 级 时 应 按 下 式 调 整, 四 级 抗 震 等 级 及 无 地 震 作 用 组 合 时 可 不 调 整 V = η V VW W η VW 计 算 值 为 剪 力 调 整 系 数, 一 级 为 1.6, 二 级 为 1.4, 三 级 为 1.2: V W 为 考 虑 地 震 组 合 的 剪 力 4 墙 肢 截 面 弯 矩 设 计 取 值 高 规 7.2.6 条, 一 级 抗 震 等 级 设 计 的 剪 力 墙 各 截 面 弯 矩 设 计 值, 底 部 加 强 部 位 及 其 上 一 层 应 按 墙 底 截 面 组 合 弯 矩 计 算 值 采 用 ; 其 他 部 位 可 按 墙 肢 组 合 弯 矩 计 算 值 的 1.2 倍 采 用 5.2.2 框 架 柱 1 轴 压 比 高 规 JGJ3-2002 [31] 第 11.3.3 条 规 定, 当 考 虑 抗 震 作 用 组 合 时, 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 型 钢 混 凝 土 柱 的 轴 压 比 不 宜 大 于 表 5.2.3 的 限 值 表 5.2.3 高 规 型 钢 混 凝 土 柱 轴 压 比 限 值 抗 震 等 级 一 二 三 轴 压 比 限 值 0.70 0.80 09 此 外 规 程 对 重 要 以 及 延 性 削 弱 的 构 件 提 出 了 修 正, 在 轴 压 比 的 计 算 中, 考 虑 了 型 钢 的 83
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 贡 献 混 合 结 构 设 计 规 程 [50] 对 于 型 钢 混 凝 土 柱 的 轴 压 比, 在 高 规 基 础 上 补 充 了 对 于 超 高 层 混 合 结 构 常 见 了 特 一 级 框 架 柱 轴 压 比 的 设 计 要 求, 同 时 依 据 不 同 结 构 类 型 进 行 了 细 分, 详 见 表 5.2.4 表 5.2.4 混 合 结 构 设 计 规 程 剪 力 墙 轴 压 比 限 值 结 构 类 型 抗 震 等 级 特 一 级 一 级 二 级 三 级 框 架 结 构 0.60 0.65 0.75 0.85 框 架 - 剪 力 墙 结 构 框 架 筒 体 结 构 筒 中 筒 结 构 0.65 0.70 0.80 0.90 值 得 指 出 的 是, 以 上 该 表 只 针 对 型 钢 混 凝 土 框 架 柱, 而 对 于 钢 管 混 凝 土 柱 则 未 予 规 定, 由 于 钢 管 混 凝 土 柱 优 异 的 延 性 性 能, 目 前, 我 国 相 关 各 规 程 并 无 此 限 值, 但 只 是 对 其 在 抗 震 设 计 时, 地 震 调 整 系 数 λ RE 取 为 1.0, 即 根 据 混 合 结 构 设 计 规 程 [50] 第 6.4.8 条, 对 地 震 力 不 予 调 整 2 柱 端 考 虑 地 震 组 合 的 弯 矩 设 计 值 调 整 高 规 第 6.2.1 条, 在 抗 震 设 计 时, 一 二 三 级 框 架 的 梁 柱 节 点 处, 除 顶 层 和 柱 子 轴 压 比 小 于 0.15 者 外, 柱 端 考 虑 地 震 作 用 组 合 的 弯 矩 设 计 值 应 按 梁 端 弯 矩 之 和 进 行 调 整, 即 柱 端 弯 矩 增 大 系 数 η c, 一 二 三 级 分 别 取 1.4 1.2 和 1.1; 3 柱 端 考 虑 地 震 组 合 的 剪 力 设 计 值 调 整 M = η M c c b 高 规 第 6.2.3 条, 在 抗 震 设 计 的 框 架 柱, 端 部 剪 力 设 计 值 应 将 柱 端 弯 矩 与 柱 净 高 之 比, 乘 以 柱 端 剪 力 增 大 系 数 η vc, 一 二 三 级 分 别 取 1.4 1.2 和 1.1; t b V = η ( M + M ) / H vc c c n 5.3 中 震 设 计 要 求 目 前 工 程 界 结 构 进 行 中 震 设 计 有 两 种 方 法 5.3.1 中 震 弹 性 设 计 结 构 的 抗 震 承 载 力 满 足 弹 性 设 计 要 求, 最 大 地 震 影 响 系 数 α max 按 照 表 5.3.1 取 值, 在 中 震 作 用 下, 计 算 可 不 考 虑 地 震 组 合 内 力 调 整 系 数 ( 即 强 柱 弱 梁 强 剪 弱 弯 调 整 系 数 ), 但 应 按 照 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) 第 5.6 节 采 用 作 用 分 项 系 数 材 料 分 项 系 数 和 抗 震 承 载 力 调 整 系 数, 构 件 承 载 力 计 算 时 材 料 强 度 采 用 设 计 值 84
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 表 5.3.1 不 同 地 震 作 用 下 最 大 地 震 影 响 系 数 参 数 设 防 烈 度 7 度 7.5 度 8 度 8.5 度 9 度 α max 小 震 0.08 0.12 0.16 0.24 0.32 中 震 0.23 0.33 0.46 0.66 0.80 β 大 震 0.50 0.72 0.90 1.20 1.40 中 / 小 2.875 2.75 2.875 2.75 2.5 大 / 小 6.25 6 5.625 5 4.375 [71] 注 : β 为 中 ( 大 ) 震 作 用 下 的 最 大 地 震 影 响 系 数 和 小 震 作 用 下 的 最 大 地 震 影 响 系 数 比 值 5.3.2 中 震 不 屈 服 设 计 地 震 作 用 下 的 内 力 按 中 震 进 行 计 算, 最 大 地 震 影 响 系 数 α max 按 照 表 5.3.1 取 值, 地 震 作 用 效 应 的 组 合 均 按 高 规 第 5.6 节 进 行, 但 分 项 系 数 均 取 不 大 于 1.0, 计 算 可 不 考 虑 地 震 组 合 内 力 调 整 系 数, 构 件 承 载 力 计 算 时 材 料 的 强 度 取 标 准 值 5.4 性 能 化 设 计 的 特 点 为 保 证 结 构 满 足 抗 震 规 范 中 提 出 的 抗 震 设 防 目 标, 文 献 [71] 中 提 出 了 性 能 化 设 计 的 一 些 特 点 : 1) 在 高 烈 度 地 区, 对 于 结 构 中 比 较 重 要 的 抗 侧 力 构 件, 比 如 框 支 剪 力 墙 结 构 中 的 框 支 梁 柱 和 落 地 剪 力 墙 ; 连 体 结 构 中 与 连 体 部 分 内 侧 相 连 的 框 架 柱 剪 力 墙 ; 各 种 结 构 形 式 中 出 现 的 跃 层 柱 ; 框 筒 结 构 中 的 角 柱 ; 版 柱 - 剪 力 墙 结 构 中 的 剪 力 墙 等 构 件, 宜 进 行 中 震 弹 性 验 算, 其 他 竖 向 构 件 宜 进 行 中 震 不 屈 服 验 算, 以 保 证 结 构 在 地 震 作 用 下 满 足 规 范 要 求 2) 由 于 按 照 中 震 设 计 时, 没 有 考 虑 结 构 的 强 柱 弱 梁 强 剪 弱 弯 等 系 数, 因 此 按 中 震 设 计 的 内 力 值 不 一 定 比 小 震 计 算 的 内 力 大 3) 目 前 的 SATWE 等 软 件 在 进 行 中 震 设 计 时 均 采 用 振 型 分 解 法, 并 假 定 结 构 所 有 构 件 在 中 震 作 用 下 的 刚 度 不 退 化 因 此 这 种 方 法 计 算 出 来 的 中 震 作 用 下 的 结 构 周 期 与 小 震 作 用 下 的 周 期 值 是 一 样 的 这 样, 就 考 虑 不 了 在 高 烈 度 区 中 震 作 用 下, 一 些 结 构 由 于 某 些 构 件 刚 度 退 化 而 造 成 周 期 变 长 的 事 实 另 外, 对 于 长 周 期 结 构, 由 于 地 震 影 响 系 数 在 长 周 期 段 下 降 较 快, 采 用 振 型 分 解 时 出 现 地 震 作 用 下 的 结 构 效 应 可 能 偏 小, 此 时 宜 采 用 弹 性 动 力 时 程 分 析 等 补 充 计 算 文 献 [70] 亦 指 出 : 在 高 层 结 构 中, 倾 覆 力 矩 随 高 度 增 长 很 快, 而 外 框 架 柱 因 力 臂 大, 往 往 受 倾 覆 力 矩 影 响 比 较 明 显, 表 现 为 框 架 柱 的 轴 拉 压 力 在 高 烈 度 区, 地 震 作 用 效 应 明 显 加 大, 柱 子 在 地 震 往 复 作 用 下 产 生 的 拉 力 也 比 低 烈 度 区 增 加 很 多 在 进 行 多 遇 烈 度 ( 小 震 ) 地 震 抗 震 验 算 时, 框 架 柱 中 产 生 的 拉 力 往 往 相 对 于 结 构 由 恒 荷 载 和 活 荷 载 产 生 的 压 力 较 小, 因 此 多 能 控 制 在 偏 压 状 态. 但 随 着 输 人 加 速 度 峰 值 的 增 加, 框 架 柱 拉 力 也 将 随 之 增 大. 柱 的 轴 力 状 态 则 有 可 能 从 受 压 状 态 进 人 受 拉 状 态 因 此 墙 柱 在 中 震 乃 至 大 震 下 受 拉 破 坏 是 超 高 层 结 构 中 一 个 明 显 特 征 85
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 5.5 本 工 程 的 特 点 及 措 施 结 合 本 工 程 具 体 情 况 确 定 结 构 性 能 目 标 见 表 5.3.1 表 5.5.1 结 构 抗 震 设 计 性 能 目 标 地 震 烈 度 水 准 多 遇 地 震 设 防 烈 度 罕 遇 地 震 性 能 水 平 定 性 描 述 不 损 坏 可 修 复 的 损 坏 无 倒 塌 层 间 位 移 限 值 h/500 - h/100 核 心 筒 弹 性 按 规 范 设 计 要 求 弹 性 抗 剪 截 面 不 屈 服 允 许 进 入 塑 性 控 制 塑 性 变 形 构 件 性 能 外 框 筒 钢 管 混 凝 土 柱 边 框 梁 伸 臂 桁 架 腰 桁 架 弹 性 按 规 范 设 计 要 求 弹 性 按 规 范 设 计 要 求 弹 性 允 许 进 入 塑 性 不 屈 服 允 许 进 入 塑 性 控 制 塑 性 变 形 允 许 进 入 塑 性 控 制 塑 性 变 形 其 它 结 构 构 件 规 范 设 计 要 求 - - 5.5.1 中 震 设 计 为 考 察 中 震 ( 重 现 期 为 475 年 ) 作 用 下 剪 力 墙 和 框 架 柱 的 抗 震 性 能, 采 用 符 合 规 范 的 中 震 反 应 谱 (Ⅱ 类 场 地 土 ) 进 行 了 弹 性 反 应 谱 分 析, 地 震 影 响 系 数 最 大 值 α max =0.46, 即 地 震 力 较 多 遇 地 震 放 大 2.87 倍 分 析 的 主 要 目 的 是 确 定 中 震 下 以 上 构 件 是 否 满 足 抗 震 性 能 中 对 其 的 设 计 要 求 根 据 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002) 中 5.6.4 条 要 求, 在 要 求 中 震 弹 性 部 分 构 件 验 算 分 析 中 采 用 如 下 荷 载 组 合 : 其 中 γ RE = 0.85 γ RE [1.2 ( 横 载 +0. 5 活 载 ) ± 1.3EQ x ] γ RE [1.2 ( 横 载 +05. 活 载 ) ± 1.3EQ y ] 在 要 求 中 震 不 屈 服 部 分 构 件 验 算 分 析 中 采 用 如 下 荷 载 组 合 : 其 中 γ RE = 1.0 γ RE [1.0 ( 横 载 +05. 活 载 ) ± 1.0EQ x ] γ RE [1.0 ( 横 载 +05. 活 载 ) ± 1.0EQ y ] 其 中 EQ 和 EQ 分 别 为 对 应 中 震 反 应 谱 X 及 Y 方 向 地 震 作 用 下 的 构 件 内 力, 组 合 中 不 x y 考 虑 风 荷 载 影 响 且 不 对 地 震 作 用 放 大 系 数 作 进 一 步 调 整, 此 外 材 料 弹 性 设 计 时 采 用 设 计 值, 不 屈 服 应 用 标 准 值 86
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 5.5.2 地 震 工 况 及 内 力 调 整 值 得 指 出 的 是, 如 前 文 所 述, 由 于 我 国 规 范 对 于 超 限 高 层 的 设 计 要 求 内 容 较 少, 绝 大 部 分 的 设 计 内 力 调 整 和 限 值 要 求 是 基 于 小 震 进 行 的, 而 对 于 中 震 乃 至 大 震 的 设 计 考 虑, 多 采 取 在 结 构 方 案 布 置 构 造 措 施 等 方 面 进 行 体 现 的, 对 于 一 般 结 构 来 讲 是 符 合 实 际 要 求 的 但 对 于 超 限 结 构, 就 显 得 很 不 具 体 但 是, 实 施 性 能 化 设 计 后, 许 多 重 要 构 件 均 需 采 用 中 震 条 件 下 进 行 设 计, 如 果 不 针 对 结 构 及 内 力 进 行 必 要 的 调 整, 往 往 可 能 出 现 较 大 的 隐 患 具 体 工 程 设 计 在 超 限 审 查 过 程 中, 仍 然 可 能 将 小 震 下 对 剪 力 的 某 些 调 整 措 施 延 伸 至 中 震 设 计 基 于 本 人 对 部 分 超 限 工 程 设 计 经 验 的 初 步 总 结, 以 下 情 况 ( 不 仅 包 括 ) 可 能 对 中 震 工 况 下 设 计 内 力 进 行 调 整 1 长 周 期 结 构 剪 重 比 调 整 对 于 自 振 周 期 大 于 6 秒 的 超 长 周 期 结 构, 由 于 其 第 一 周 期 大 于 我 国 抗 震 规 范 GB50011-2001 反 应 谱 标 定 限 值, 如 将 其 第 二 衰 减 段 ( 即 平 直 段 ) 沿 直 线 延 伸 并 取 用, 其 剪 重 比 往 往 在 小 震 下 不 满 足 规 范 要 求, 需 按 照 规 范 进 行 调 整 ( 强 制 性 条 文 ), 但 这 类 结 构 其 构 件 设 计 多 按 照 性 能 化 设 计 要 求 并 按 照 中 震 进 行 复 核 设 计 的, 如 采 用 中 震 反 应 谱 的 结 构 内 力, 并 将 其 与 结 构 自 重 比 较, 同 时 将 减 重 比 在 小 震 下 的 限 值 按 照 地 震 影 响 系 数 中 震 / 小 震 系 数 放 大 后 仍 不 满 足 其 设 计 要 求, 设 计 内 力 偏 低, 此 时 对 于 中 震 下 剪 重 比 的 调 整 就 显 得 必 要 2 超 高 层 混 合 结 构 外 框 架 剪 力 比 调 整 对 于 外 框 架 剪 力 分 配 的 要 求, 前 文 已 做 论 述, 应 该 强 调 的 是 规 范 对 其 的 调 整 是 基 于 小 震 弹 性 状 态 下 进 行 的, 同 样 基 于 构 件 设 计 的 安 全 要 求, 对 于 混 合 结 构 外 框 架, 尤 其 是 柱 和 腰 桁 架 在 中 震 工 况 下 其 外 框 架 剪 力 往 往 仍 需 要 进 一 步 调 整 设 计, 但 幅 度 可 能 与 小 震 不 同 例 如 本 工 程 根 据 抗 震 审 查 意 见 ( 见 本 文 末 尾 ), 外 框 架 采 用 小 震 下 按 照 0.2V 0 与 1.5V max 取 较 大 值 中 震 时 取 较 小 值 进 行 调 整 设 计 5.5.3 核 心 筒 墙 肢 中 震 弹 性 验 算 混 凝 土 剪 力 墙 按 中 震 弹 性 控 制, 此 处 采 用 截 面 分 析 软 件 XTRACT 对 其 压 弯 承 载 力 进 行 了 验 算 该 程 序 可 分 别 定 义 剪 力 墙 截 面 中 的 型 钢 钢 板 钢 筋 及 混 凝 土 部 分, 依 据 平 截 面 假 定 计 算 得 到 截 面 的 承 载 能 力 图 5.5.2 为 各 主 要 墙 肢 分 布 的 示 意 图, 表 5.5.2 为 各 楼 层 剪 力 墙 中 钢 暗 柱 的 含 钢 率 剪 力 墙 的 验 算 结 果, 如 图 5.5.3 所 示, 以 第 二 十 九 至 三 十 四 层 剪 力 墙 为 例, 可 见 各 墙 肢 均 可 满 足 要 求 众 所 周 知, 对 于 剪 力 墙 边 缘 构 件, 由 于 受 到 箍 筋 的 约 束, 其 内 部 混 凝 土 会 在 三 向 受 压 状 态 下, 实 际 抗 压 强 度 会 有 部 分 提 高 但 值 得 指 出 的 是, 根 据 专 家 审 查 意 见, 在 中 震 下 对 于 墙 肢 的 压 弯 性 能 验 算, 无 论 是 中 震 弹 性 或 是 中 震 不 屈 服, 其 混 凝 土 材 料 抗 压 强 度 仍 采 用 规 范 规 定 的 设 计 值 或 标 准 值, 不 应 对 其 调 整 设 计 87
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 非 边 缘 构 件 剪 力 墙 肢 及 纵 向 钢 筋 边 缘 构 件 纵 向 钢 筋 及 型 钢 图 5.5.1 XTRACT 中 混 凝 土 剪 力 墙 分 析 截 面 示 意 典 型 暗 柱 截 面 图 5.5.2 混 凝 土 剪 力 墙 分 布 示 意 表 5.5.2 各 楼 层 钢 暗 柱 含 钢 率 列 表 ( 典 型 位 置 暗 柱 截 面, 如 上 图 所 示 ) F56-Roof( 顶 部 伸 臂 桁 架 处 上 下 一 层 ) 6.60% F51-F55 2.60% F45-F50 2.60% F41-F42( 加 强 层 及 上 下 一 层 ) 8.90% F29-F40,F43-F44 3.90% F26-F27( 加 强 层 及 上 下 一 层 ) 8.70% 88
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 F20-F25,F28 4.00% F17-F19 5.40% F2-F16 8.40% B4-F1 9.20% Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 500 400 P(MN) Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 450 400 350 P(MN) 300 300 250 200 200 100 150 100 0-2000 -1000 0 1000 2000 M(MN.m) -100-200 二 十 九 至 三 十 四 层 墙 肢 A 压 弯 校 核 50 M(MN.m) 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500-50 -100 二 十 九 至 三 十 四 层 墙 肢 B 压 弯 校 核 Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 350 300 250 P(MN) Capacity-P-Mx Capacity-P-My P-Mx P-My 400 350 300 P(MN) 200 250 150 200 100 50 M(MN.m) 0-1000 -500 0 500 1000-50 -100 二 十 九 至 三 十 四 层 墙 肢 C 压 弯 校 核 150 100 50 M(MN.m) 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500-50 -100 二 十 九 至 三 十 四 层 墙 肢 F 压 弯 校 核 图 5.5.3 二 十 九 至 三 十 四 层 剪 力 墙 ( 部 分 典 型 墙 肢 ) 压 弯 中 震 弹 性 验 算 89
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 5.5.4 钢 管 混 凝 土 柱 校 核 根 据 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 技 术 规 程 CECS 28:90 中 的 钢 管 混 凝 土 柱 的 设 计 公 式 和 对 受 拉 承 载 能 力 的 假 定, 对 各 层 的 外 框 架 钢 管 混 凝 土 柱 进 行 了 中 震 弹 性 验 算 外 框 架 钢 管 混 凝 土 柱 在 中 震 下 的 设 计 弯 矩 按 照 0.2V0 及 1.5Vmax 的 较 小 值 进 行 了 调 整 a) 首 层 ~2 层 b) 3~12 层 c) 25~28 层 ( 第 二 加 强 层 ) d) 54~ 屋 顶 层 1 ( 顶 部 加 强 层 ) 图 5.5.4 部 分 典 型 楼 层 钢 管 混 凝 土 柱 中 震 弹 性 验 算 90
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 5.5.5 性 能 化 设 计 的 比 较 如 图 5.5.5 所 示, 将 本 工 程 外 框 架 32 根 钢 管 混 凝 土 柱 在 小 震 及 中 震 下 底 部 楼 层 (3-12 层 ) 设 计 内 力 分 别 投 影 于 压 弯 承 载 力 P-M 线 中, 可 见 在 中 震 下 随 着 地 震 影 响 系 数 的 提 高, 其 设 计 压 弯 内 力 将 出 现 明 显 提 高, 同 时 其 地 震 拉 力 开 始 大 于 结 构 自 重, 表 现 为 构 件 在 拉 弯 区 域 内 出 现 内 力 投 影, 由 于 混 凝 土 抗 拉 能 力 很 弱, 此 时 将 完 全 依 靠 钢 构 件 材 料 本 身 的 抗 拉 能 力, 这 是 在 超 高 层 结 构 中 采 用 性 能 化 设 计 表 现 出 的 一 大 特 点 如 图 5.5.6 所 示, 将 顶 部 楼 层 钢 管 混 凝 土 柱 在 中 震 及 小 震 下 的 设 计 内 力 分 别 投 影 并 比 较, 可 见 在 中 震 下, 虽 然 其 地 震 影 响 系 数 远 大 于 小 震, 但 根 据 当 前 规 范 及 标 准, 关 于 强 柱 弱 梁 时 程 分 析 框 架 剪 力 比 等 对 地 震 剪 力 及 弯 矩 的 放 大 调 整 仅 应 用 于 小 震, 因 此 对 于 中 震 下 构 件 的 弯 矩 设 计 值 并 不 一 定 大 于 小 震 经 调 整 后 的 设 计 内 力 因 此, 在 实 际 设 计 工 作 中, 中 震 及 小 震 对 于 柱 的 验 算 应 分 别 进 行, 中 震 构 件 验 算 符 合 要 求 不 能 代 替 小 震 对 构 件 的 复 核 工 作 以 框 架 柱 为 例, 对 于 多 遇 地 震 ( 小 震 ), 其 设 计 弯 矩 应 根 据 规 范 要 求, 综 合 考 虑 强 柱 弱 梁 时 程 补 充 分 析 剪 重 比 框 架 分 担 剪 力 比 以 及 附 加 偏 心 矩 角 柱 等 因 素 对 计 算 弯 矩 的 调 整 这 也 是 结 构 性 能 化 设 计 的 一 个 值 得 注 意 的 特 点 a) 小 震 b) 中 震 图 5.5.5 底 部 楼 层 (3-12 层 ) 钢 管 混 凝 土 柱 多 遇 地 震 与 中 震 弹 性 验 算 校 核 结 果 91
第 五 章 抗 震 性 能 化 设 计 及 对 超 高 层 结 构 影 响 a) 小 震 b) 中 震 图 5.5.6 顶 部 楼 层 (54- 屋 顶 层 ) 钢 管 混 凝 土 柱 多 遇 地 震 与 中 震 弹 性 验 算 校 核 结 果 92
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 6.1 时 程 分 析 的 特 点 时 程 分 析 法 是 对 结 构 物 的 运 动 微 分 方 程 直 接 进 行 逐 步 积 分 求 解 的 一 种 动 力 分 析 方 法 由 时 程 分 析 可 得 到 各 质 点 随 时 间 变 化 的 位 移 速 度 和 加 速 度 动 力 反 应, 并 进 而 可 计 算 出 构 件 内 力 的 时 程 变 化 关 系 由 于 此 法 是 对 运 动 方 程 直 接 求 解, 又 称 此 法 是 对 运 动 方 程 直 接 求 解, 又 称 直 接 动 力 分 析 法 [72] 所 谓 时 程 分 析, 就 是 根 据 材 料 及 构 件 的 弹 性 ( 或 非 弹 性 ) 性 能 对 结 构 动 力 方 程 作 积 分 求 解 的 方 法 这 种 方 法 可 以 考 虑 地 震 动 的 振 幅 频 谱 和 持 时 的 三 个 要 素, 也 可 以 考 虑 地 震 环 境 和 场 地 条 件 的 影 响, 能 够 对 结 构 进 行 非 线 性 分 析, 还 可 以 计 算 能 量 损 耗 和 损 伤 等, 可 以 获 得 更 多 的 有 用 信 息, 可 以 说 时 程 分 析 是 一 个 真 正 的 动 力 分 析 方 法 [73] 底 部 剪 力 法 和 振 型 分 解 反 应 谱 都 是 反 应 谱 理 论, 反 应 谱 理 论 仅 反 应 了 地 震 动 的 振 幅 频 谱 两 个 要 素, 而 且 在 设 计 中 把 地 震 惯 性 力 看 作 是 静 力, 所 以 说 反 映 谱 理 论 仅 是 一 种 准 动 力 法 [74] 由 于 反 应 谱 法 是 基 于 弹 性 假 设, 采 用 了 叠 加 原 理 [75], 并 属 于 等 效 静 力 方 法, 所 以 使 用 范 围 有 局 限 性 经 多 次 震 害 分 析 发 现 仅 用 反 应 谱 法 进 行 抗 震 设 计 不 能 正 确 解 释 一 些 破 坏 现 象, 甚 至 有 时 不 能 保 证 某 些 结 构 的 安 全, 因 而 促 使 结 构 抗 震 分 析 发 展 并 进 入 动 力 分 析 阶 段, 以 更 真 实 地 描 述 结 构 地 震 反 应, 校 正 与 补 充 反 应 谱 法 分 析 的 误 差 与 不 足 时 程 分 析 法 与 反 应 谱 法 主 要 的 区 别 是 [72] : 1) 反 应 谱 法 采 用 的 设 计 反 应 谱 只 反 应 了 地 震 动 强 度 与 平 均 频 谱 特 性, 而 时 程 分 析 则 全 面 反 应 了 地 震 动 强 度 谱 特 征 与 持 续 时 间 三 要 素 ; 2) 反 应 谱 法 是 基 于 弹 性 假 设, 而 时 程 分 析 系 直 接 考 虑 构 件 与 结 构 弹 塑 性 特 征, 可 以 正 确 的 找 出 结 构 薄 弱 环 节, 以 便 控 制 在 罕 遇 地 震 作 用 下 结 构 弹 塑 性 反 应, 防 止 房 屋 倒 塌 的 产 生 ; 3) 反 应 谱 法 只 能 分 析 最 大 地 震 反 应, 而 用 时 程 法 分 析 可 给 出 随 时 间 变 化 的 反 应 时 程 曲 线, 由 此 可 以 找 出 各 构 件 出 现 塑 性 铰 的 顺 序, 判 别 结 构 破 化 机 理 6.2 技 术 规 范 要 求 弹 性 时 程 分 析 法 作 为 补 充 计 算 方 法, 在 高 层 建 筑 结 构 分 析 中 已 得 到 比 较 普 遍 的 应 用 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 设 计 规 程 [31] 3.3.4 条 规 定 : 7~9 度 抗 震 设 防 的 高 层 建 筑, 下 列 情 况 应 采 用 弹 性 时 程 分 析 法 进 行 多 遇 地 震 下 的 补 充 计 算 : 1) 甲 类 高 层 建 筑 结 构 ; 2) 表 6.2.1 所 列 的 乙 丙 类 高 层 建 筑 结 构 ; 93
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 3) 不 满 足 该 规 程 第 4.4.2~4.4.5 条 规 定 的 高 层 建 筑 结 构 ; 4) 该 规 程 第 10 章 规 定 的 复 杂 高 层 建 筑 结 构 ; 5) 质 量 沿 竖 向 分 布 特 别 不 均 匀 的 高 层 建 筑 结 构 ; 表 6.2.1 采 用 时 程 分 析 法 的 高 层 建 筑 结 构 设 防 烈 度 场 地 类 别 建 筑 高 度 范 围 8 度 Ⅰ Ⅱ 类 场 地 和 7 度 s>100m 8 度 Ⅲ Ⅳ 类 场 地 >80m 9 度 >60m 第 3.3.5 条 规 定 : 按 本 规 程 第 3.3.4 条 规 定 进 行 动 力 时 程 分 析 时, 应 符 合 下 列 要 求 : 应 按 建 筑 场 地 类 别 和 设 计 地 震 分 组 选 用 不 少 于 二 组 实 际 地 震 记 录 和 一 组 人 工 模 拟 的 加 速 度 时 程 曲 线, 其 平 均 地 震 影 响 系 数 曲 线 应 与 振 型 分 解 反 应 谱 法 所 采 用 的 地 震 影 响 系 数 曲 线 在 统 计 意 义 上 相 符, 且 弹 性 时 程 分 析 时, 每 条 时 程 曲 线 计 算 所 得 的 结 构 底 部 剪 力 不 应 小 于 振 型 分 解 反 应 谱 法 求 得 的 底 部 剪 力 的 65%, 多 条 时 程 曲 线 计 算 所 得 的 结 构 底 部 剪 力 的 平 均 值 不 应 小 于 振 型 分 解 反 应 谱 法 求 得 的 底 部 剪 力 的 80% 地 震 波 的 持 续 时 间 不 宜 小 于 建 筑 结 构 基 本 自 振 周 期 3~4 倍, 也 不 宜 少 于 12s, 地 震 波 的 时 间 间 距 可 取 0.01s 或 0.02s; 输 入 地 震 加 速 度 的 最 大 值, 可 按 表 6.2.2 采 用 ; 表 6.2.2 时 程 分 析 输 入 地 震 加 速 度 的 最 大 值 设 防 烈 度 7 度 8 度 9 度 多 遇 地 震 35(55) 70(110) 140 罕 遇 地 震 220(310) 400(510) 620 注 :7 8 度 时 括 号 内 数 值 分 别 用 于 设 计 基 本 地 震 加 速 度 为 0.15g 和 0.30g 的 地 区, 此 处 g 为 重 力 加 速 度 6.3 时 程 波 的 选 取 与 调 整 王 亚 勇 刘 小 弟 程 民 宪 在 文 献 [32] 以 及 王 松 涛 曹 资 在 文 献 [33] 中 指 出, 由 于 地 震 动 的 随 机 性 及 不 同 地 震 波 计 算 结 果 的 差 异 性, 合 理 选 择 地 震 波 来 进 行 直 接 动 力 分 析 是 保 证 计 算 结 果 可 靠 性 的 重 要 问 题 国 内 外 学 者 研 究 表 明, 虽 然 对 建 筑 物 场 地 的 未 来 地 震 动 难 以 准 确 定 量 确 定, 但 只 要 正 确 选 择 地 震 动 主 要 参 数, 同 时 所 选 用 的 地 震 波 基 本 符 合 这 些 主 要 参 数, 则 时 程 分 析 结 果 可 以 较 真 实 地 体 现 在 未 来 地 震 作 用 下 的 结 构 反 映, 满 足 工 程 所 需 要 的 精 确 度 当 今 国 际 公 认 地 震 动 三 要 素 为 : 1) 地 震 动 强 度 ; 2) 地 震 动 谱 特 性 ; 3) 地 震 动 持 续 时 间 94
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 下 文 分 别 介 绍 以 上 三 要 素 相 应 的 调 整 及 处 理 措 施 6.3.1 地 震 动 强 度 抗 震 分 析 中, 以 地 震 过 程 中 加 速 度 最 大 值 ( 峰 值 ) 的 大 小 作 为 强 度 标 准 对 选 用 的 地 震 记 录 加 速 度 峰 值 进 行 适 当 的 比 例 放 大 或 缩 小, 使 峰 值 加 速 度 相 当 于 与 设 防 烈 度 相 应 的 罕 遇 地 震 时 的 加 速 度 峰 值 加 速 度 峰 值 按 以 下 公 式 调 整 : ' Amax ( ) = a( t) A ' a t max 式 中 ' ' a ( t ) A 调 整 后 地 震 加 速 度 曲 线 及 峰 值 ; max a ( t ) A 调 整 前 地 震 加 速 度 曲 线 及 峰 值 ; max 按 照 现 行 抗 震 规 范 两 阶 段 设 计 的 要 求, 需 分 别 对 多 遇 地 震 与 罕 遇 地 震 作 用 进 行 时 程 分 析, 调 整 后 的 加 速 度 峰 值 的 取 值, 根 据 设 防 烈 度 不 同, 按 照 规 定 按 表 6.2.2 取 值 6.3.2 地 震 动 谱 特 征 地 震 动 谱 特 征 包 括 谱 形 状 峰 值 卓 越 周 期 等 因 素, 与 震 源 机 制 地 震 波 传 播 途 径 反 射 折 射 散 射 和 聚 焦 以 及 场 地 土 特 性 局 部 地 质 条 件 等 多 种 因 素 相 关 研 究 表 明, 当 震 中 距 较 大 时, 不 论 是 基 岩 或 冲 击 层 软 土, 反 应 谱 的 卓 越 周 期 均 较 长, 说 明 长 周 期 成 分 传 播 较 远 在 强 震 发 生 时, 一 般 场 地 地 面 运 动 的 卓 越 周 期 将 与 场 地 土 的 自 振 周 期 相 互 接 近 [114] 因 此 在 选 用 地 震 波 时, 应 使 所 选 的 实 际 地 震 波 的 富 氏 谱 或 功 率 谱 的 卓 越 周 期 乃 至 谱 形 状, 应 尽 量 与 场 地 土 的 谱 特 性 相 一 致 根 据 抗 震 规 范, 不 同 场 地 类 别 不 同 分 组 下 的 特 征 周 期 值 如 下 表 : 表 6.3.1 特 征 周 期 值 (s) 场 地 类 别 设 计 地 震 分 组 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 第 一 组 0.25 0.35 0.45 0.65 第 二 组 0.30 0.40 0.55 0.75 第 三 组 0.35 0.45 0.65 0.90 6.3.3 地 震 动 持 续 时 间 根 据 抗 震 规 范 要 求, 输 入 的 地 震 加 速 度 时 程 曲 线 的 持 续 时 间, 不 论 实 际 的 强 震 记 录 还 95
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 是 人 工 模 拟 波 形, 一 般 为 结 构 基 本 周 期 的 5~10 倍 此 外, 文 献 [33] 中 进 一 步 要 求, 波 形 应 保 证 选 择 的 持 续 时 间 内 包 含 地 震 记 录 最 强 部 分 ; 当 对 结 构 进 行 最 大 地 震 反 映 分 析 时, 持 续 时 间 T 可 选 短 些, 当 分 析 地 震 作 用 下 结 构 的 耗 能 过 程 时, 则 T 应 选 的 长 些 6.4 超 限 高 层 的 时 程 分 析 超 限 高 层 建 筑 的 抗 震 设 计, 往 往 需 要 采 用 时 程 分 析 法 进 行 补 充 计 算 文 献 [36] 关 于 超 限 高 层 建 筑 抗 震 设 防 审 查 的 若 干 讨 论 中 指 出, 结 构 时 程 分 析 所 用 的 地 震 波 和 计 算 结 果 除 满 足 规 范 要 求 外, 在 此 基 础 上 对 反 应 谱 法 和 时 程 分 析 的 结 果 进 行 比 较, 不 仅 对 总 地 震 作 用 和 最 大 层 间 位 移 进 行 比 较, 还 要 对 楼 层 的 剪 力 和 层 间 位 移 沿 高 度 的 分 布 进 行 比 较, 取 二 者 的 不 利 情 况 设 计 文 献 [37] 进 一 步 指 出, 时 程 分 析 与 反 应 谱 对 计 算 结 果 的 比 较, 不 仅 要 比 较 各 层 的 地 震 作 用 力 楼 层 剪 力 和 层 间 位 移 的 大 小, 按 较 大 值 检 查 构 件 的 截 面 和 配 筋 ; 还 要 分 析 相 邻 层 的 变 化 程 度, 发 现 突 变 部 位, 有 助 于 判 断 薄 弱 部 位 当 超 限 高 层 建 筑 的 高 度 较 大 或 比 较 复 杂 时, 尚 可 采 用 多 条 波 的 包 络 或 平 均 值 加 一 倍 方 差 作 为 时 程 计 算 结 果 参 与 比 较 6.5 本 工 程 小 震 弹 性 时 程 分 析 情 况 与 特 点 6.5.1 时 程 波 的 选 取 在 结 构 的 小 震 分 析 中 采 用 三 组 强 震 加 速 度 记 录 作 为 动 力 时 程 分 析 的 地 震 波 输 入 在 三 组 强 震 记 录 中, 根 据 规 范 要 求, 一 组 为 与 设 计 目 标 反 应 谱 相 符 的 人 工 模 拟 加 速 度 时 程, 其 余 二 组 为 与 设 计 目 标 反 应 谱 相 符 的 真 实 强 震 加 速 度 记 录 在 对 所 选 时 程 波 进 行 筛 选 审 查 过 程 中, 如 图 6.5.1 所 示, 三 条 波 持 时 均 可 满 足 规 范 要 求, 此 外 将 时 程 波 转 换 为 加 速 度 反 应 谱 后, 图 6.5.2 其 特 征 周 期 ( 即 时 程 反 应 谱 平 台 段 长 度 ) 与 场 地 周 期 T g ( 规 范 反 应 谱 平 台 长 度 ) 接 近, 满 足 该 时 程 对 本 场 地 抗 震 设 计 的 需 要 在 实 际 应 用 过 程 中, 还 需 将 其 峰 值 按 照 规 范 要 求 进 行 修 正, 按 照 1:0.85 按 照 双 方 向 进 行 加 载 96
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 速 度 (cm/s2) 80 60 40 天 然 波 ( 小 震 )GMS1 20 0 0.00-20 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00-40 -60-80 时 间 (s) a 天 然 地 震 波 1 时 程 曲 线 加 速 度 (cm/s2) 80 60 40 天 然 波 ( 小 震 )GMS2 20 0 0.00-20 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00-40 -60-80 时 间 (s) b 天 然 地 震 波 2 时 程 曲 线 80 60 -- 人 工 波 ( 小 震 )GMS3 加 速 度 (cm/s2) 40 20 0 0.00-20 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00-40 -60-80 时 间 (s) c 人 工 地 震 波 时 程 曲 线 图 6.5.1 小 震 时 程 分 析 所 用 加 速 度 时 程 曲 线 97
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 Horizontal Force Coefficient, a 地 震 影 响 系 数 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 地 震 波 时 程 地 震 影 响 系 数 曲 线 与 中 国 规 范 及 安 评 报 告 反 应 谱 对 比 天 然 波 ( 小 震 )GMS1 天 然 波 ( 小 震 )GMS2 人 工 波 ( 小 震 )GMS3 多 遇 地 震 Tg=0.35s (GB50011-2001) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 周 期 /Period (s) 图 6.5.2 小 震 时 程 所 对 应 地 震 影 响 系 数 曲 线 与 中 国 规 范 对 比 图 6.5.1 及 图 6.5.2 给 出 了 所 用 地 震 波 的 时 程 以 及 其 所 达 到 的 反 应 谱 曲 线, 并 与 目 标 反 应 谱 进 行 了 比 较 比 较 可 见, 所 用 地 震 时 程 记 录 幅 值 与 持 时 满 足 规 范 要 求, 所 达 到 的 反 应 谱 曲 线 与 目 标 反 应 谱 曲 线 的 相 符 程 度 也 是 令 人 满 意 的 6.5.2 地 震 时 程 反 应 分 析 结 果 弹 性 时 程 分 析 所 得 到 的 基 底 反 力 如 表 6.5.1 所 示, 上 述 三 条 时 程 曲 线 作 用 下 的 基 底 剪 力 均 大 于 反 应 谱 法 的 65%, 且 平 均 值 大 于 反 应 谱 法 的 80%, 满 足 规 范 要 求 以 其 作 为 地 震 输 入 计 算 得 到 的 结 构 地 震 反 应 结 果 可 作 为 结 构 抗 震 设 计 依 据 的 补 充 表 6.5.1 小 震 时 程 计 算 所 得 基 底 剪 力 与 反 应 谱 法 结 果 比 较 SATWE 计 算 结 果 ETABS 计 算 结 果 地 震 作 用 地 震 作 用 地 震 作 用 地 震 作 用 -X 向 -Y 向 -X 向 -Y 向 天 然 波 1 天 然 波 2 人 工 波 1 三 条 时 程 平 均 值 规 范 反 应 谱 法 基 底 剪 力 (kn) 与 反 应 谱 法 比 值 基 底 剪 力 (kn) 与 反 应 谱 法 比 值 基 底 剪 力 (kn) 与 反 应 谱 法 比 值 基 底 剪 力 (kn) 与 反 应 谱 法 比 值 基 底 剪 力 (kn) 58319 44265 55417 41710 108% 80% 106% 78% 41217 50612 45294 53016 76% 91% 87% 99% 62727 42701 57826 43584 116% 77% 111% 81% 54088 45859 52846 46103 100% 83% 101% 86% 54068 55336 52259 53641 98
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 楼 层 60 50 X 向 天 然 波 1 X 向 天 然 波 2 X 向 人 工 波 X 向 平 均 值 X 向 规 范 反 应 谱 楼 层 60 50 Y 向 天 然 波 1 Y 向 天 然 波 2 Y 向 人 工 波 Y 向 平 均 值 Y 向 规 范 反 应 谱 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 楼 层 剪 力 (MN) 0 0 10 20 30 40 50 60 楼 层 剪 力 (MN) 图 6.5.3 地 震 作 用 下 楼 层 剪 力 分 布 (SATWE 计 算 结 果 ) 楼 层 60 50 X 向 天 然 波 1 X 向 天 然 波 2 X 向 人 工 波 X 向 平 均 值 X 向 规 范 反 应 谱 楼 层 60 50 Y 向 天 然 波 1 Y 向 天 然 波 2 Y 向 人 工 波 Y 向 平 均 值 Y 向 规 范 反 应 谱 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 10 20 30 40 50 60 楼 层 剪 力 (MN) 0 0 10 20 30 40 50 60 楼 层 剪 力 (MN) 图 6.5.4 地 震 作 用 下 楼 层 剪 力 分 布 (ETABS 计 算 结 果 ) 三 条 时 程 波 计 算 结 果 顶 部 楼 层 的 剪 力 大 于 反 应 谱 计 算 的 结 果, 顶 部 部 分 楼 层 弹 性 时 程 分 析 结 果 其 层 剪 力 大 于 振 型 分 解 反 应 谱 结 构 的 2 倍, 反 映 出 自 振 周 期 较 长 的 结 构, 其 高 振 型 对 于 高 柔 结 构 顶 部 鞭 梢 效 应 的 作 用 及 反 应 是 非 常 显 著 的 该 现 象 同 时 表 明, 弹 性 动 力 时 程 分 析 对 于 高 柔 结 构 特 别 是 发 现 反 应 谱 法 对 于 顶 部 楼 层 可 能 反 映 不 充 分 的 特 点 进 行 补 充 分 99
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 析 的 重 要 性, 根 据 专 家 审 查 意 见, 本 工 程 由 于 超 高 较 多, 在 小 震 弹 性 计 算 过 程 中, 地 震 剪 力 将 取 三 条 时 程 波 在 各 层 的 包 络 值, 而 非 规 范 所 指 的 平 均 值 结 果 进 行 构 件 补 充 验 算 下 表 列 出 了 弹 性 时 程 分 析 所 得 到 结 构 位 移 反 应 上 述 三 条 时 程 曲 线 作 用 下 的 最 大 层 间 位 移 角 均 小 于 规 范 限 值 的 1/500, 满 足 规 范 要 求 表 6.5.2 地 震 作 用 下 结 构 位 移 SATWE 计 算 结 果 ETABS 计 算 结 果 主 方 向 沿 X 方 向 主 方 向 沿 Y 方 向 主 方 向 沿 X 方 向 主 方 向 沿 Y 方 向 天 然 波 1 1/777 1/861 1/755 1/1011 天 然 波 2 最 大 层 间 1/692 1/640 1/737 1/755 人 工 波 1 位 移 比 1/689 1/883 1/678 1/956 规 范 反 应 谱 1/556 1/762 1/560 1/737 60 50 X 向 天 然 波 1 X 向 天 然 波 2 X 向 人 工 波 X 向 规 范 反 应 谱 规 范 限 值 60 50 Y 向 天 然 波 1 Y 向 天 然 波 2 Y 向 人 工 波 Y 向 规 范 反 应 谱 规 范 限 值 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 层 间 位 移 角 层 间 位 移 角 图 6.5.5 地 震 作 用 下 结 构 层 间 位 移 比 (SATWE 计 算 结 果 ) 100
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 50 X 向 天 然 波 1 X 向 天 然 波 2 X 向 人 工 波 X 向 规 范 反 应 谱 规 范 限 值 60 50 Y 向 天 然 波 1 Y 向 天 然 波 2 Y 向 人 工 波 Y 向 规 范 反 应 谱 规 范 限 值 40 40 楼 层 30 楼 层 30 20 20 10 10 0 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 层 间 位 移 角 层 间 位 移 角 图 6.5.6 地 震 作 用 下 结 构 层 间 位 移 比 (ETABS 计 算 结 果 ) 6.6 罕 遇 地 震 弹 塑 性 分 析 评 估 与 设 计 建 议 6.6.1 分 析 内 容 和 目 标 非 线 性 动 力 时 程 分 析 是 进 行 结 构 非 线 性 地 震 反 应 分 析 最 完 善 的 方 法 这 种 动 力 方 法 除 去 了 非 线 性 静 力 推 覆 分 析 方 法 的 局 限 性, 可 以 准 确 体 现 高 振 型 的 影 响, 也 能 够 正 确 的 自 动 地 对 多 向 地 震 输 入 的 效 应 进 行 迭 加 组 合 根 据 中 国 抗 震 设 计 规 范, 在 罕 遇 地 震 ( 第 三 水 准, 50 年 超 越 概 率 为 2%) 作 用 下, 结 构 允 许 出 现 严 重 结 构 性 破 坏, 但 应 避 免 倒 塌 罕 遇 地 震 作 用 下 非 线 性 动 力 分 析 主 要 的 目 的 有 三 个 : 1) 了 解 该 结 构 在 大 震 作 用 下 由 弹 性 到 屈 服 以 及 屈 服 以 后 阶 段 的 全 过 程 的 行 为 ; 2) 判 断 该 结 构 在 大 震 作 用 下 是 否 存 在 薄 弱 区, 并 评 价 薄 弱 区 的 薄 弱 程 度 ; 3) 评 价 该 结 构 在 罕 遇 地 震 作 用 下 的 抗 震 性 能, 从 而 进 一 步 判 断 该 结 构 在 大 震 作 用 下 是 否 满 足 不 倒 塌 的 抗 震 设 计 目 标 6.6.2 分 析 方 法 和 步 骤 为 达 到 在 罕 遇 地 震 作 用 下 防 倒 塌 的 抗 震 设 计 目 标, 采 取 以 抗 震 性 能 为 基 准 的 设 计 思 想 和 以 位 移 和 变 形 为 基 准 的 抗 震 设 计 方 法 基 于 性 能 化 的 抗 震 设 计 方 法 是 使 抗 震 设 计 从 宏 观 定 性 的 目 标 向 具 体 量 化 的 多 重 目 标 过 101
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 渡, 强 调 实 施 性 能 目 标 的 深 入 分 析 和 论 证, 具 体 来 说 就 是 通 过 复 杂 的 非 线 性 分 析 软 件 对 结 构 进 行 分 析, 通 过 对 各 结 构 构 件 进 行 充 分 的 研 究 以 及 对 结 构 的 整 体 性 能 的 研 究, 得 到 结 构 系 统 在 地 震 下 的 反 应, 以 证 明 结 构 可 以 达 到 预 定 的 性 能 目 标 结 构 丧 失 稳 定 以 致 倒 塌 一 般 是 由 于 重 力 作 用 在 有 过 大 侧 向 变 形 后 结 构 的 几 何 形 态 所 引 起 的 这 种 效 应 被 广 泛 成 作 P 效 应 因 此, 达 到 防 倒 塌 设 计 目 标 的 中 心 思 想 是 限 制 结 构 的 最 大 总 弹 塑 性 变 形 在 规 定 的 限 值 以 内 限 制 结 构 的 最 大 弹 塑 性 层 间 位 移 角 还 不 足 以 保 证 达 到 防 倒 塌 的 抗 震 设 计 目 的 以 结 构 构 件 的 弹 塑 性 变 形 和 强 度 退 化 来 衡 量 的 构 件 的 破 化 也 必 须 被 限 制 在 可 接 受 的 限 值 以 内, 以 保 证 结 构 构 件 在 地 震 过 程 中 仍 有 能 力 承 受 重 力 以 及 保 证 地 震 结 束 后 结 构 仍 有 能 力 承 受 作 用 在 结 构 的 重 力 荷 载 然 而, 国 内 规 范 并 没 有 提 供 结 构 构 件 的 弹 塑 性 变 形 限 值 因 此, 有 必 要 参 考 其 他 被 国 际 广 泛 应 用 以 抗 震 性 能 为 基 准 的 抗 震 设 计 指 导 文 件 美 国 联 邦 紧 急 事 务 管 理 署 (FEMA) 第 356 号 文 件 ( 以 下 简 称 FEMA356 建 筑 抗 震 修 复 预 标 准 [44] 以 及 ATC40 [38] 提 供 了 结 构 构 件 弹 塑 性 变 形 可 接 受 限 值, 以 及 所 建 议 的 结 构 非 线 性 地 震 分 析 方 法 与 步 骤 6.6.3 单 元 模 型 和 材 料 本 构 关 系 基 于 截 面 纤 维 模 型 的 弹 塑 性 时 程 分 析 理 论, 在 抗 震 技 术 发 达 的 美 国 和 日 本 有 了 较 快 的 发 展 [86]~[88], 但 我 国 在 这 方 面 的 研 究 还 不 多 见 截 面 纤 维 模 型 与 以 往 的 杆 系 模 型 相 比 有 以 下 特 点 [89] :1) 采 用 混 凝 土 和 钢 筋 的 单 轴 应 力 - 应 变 本 构 关 系 直 接 计 算 构 件 的 刚 度, 构 件 的 恢 复 力 特 性 为 截 面 上 纤 维 本 构 关 系 的 积 分 结 果, 从 而 适 用 于 任 意 截 面 特 性 的 构 件, 如 钢 筋 混 凝 土 圆 柱 型 钢 混 凝 土 构 件 等 ;2) 可 采 用 受 横 向 约 束 的 混 凝 土 单 轴 应 力 - 应 变 本 构 关 系, 以 考 虑 横 向 约 束 作 用 对 构 件 恢 复 力 特 性 的 影 响 ;3) 在 截 面 纤 维 模 型 的 基 本 公 式 中, 构 件 轴 力 与 弯 矩 为 同 一 截 面 上 所 有 纤 维 内 力 的 积 分 截 面 纤 维 模 型 采 用 纤 维 束 描 述 钢 筋 或 混 凝 土 材 料, 通 过 平 截 面 假 定 建 立 构 件 截 面 的 弯 矩 - 曲 率 轴 力 - 轴 向 变 形 与 相 应 的 纤 维 束 应 力 - 应 变 之 间 的 关 系 有 关 混 凝 土 在 反 复 荷 载 作 用 下 的 应 力 - 应 变 关 系 的 研 究 众 多, 有 多 种 理 论 应 力 - 应 变 曲 线, 但 这 些 曲 线 要 被 真 正 用 于 计 算 模 型 则 难 以 实 现, 因 为 反 复 荷 载 下 混 凝 土 的 应 力 - 应 变 跨 越 各 个 应 力 - 应 变 区 段, 在 计 算 过 程 中 要 对 各 区 段 应 力 - 应 变 曲 线 进 行 追 踪 非 常 困 难 因 此, 许 多 已 有 的 分 析 模 型 采 用 分 段 直 线 来 描 述 反 复 加 载 下 混 凝 土 的 应 力 - 应 变 关 系, 其 分 析 结 果 同 样 与 试 验 结 果 能 较 好 地 吻 合 [90]~[93] 6.6.4 安 全 评 估 方 法 安 全 评 估 通 过 对 结 构 整 体 性 能 和 杆 件 变 形 性 能 两 个 方 面 来 考 察 整 体 性 能 的 评 估 将 从 弹 塑 性 层 间 位 移 角 剪 重 比 结 构 顶 部 位 移 和 底 部 剪 力 时 程 曲 线 塑 性 发 展 过 程 及 塑 性 发 展 区 域 来 评 估 FEMA356 在 大 震 作 用 下 结 构 可 能 出 现 的 状 态 主 要 分 为 IO(Immediate Occuoancy), 102
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 DC(Damage Control),LS(Life Safety),SS(Structural Stability) 四 种 状 态, 即 为 立 即 入 住, 损 坏 控 制, 生 命 安 全, 结 构 失 稳 表 6.6.1 中 B IO LS CP(Collapse Prevention) C 为 性 能 点 其 中 B 点 出 现 塑 性 铰,C 点 为 倒 塌 点,CP 为 预 防 倒 塌 点, 各 性 能 点 多 对 应 的 横 坐 标 为 相 应 的 弹 塑 性 位 移 限 值 图 6.6.1 在 不 同 性 能 水 准 下 的 塑 性 铰 位 移 限 值 构 件 的 评 估 将 从 构 件 塑 性 变 形 与 塑 性 变 形 限 值 的 大 小 关 系 来 评 估, 见 表 6.6.1 表 6.6.1 FEMA356 建 议 构 件 破 坏 程 度 级 别 破 化 程 度 破 坏 极 限 状 态 形 象 表 述 破 坏 极 限 状 态 定 性 描 述 弹 塑 性 变 形 限 值 确 定 原 则 无 结 构 性 破 坏 构 件 达 强 度 极 限 状 态 尚 无 塑 性 变 形 可 运 行 (IO) 有 轻 微 结 构 性 破 坏 有 较 小 塑 性 变 形 生 命 安 全 (LS) 邻 近 倒 塌 结 构 性 破 坏 显 著 但 可 修 复 但 修 复 不 一 定 经 济 合 算 可 确 保 生 命 安 全, 人 员 可 从 建 筑 中 安 全 撤 离 严 重 结 构 性 破 坏, 不 可 修 复, 临 近 倒 塌 距 离 临 近 倒 塌 破 坏 状 态 还 有 至 少 25% 的 变 形 能 力 储 备 位 移 控 制 逐 级 循 环 加 载, 每 级 位 移 荷 载 循 环 三 次, 构 件 抗 力 - 变 形 骨 架 曲 线 开 始 出 现 强 度 退 化 103
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 文 献 [95] 指 出, 对 于 在 动 力 弹 塑 性 分 析 中 判 断 结 构 的 薄 弱 楼 层 可 以 有 多 种 原 则, 如 结 构 的 层 间 位 移 角 较 大 楼 层 ; 有 害 层 间 位 移 角 较 大 楼 层 ; 杆 件 塑 性 铰 剪 力 墙 裂 缝 破 坏 出 现 较 多 的 楼 层 等 同 时 给 出 了 如 下 建 议 : 1) 与 抗 震 规 范 所 规 定 的 弹 塑 性 层 间 位 移 角 限 值 做 对 比 的 应 该 是 弹 塑 性 分 析 所 得 到 的 结 构 最 大 楼 层 层 间 位 移 角, 而 不 是 弹 塑 性 有 害 层 间 位 移 角 2) 结 构 楼 层 的 有 害 层 间 位 移 角, 简 单 的 说 是 指 层 间 位 移 角 中 剔 除 楼 层 整 体 弯 曲 变 形 后 留 下 的 楼 层 内 剪 切 变 形 引 起 的 层 间 位 移 角, 该 参 数 可 以 较 好 的 体 现 结 构 局 部 楼 层 的 相 应 强 烈 程 度 判 断 结 构 薄 弱 楼 层 需 要 加 强 楼 层, 选 择 该 参 数 是 比 较 明 确 的 3) 判 断 结 构 的 薄 弱 楼 层 和 薄 弱 杆 件 可 以 通 过 直 观 的 判 断 塑 性 铰 剪 力 墙 破 坏 部 位 来 体 现 建 议 在 动 力 弹 塑 性 分 析 时, 可 以 通 过 判 断 结 构 顶 点 出 现 最 大 位 移 时 刻, 结 构 出 现 最 大 有 害 位 移 角 等 时 刻 的 结 构 弹 塑 性 状 态 来 直 观 判 断 结 构 的 薄 弱 部 位 和 薄 弱 杆 件, 作 为 加 固 补 强 的 依 据 6.6.5 弹 塑 性 分 析 与 弹 性 分 析 结 果 的 对 比 与 分 析 结 构 在 弹 性 与 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 过 程 中, 由 于 采 用 的 是 同 样 的 三 条 时 程 曲 线, 只 是 将 其 峰 值 按 照 规 范 要 求 整 体 放 大 调 整, 但 是 弹 塑 性 分 析 过 程 中, 材 料 部 分 由 于 进 入 塑 性, 其 刚 度 部 分 退 化, 因 此 其 底 部 剪 力 及 位 移 角 等 相 关 数 据 亦 呈 现 一 定 的 规 律, 现 比 较 如 下 : 表 6.6.2 弹 性 与 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 数 据 比 较 与 分 析 小 震 (ETABS) 大 震 (DYNA) 大 震 / 小 震 加 速 度 ( 峰 值 )gal 70 400 5.714 地 震 影 响 系 数 0.16 0.90 5.625 规 范 反 应 谱 X 向 52.3 规 范 反 应 谱 Y 向 53.6 天 然 波 1 X 向 55.4 314.1 5.67 底 部 剪 力 (MN) 天 然 波 1Y 向 41.7 176.3 4.23 天 然 波 2 X 向 45.3 248.3 5.48 天 然 波 2Y 向 53.0 235.4 4.44 人 工 波 1 X 向 57.8 326.7 5.65 人 工 波 1Y 向 43.6 193.5 4.44 三 条 波 平 均 值 X 向 52.8 296.4 5.61 三 条 波 平 均 值 Y 向 46.1 201.7 4.38 规 范 限 值 1/500 1/100 5 天 然 波 1 X 向 1/755 1/127 5.94 天 然 波 1Y 向 1/1011 1/153 6.60 最 大 位 移 角 天 然 波 2 X 向 1/737 1/128 5.76 天 然 波 2Y 向 1/755 1/219 3.25 人 工 波 1 X 向 1/678 1/114 5.95 人 工 波 1Y 向 1/956 1/199 4.80 104
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 1 底 部 剪 力 的 折 算 由 于 在 性 能 化 设 计 过 程 中, 对 于 某 些 构 件 往 往 需 要 进 行 大 震 下 的 某 些 性 能 的 复 核 计 算, 如 剪 力 墙 肢 抗 剪 截 面 大 震 不 屈 服 等 设 计 要 求 显 然, 在 罕 遇 地 震 下, 结 构 由 于 出 现 部 分 塑 性, 刚 度 退 化, 因 而 地 震 反 应 力 也 会 产 生 相 应 的 变 化 因 此 合 理 的 对 大 震 下 设 计 剪 力 进 行 估 算 并 应 用 于 弹 性 理 论 计 算 就 是 一 个 需 要 考 虑 的 问 题 由 上 表 可 见, 其 中 小 震 数 据 由 ETABS 软 件 输 出, 大 震 为 DYNA 软 件 输 出, 在 相 同 相 位 波 形, 同 一 结 构 条 件 下, 大 震 与 小 震 相 比, 加 速 度 时 程 峰 值 相 差 5.71 倍, 其 底 部 剪 力 X 方 向 三 条 波 平 均 值 为 5.61 倍,Y 方 向 为 4.38 倍 可 见, 由 于 X 方 向 核 心 筒 主 要 由 数 片 单 肢 墙 组 成, 伸 臂 桁 架 及 核 心 筒 墙 体 的 设 计 标 准 较 高, 在 罕 遇 地 震 下 该 方 向 刚 度 退 化 较 小, 底 部 剪 力 几 乎 保 持 了 大 震 弹 性 状 态 下 的 水 平 而 Y 方 向, 由 于 核 心 筒 在 Y 向 墙 体 结 构 开 洞 较 多, 连 梁 较 易 出 现 塑 性, 并 消 耗 能 量, 结 构 刚 度 退 化 现 象 较 为 明 显 由 此 可 见, 在 基 于 弹 性 理 论 的 性 能 化 设 计 过 程 中, 对 于 墙 体 在 罕 遇 地 震 下 的 设 计 内 力 可 以 根 据 以 上 结 果, 分 不 同 方 向 进 行 调 整, 及 将 弹 塑 性 计 算 底 部 剪 力 的 平 均 值 与 大 震 弹 性 计 算 结 果 相 比 较, 得 出 调 整 系 数, 如 本 结 构, 小 震 弹 性 状 态 下 底 部 剪 力 分 别 为 52.3MN 和 53.6MN, 如 将 其 地 震 影 响 系 数 按 照 大 震 / 小 震 进 行 放 大, 即 5.625 倍, 则 大 震 弹 性 底 部 剪 力 应 为 294MN 和 302MN 在 实 际 设 计 过 程 中 则 将 大 震 弹 塑 性 下 的 底 部 剪 力 分 别 与 大 震 弹 性 进 行 相 比, 进 而 得 到 近 似 的 折 减 系 数 : X 向 为 1(296/294), 不 折 减 ;Y 向 为 0.67(202/302), 为 考 虑 一 定 的 安 全 最 终 取 值 为 0.8 2 位 移 角 控 制 标 准 的 估 算 由 于 本 工 程 X 方 向 的 是 整 个 结 构 刚 度 控 制 的 主 方 向, 由 上 表 可 见, 弹 塑 性 分 析 与 弹 性 时 程 分 析 在 X 方 向 位 移 角 相 应 的 比 值 分 别 为 5.94 5.76 和 5.95, 平 均 值 约 为 5.88 倍 而 规 范 对 于 大 震 和 小 震 下 位 移 角 限 值 比 为 5 倍, 因 此 这 就 为 在 弹 性 计 算 下 半 定 量 的 估 算 并 满 足 大 震 下 满 足 1/100 限 值 要 求 提 供 了 一 定 的 参 考 依 据 按 照 抗 震 审 查 专 家 组 的 建 议, 在 小 震 弹 性 计 算 条 件 下, 将 实 际 的 位 移 控 制 目 标 限 值 为 1/550 左 右, 实 际 设 计 表 明, 弹 性 计 算 位 移 为 1/556, 而 罕 遇 地 震 下 三 条 动 力 时 程 波 弹 塑 性 位 移 最 大 值 约 1/114, 满 足 规 范 要 求 6.6.6 本 工 程 弹 塑 性 分 析 结 果 对 弹 性 设 计 的 对 比 与 反 馈 利 用 振 型 分 解 反 应 谱 法 对 整 体 结 构 进 行 弹 性 分 析 结 果 表 明, 结 构 最 大 位 移 角 ( 即 最 不 利 位 置 楼 层 ) 位 于 第 三 加 强 层 ( 即 F41A) 及 其 上 下 楼 层, 见 图 6.6.2 蓝 色 位 移 角 曲 线 所 示 如 本 章 前 文 所 述, 由 于 高 柔 结 构 其 高 振 型 对 于 顶 部 楼 层 鞭 梢 效 应 较 为 显 著, 往 往 在 进 行 动 力 时 程 分 析, 特 别 是 考 虑 材 料 和 几 何 非 线 性 状 态 下 的 弹 塑 性 动 力 时 程 时 体 现 的 更 为 显 著 具 体 表 现 形 式, 除 该 楼 层 所 受 剪 力 高 于 反 应 谱 法 外, 更 体 现 在 其 层 间 位 移 角 的 对 比 上, 如 图 6.6.3a 所 示, 在 罕 遇 地 震 下 三 条 时 程 波 对 本 结 构 整 体 弹 塑 性 分 析 结 果 表 明, 在 顶 部 部 分 楼 层, 其 位 移 角 已 经 濒 临 规 范 限 值 1/100 要 求, 其 反 应 程 度 较 弹 性 分 析 结 果 的 直 线 上 升 相 比 呈 现 明 显 向 外 倾 斜 的 特 征 因 此, 在 本 结 构 初 步 设 计 过 程 中, 根 据 抗 震 专 家 审 查 组 的 意 见, 在 顶 部 增 设 伸 臂 桁 架 105
第 六 章 动 力 弹 ( 塑 ) 性 时 程 补 充 分 析 及 研 究 形 成 顶 部 加 强 层, 以 增 强 核 心 筒 和 外 框 架 在 地 震 下 的 共 同 作 用, 提 高 结 构 整 体 安 全 度 如 图 6.6.2 所 示, 最 终 的 计 算 模 型 在 屋 顶 增 加 了 2 对 伸 臂 桁 架, 弹 性 计 算 结 果 表 明, 由 于 顶 部 加 强 层 的 影 响, 小 震 下 位 移 角 在 顶 部 楼 层 呈 现 向 内 弯 曲 ( 远 离 规 范 限 值 ) 的 趋 势, 如 图 粉 色 曲 线 增 设 顶 部 伸 臂 桁 架, 弹 塑 性 分 析 结 果 亦 体 现 了 相 应 的 变 化, 如 图 6.6.3b 所 示, 同 样 三 条 时 程 波 分 析 结 果, 顶 部 楼 层 位 移 角 较 原 结 构 有 了 明 显 的 改 善, 由 向 外 侧 倾 斜 变 为 直 线 延 伸 状 态, 进 而 有 效 的 提 高 了 整 体 的 安 全 水 平 有 此 可 见, 超 高 层 混 合 结 构 弹 塑 性 分 析 对 于 弹 性 分 析 除 了 验 证 作 用 外, 还 具 备 很 重 要 的 反 馈 作 用, 即 对 弹 性 设 计 以 指 导 和 补 充, 以 便 充 分 利 用 动 力 时 程 分 析, 并 结 合 几 何 和 材 料 非 线 性 的 特 点, 发 现 结 构 的 薄 弱 点, 进 而 在 弹 性 状 态 下 采 取 相 应 措 施 尤 其 对 于 超 高 层 结 构 的 顶 部 楼 层, 弹 塑 性 非 线 性 分 析 可 能 会 更 加 显 露 其 真 实 的 破 坏 趋 势, 使 小 震 下 弹 性 动 力 时 程 分 析 对 于 高 振 型 影 响 作 用 进 一 步 放 大, 这 是 值 得 注 意 的 一 个 问 题 图 6.6.2 顶 部 伸 臂 桁 架 布 置 示 意 及 多 遇 地 震 下 弹 性 分 析 计 算 位 移 角 的 比 较 106
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 50 Maximum Drift Angle - X GSM1X GSM2X GSM3X Average Limit 60 50 Maximum Drift Angle - X GSM1X GSM2X GSM3X Average Limit 40 40 Storey Level 30 Storey Level 30 20 20 10 10 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 Drift Angle Drift Angle a) 不 含 顶 部 伸 臂 桁 架 层 间 位 移 角 b) 顶 部 增 设 伸 臂 桁 架 图 6.6.3 罕 遇 地 震 下 顶 部 设 置 伸 臂 桁 架 对 于 弹 塑 性 非 线 性 时 程 分 析 位 移 角 的 影 响 107
第 七 章 结 论 与 展 望 7.1 设 计 建 议 与 总 结 1 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 遭 受 罕 遇 地 震 时, 塑 性 铰 主 要 分 布 在 混 凝 土 核 芯 筒 上 并 产 生 刚 度 退 化, 剪 力 将 在 内 外 筒 间 产 生 重 分 布 在 结 构 设 计 时, 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 进 入 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 二 道 设 防 的 作 用 对 于 超 限 高 层 结 构, 外 框 架 作 为 第 二 道 防 线 在 规 范 的 基 础 上 需 考 虑 提 出 更 高 的 安 全 标 准, 可 将 其 承 担 剪 力 按 照 高 规 定 义 的 0.2V 0 和 1.5V max 在 小 震 下 按 两 者 较 大 值 ( 或 平 均 值 ) 进 行 放 大 调 整, 框 架 梁 可 不 调 整 ; 在 中 震 设 计 时, 亦 可 参 考 规 范 对 其 进 行 适 当 的 调 整 同 时, 全 面 考 虑 剪 重 比 强 柱 弱 梁 外 框 架 剪 力 比 时 程 分 析 初 始 偏 心 等 因 素 对 内 力 的 调 整, 确 保 多 道 设 防 思 想 在 结 构 抗 震 设 计 中 的 体 现 2 超 限 高 层 结 构 采 用 性 能 化 抗 震 设 计 的 方 法, 有 助 于 提 高 结 构 的 可 靠 性 避 免 安 全 隐 患 在 中 震 和 罕 遇 地 震 条 件 下, 结 构 底 部 外 框 架 和 核 心 筒 竖 向 构 件 以 及 加 强 层 附 近 楼 层, 随 着 地 震 影 响 系 数 的 显 著 提 高, 由 地 震 产 生 的 轴 力 可 能 开 始 大 于 结 构 自 重, 因 此 构 件 设 计 墙 柱 在 中 震 及 大 震 下 受 拉 破 坏 是 超 高 层 结 构 一 个 明 显 特 征 因 此 除 压 弯 性 能 外, 还 应 重 点 校 核 其 拉 弯 受 力 性 能, 对 于 核 心 筒 ( 尤 其 角 部 ) 须 按 实 际 计 算 而 非 仅 仅 构 造 要 求 进 行 设 计, 采 取 配 置 型 钢 暗 柱, 提 高 底 部 加 强 区 以 及 约 束 边 缘 构 件 配 置 高 度 等 加 强 措 施 值 得 注 意 的 是, 中 震 设 计 时, 没 有 考 虑 结 构 对 强 柱 弱 梁 强 剪 弱 弯 弹 性 时 程 等 放 大 系 数 的 影 响, 构 件 设 计 内 力 不 一 定 比 小 震 计 算 的 内 力 大, 因 此 某 些 构 件 中 震 设 计 不 能 完 全 取 代 小 震 下 的 设 计 校 核 工 作 3 钢 管 混 凝 土 与 型 钢 混 凝 土 柱 相 比, 由 于 前 者 借 助 钢 管 对 混 凝 土 的 套 箍 作 用, 使 混 凝 土 处 于 三 向 受 压 应 力 状 态, 延 缓 了 混 凝 土 纵 向 微 裂 缝 的 发 生 和 发 展, 提 高 了 其 抗 压 强 度 和 变 形 能 力 钢 管 和 混 凝 土 在 受 力 过 程 中 共 同 组 合 作 用, 大 大 改 善 了 混 凝 土 的 塑 性 和 韧 性 性 能, 同 时 还 可 以 延 缓 和 避 免 钢 管 壁 发 生 局 部 屈 曲, 特 别 是 圆 形 钢 管 混 凝 土 柱 在 高 震 区 应 用 实 例 不 多, 其 在 结 构 抗 震 和 经 济 性 以 及 施 工 速 度 等 方 面 具 有 明 显 优 势 4 钢 板 剪 力 墙 应 用 于 混 合 结 构 核 心 筒 底 部 加 强 区, 对 于 改 善 核 心 筒 墙 体 压 弯 拉 弯 剪 切 等 各 项 抗 震 性 能 有 着 明 显 优 势, 同 时 与 钢 筋 混 凝 土 墙 相 比, 可 有 效 减 小 结 构 底 部 墙 体 厚 度 减 小 自 重 并 降 低 轴 压 比, 更 高 效 提 供 抗 侧 刚 度, 保 证 结 构 罕 遇 地 震 下 结 构 性 能 5 超 高 层 结 构 采 用 动 力 时 程 分 析 与 反 应 谱 进 行 比 较, 对 于 高 柔 结 构 因 其 自 振 周 期 较 长, 高 阶 振 型 影 响 所 产 生 的 鞭 梢 效 应 往 往 较 为 明 显 其 顶 部 楼 层 时 程 分 析 结 果 可 能 远 大 于 反 应 谱, 因 此 须 在 振 型 分 解 反 应 谱 的 基 础 上 进 行 放 大 调 整, 并 采 取 提 高 构 件 截 面 或 设 置 加 强 层 等 措 施 给 予 调 整 和 设 计 6 地 震 作 用 下 加 强 层 的 设 置 将 会 引 起 结 构 沿 竖 向 刚 度 和 内 力 的 突 变, 从 而 容 易 在 加 强 层 附 近 形 成 薄 弱 层 其 构 件 应 给 予 重 点 加 强, 如 提 高 核 心 筒 内 暗 柱 含 钢 率 等, 相 应 提 高 层 刚 度, 构 件 断 面 及 钢 板 厚 度 应 采 取 均 匀 过 渡 等 措 施 109
第 七 章 结 论 与 展 望 7 超 高 层 框 筒 结 构, 核 心 筒 与 外 框 架 由 于 不 均 匀 沉 降 以 及 材 料 弹 性 模 量 不 同 产 生 的 变 形 差, 对 于 伸 臂 桁 架 的 设 计 是 非 常 敏 感 的 在 施 工 时 可 采 取 临 时 断 开 并 在 主 体 结 构 施 工 完 毕 后 焊 接 等 措 施 加 以 缓 解, 在 构 件 设 计 时 可 对 结 构 部 分 自 重 实 施 卸 载 8 超 高 层 建 筑 采 用 混 合 结 构 与 钢 结 构 相 比, 在 结 构 用 钢 量 防 火 性 能 舒 适 度 等 方 面 存 在 明 显 的 优 势 结 构 采 用 型 钢 混 凝 土 框 架 + 钢 筋 混 凝 土 筒 体 混 合 结 构 体 系, 把 握 结 构 选 型 设 定 合 理 的 性 能 化 目 标, 综 合 利 用 弹 ( 塑 ) 性 时 程 等 补 充 分 析 方 法 落 实 多 道 设 防 设 计 思 想, 合 理 地 应 用 钢 及 混 凝 土 等 组 合 构 件 ( 钢 板 剪 力 墙 钢 管 混 凝 土 柱 等 ), 以 上 等 关 键 环 节 的 合 理 把 握, 为 安 全 可 靠 经 济 合 理 地 在 高 震 区 完 成 超 高 层 混 合 结 构 设 计 提 供 了 保 障 和 手 段 在 地 震 高 烈 度 区 有 针 对 性 地 采 用 这 种 结 构 体 系, 应 该 是 一 种 适 合 我 国 国 情 具 有 我 国 特 色, 以 及 目 前 和 今 后 高 层 及 超 高 层 建 筑 较 为 合 理 的 结 构 体 系 7.2 展 望 7.2.1 外 框 架 剪 力 分 配 及 调 整 性 能 化 设 计 超 高 层 混 合 结 构 体 系 的 设 计 研 究, 随 着 近 年 来 实 际 工 程 的 推 动 有 了 突 飞 猛 进 的 进 展 许 多 完 成 设 计 或 施 工 的 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 工 程 已 经 远 远 超 过 规 范 对 该 类 型 结 构 的 限 值 高 度 在 抗 震 研 究 方 面, 分 析 总 结 其 特 点 及 规 律, 在 实 际 设 计 过 程 中 除 对 构 件 采 取 全 面 的 性 能 化 设 计, 综 合 采 用 弹 性 以 及 弹 塑 性 动 力 时 程 补 充 分 析, 以 及 采 取 一 系 列 较 规 范 要 求 更 为 严 格 的 超 限 措 施 外, 在 外 框 架 结 构 布 置 和 关 键 区 域 构 件 选 型 两 个 方 面 体 现 了 一 定 的 趋 势 在 结 构 体 系 尤 其 是 外 框 架 的 布 置 方 面, 为 实 现 抗 震 二 道 设 防 甚 至 是 多 道 设 防 的 设 计 思 想, 随 着 结 构 高 度 的 变 化 外 框 架 刚 度 及 其 地 震 作 用 下 保 持 一 定 的 剪 力 分 配 比 例 就 要 求 其 结 构 形 式 产 生 相 应 的 变 化 外 框 架 柱 间 距 逐 渐 变 小 即 从 稀 柱 (9m 7.5m) 向 密 柱 (6m 4.5m) 形 式 变 化 随 着 结 构 高 度 进 一 步 加 大, 密 柱 结 构 柱 截 面 不 断 变 大, 不 但 影 响 建 筑 使 用 结 构 抗 侧 刚 度 即 便 增 加 伸 臂 桁 架 或 腰 桁 架 其 效 率 亦 大 大 降 低, 进 而 以 巨 型 柱 巨 型 桁 架 加 大 斜 撑 的 巨 型 结 构 ( 如 上 海 环 球 金 融 中 心 大 连 裕 景 大 厦 等 ) 和 由 钢 管 柱 组 成 的 斜 交 抗 侧 体 系 ( 如 广 州 西 塔 广 州 电 视 塔 天 津 嘉 利 中 心 办 公 楼 等 ) 便 相 继 在 近 年 来 的 工 程 中 得 到 了 应 用 其 组 成 的 外 框 架 ( 筒 ) 提 供 了 更 大 的 抗 侧 刚 度 分 担 剪 力 亦 可 达 到 并 超 过 50% 因 此, 在 工 程 实 际 应 用 过 程 中, 对 于 超 高 层 混 合 结 构 随 着 高 度 变 化, 给 予 抗 震 性 能 即 建 筑 功 能 等 需 要, 外 框 架 结 构 选 型 体 现 了 明 显 的 变 化 除 结 构 布 置 方 案 外, 在 构 件 选 型 方 面, 由 于 超 高 层 在 地 震 下 以 及 采 取 的 一 系 列 超 限 措 施, 使 混 合 结 构 构 件 设 计 内 力 显 著 增 大, 因 此 合 理 选 择 高 强 度 延 性 好 的 构 件, 特 别 在 关 键 区 域 ( 如 核 心 筒 底 部 加 强 区 加 强 层 上 下 ) 以 及 关 键 构 件 ( 如 外 框 架 柱 ) 中 使 用 如 钢 板 剪 力 墙 钢 管 混 凝 土 或 型 钢 混 凝 土 柱 等 组 合 构 件 的 趋 势 非 常 明 显, 实 践 证 明 这 是 一 种 较 为 经 济 合 理 的 设 计 手 段 基 于 以 上 两 个 方 面 关 于 超 高 层 混 合 结 构 的 发 展 趋 势, 对 于 混 合 结 构 体 系 最 为 重 要 的 外 框 架 二 道 设 防 问 题 的 处 理, 相 关 规 范 对 其 调 整 的 措 施 就 显 得 不 一 定 准 确 因 为 在 罕 遇 地 震 下, 由 于 内 筒 和 外 框 架 由 于 不 同 体 系 布 置 方 案, 剪 力 分 配 比 例 变 化 明 显 ; 此 外, 高 强 度 组 110
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 合 构 件 的 选 用, 尤 其 是 对 混 凝 土 核 心 筒 的 加 强 关 键 区 域 的 延 性 性 能 明 显 上 升 其 刚 度 退 化 的 效 应 亦 需 要 重 新 考 虑 并 评 估 此 外, 即 便 外 框 架 弹 性 分 析 状 态 下, 超 过 了 规 范 限 定 调 整 的 最 小 剪 力 ( 比 ), 但 由 于 混 凝 土 核 心 筒 总 体 刚 度 在 罕 遇 地 震 下 退 化 程 度 仍 然 将 比 组 合 外 框 架 显 著, 因 此 认 为 外 框 架 仍 然 需 要 对 弹 性 状 态 下 所 分 担 剪 力 进 行 适 当 调 整, 这 也 是 部 分 超 限 混 合 结 构 设 计 值 得 注 意 的 一 个 问 题 综 上 所 述, 在 弹 性 设 计 过 程 中, 如 何 合 理 的 对 外 框 架 剪 力 进 行 调 整 变 成 了 一 个 突 出 的 问 题 如 何 既 保 证 安 全, 又 要 经 济 合 理, 对 于 高 震 区 超 高 层 复 杂 结 构 外 框 架 剪 力 调 整 实 施 性 能 化 设 计 应 成 为 今 后 设 计 中 值 得 注 意 并 发 展 的 趋 势 其 主 要 做 法 可 以 考 虑 将 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 将 目 前 位 于 弹 性 设 计 或 初 步 设 计 末 期 作 为 补 充 验 证 的 角 色 扩 展 为 在 设 计 前 期 对 内 外 筒 在 罕 遇 地 震 下 刚 度 分 配 结 合 具 体 结 构 形 式 进 行 半 定 量 的 分 析, 以 较 早 的 对 弹 性 分 析 给 予 指 导, 以 求 得 在 初 步 设 计 的 中 前 期, 便 可 以 准 定 量 的 对 外 筒 进 行 剪 力 调 整 或 对 内 筒 结 构 相 应 部 位 采 取 加 强 措 施, 减 缓 其 刚 度 的 过 多 退 化 或 避 免 对 外 框 架 不 合 实 际 的 设 计 调 整 目 前 限 制 对 外 框 架 进 行 性 能 化 设 计 主 要 的 障 碍 是 弹 塑 性 分 析 软 件 对 构 件 ( 包 括 组 合 构 件 ) 前 处 理 自 动 化 程 度 以 及 计 算 机 分 析 运 行 速 度, 包 括 目 前 常 见 的 Abqus Performance3D DYNA 等 处 理 软 件, 往 往 只 是 在 结 构 初 步 设 计 的 中 后 期, 才 开 始 进 入 弹 塑 性 分 析 阶 段, 待 其 分 析 结 果 完 成 并 反 馈 时, 基 于 弹 性 计 算 的 结 构 初 步 设 计 往 往 已 进 入 尾 声, 因 此 更 多 的 是 完 成 一 些 对 于 结 构 和 构 件 变 形 等 结 果 的 验 证 和 补 充, 而 外 框 架 剪 力 系 数 的 调 整 往 往 在 弹 性 设 计 过 程 中, 采 用 在 一 般 设 计 规 范 基 础 上 的 经 验 法 实 现, 这 不 免 缺 乏 一 定 的 准 确 性 随 着 对 材 料 及 构 件 本 构 关 系 前 处 理 自 动 化 水 平 以 及 计 算 机 运 行 速 度 的 提 高, 以 及 对 结 构 安 全 和 综 合 经 济 性 能 的 需 求, 使 得 这 一 性 能 化 设 计 融 入 大 型 混 合 结 构 的 设 计 变 成 可 能 7.2.2 复 杂 结 构 分 析 数 据 的 后 处 理 对 于 超 限 结 构 设 计 往 往 需 要 结 合 规 范 采 取 一 系 列 超 规 范 措 施, 包 括 对 结 构 或 构 件 内 力 的 非 常 规 调 整, 在 实 际 设 计 过 程 中, 常 规 的 设 计 软 件 往 往 难 于 满 足 对 这 类 结 构 数 据 处 理 分 析 的 能 力 由 于 复 杂 结 构 往 往 计 算 模 型 复 杂, 斜 向 空 间 杆 件 ( 如 斜 柱 ) 的 内 力 调 整 一 般 软 件 ( 如 SATWE) 目 前 还 无 法 自 动 完 成, 同 时 部 分 调 整 参 数 无 法 手 工 调 整 ( 如 时 程 补 充 分 析 剪 力 按 层 调 整 ), 因 此 在 复 杂 结 构 方 案 和 初 步 设 计 过 程 中,ETABS SAP MIDAS 等 数 据 接 口 开 放 结 构 分 析 软 件 便 成 为 主 流 分 析 工 具, 但 由 于 其 构 件 数 量 及 计 算 要 求 繁 杂, 因 此 数 据 后 处 理 ( 包 括 非 常 规 调 整 ) 及 根 据 相 关 规 范 进 行 构 件 验 算 变 成 为 一 项 庞 大 且 重 要 的 工 作 例 如 在 小 震 下 对 外 框 架 柱 的 设 计 内 力 调 整 有 可 能 需 要 对 规 范 剪 重 比 外 框 架 剪 力 分 配 调 整 强 柱 弱 梁 调 整 初 始 偏 心 矩 调 整 弹 性 时 程 补 充 分 析 调 整 角 柱 调 整 等 系 数, 结 合 规 范 和 超 限 审 查 措 施 进 行 判 定 和 调 整, 此 外 对 于 其 他 外 部 数 据, 如 场 地 安 全 评 价 过 程 中 的 提 供 的 地 震 加 速 度 与 规 范 反 应 谱 比 较 风 洞 试 验 和 规 范 风 荷 载 数 据 的 比 较 和 数 据 输 入 往 往 均 需 要 必 要 的 数 据 处 理 工 作 对 于 构 件 设 计, 在 超 限 审 查 过 程 中 往 往 提 出 诸 如 对 剪 力 墙 ( 以 及 钢 板 剪 力 墙 ) 压 弯 或 111
第 七 章 结 论 与 展 望 拉 弯 性 能 抗 剪 截 面 性 能 ; 外 框 架 柱 抗 剪 和 拉 压 弯 大 跨 以 及 转 换 结 构 竖 向 地 震 性 能, 以 及 如 伸 臂 构 件 巨 型 柱 桁 架 大 支 撑 转 换 梁 框 架 柱 等 关 键 构 件 实 施 性 能 化 设 计 的 要 求, 包 括 诸 如 中 震 弹 性 中 震 不 屈 服 大 震 不 屈 服 等 设 计 要 求, 其 内 力 调 整 组 合 和 材 料 计 算 参 数 有 有 所 不 同, 因 而 提 出 了 对 数 据 后 处 理 的 严 格 要 求 和 压 力 其 中 许 多 构 件 为 组 合 构 件 如 钢 板 剪 力 墙 钢 管 混 凝 土 柱 或 是 剪 力 墙 内 埋 设 高 含 钢 率 型 钢 的 墙 肢, 对 于 该 类 竖 向 构 件 的 拉 压 弯 性 能, 由 于 其 通 常 由 型 钢 混 凝 土 钢 筋 组 成, 又 可 能 需 要 考 虑 混 凝 土 在 套 箍 作 用 ( 如 CFT) 或 大 震 下 由 于 箍 筋 约 束 下 的 材 料 抗 压 强 度 的 提 高 ( 如 剪 力 墙 边 缘 构 件 等 ), 因 此 通 常 采 用 基 于 平 截 面 假 定 理 论 进 行 分 析 的 软 件, 求 得 其 作 为 偏 拉 偏 压 构 件 承 载 力 的 包 络 曲 线, 进 而 与 经 过 内 力 调 整 的 投 影 数 据 进 行 校 核 值 得 指 出 的 是 对 于 钢 管 混 凝 土 柱, 由 于 其 抗 压 承 载 力 受 到 构 件 长 细 比 的 影 响, 以 及 其 外 部 钢 管 径 厚 比 变 化 以 及 套 箍 效 应 大 小 导 致 对 混 凝 土 抗 压 强 度 的 影 响, 却 只 能 采 用 规 范 公 式 求 解 其 承 载 力 包 络 曲 线, 而 往 往 不 能 应 用 平 截 面 假 定 的 方 法 综 上 所 述, 对 于 复 杂 结 构 性 能 化 设 计 过 程 中, 数 据 数 据 处 理 分 析 以 及 组 合 构 件 的 设 计 工 作, 目 前 采 取 较 多 的 是 应 用 Eecel VBA 进 行 数 据 处 理 + 平 截 面 软 件 实 施 分 析 的 方 式 完 成, 因 此 其 基 于 ETABS 等 软 件 后 开 发 工 作 往 往 需 要 结 合 工 程 的 具 体 特 点 进 行 有 针 对 性 的 二 次 开 发, 这 就 需 要 设 计 师 掌 握 必 要 的 软 件 编 程 和 数 据 处 理 能 力, 这 也 是 今 后 完 成 对 复 杂 超 限 工 程 的 设 计 以 及 优 化 的 必 要 的 手 段 和 趋 势 7.2.3 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 高 层 分 类 与 高 度 限 值 我 国 高 规 JGJ3-2002, 对 于 混 合 结 构 高 层 建 筑 最 大 适 用 高 度, 根 据 钢 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体 和 型 钢 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体 两 种 不 同 形 式, 以 及 不 同 抗 震 设 防 烈 度 进 行 了 划 分 对 于 8 度 区, 超 高 层 建 筑 常 见 的 型 钢 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 筒 体, 规 程 要 求 宜 不 大 于 150m 而 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 CECS230:2008 对 于 乙 类 和 丙 类 高 层 建 筑 混 合 结 构 最 大 适 用 高 度, 则 在 此 基 础 上 将 核 心 筒 划 分 为 普 通 钢 筋 混 凝 土 核 心 筒 和 钢 骨 混 凝 土 核 心 筒, 外 框 架 分 为 钢 框 架 和 混 合 框 架, 从 而 细 分 了 最 大 适 用 高 度 其 中 对 于 混 合 框 架 - 钢 骨 混 凝 土 核 心 筒, 在 8 度 区 应 不 大 于 160m 高 规 对 于 混 合 结 构, 考 虑 国 内 已 积 累 的 工 程 经 验, 对 于 外 框 架 应 用 组 合 构 件 只 规 定 了 型 钢 混 凝 土 框 架 - 钢 筋 混 凝 土 体 系 的 适 用 高 度, 未 具 体 说 明 对 于 钢 管 混 凝 土 框 架 的 具 体 标 准 钢 管 混 凝 土 虽 较 型 钢 混 凝 土 具 备 更 高 的 延 性 性 能, 目 前 只 能 参 考 前 者 进 行 设 计 考 虑 随 着 近 年 来, 钢 管 混 凝 土 柱 应 用 于 超 高 层 混 合 结 构 外 框 架 项 目 的 增 多, 以 及 设 计 经 验 的 不 断 积 累, 我 国 高 规 可 考 虑 将 应 用 钢 管 混 凝 土 构 件 的 混 合 结 构 体 系 与 型 钢 混 凝 土 柱 进 行 区 分, 并 适 当 提 高 其 最 大 适 用 高 度, 推 动 钢 管 混 凝 土 柱 在 超 高 层 结 构 设 计 中 的 应 用, 有 利 于 提 高 结 构 整 体 抗 震 性 能 和 安 全 度, 有 利 于 混 合 结 构 设 计 在 我 国 的 发 展 112
参 考 文 献 [1] Building Research Institute & Ministry of Construction. A Survey Report for Building Damages Due to the 1995 Hyogo-Ken Nanbu Earthquake[M],1996. [2] 蔡 益 燕, 钟 善 桐. 我 国 高 层 建 筑 钢 结 构 发 展 方 向 初 探 [C]. 98 中 国 建 筑 钢 结 构 工 程 暨 学 术 会 议 论 文 集. 北 京 : 企 业 管 理 出 版 社,1998. [3] 吕 方 宏, 孙 昱 斌. 高 层 钢 - 型 钢 混 凝 土 混 合 结 构 的 设 计 研 究 [J]. 建 筑 结 构, 2002(11):42-46. [4] 龚 炳 年, 郝 锐 坤, 赵 宁. 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 模 型 试 验 研 究 [J]. 建 筑 科 学,1994(1): 10-14. [5] 方 鄂 华, 钱 稼 茹. 我 国 高 层 建 筑 抗 震 设 计 的 若 干 问 题 [J]. 土 木 工 程 学 报,1999(2):3-8. [6] 白 国 良. 型 钢 钢 筋 混 凝 土 原 理 与 设 计 [M]. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社 2000. [7] 赵 西 安. 高 层 建 筑 组 合 结 构 分 层 模 型 弹 塑 性 动 力 分 析 [J]. 建 筑 结 报,1989(6):15-21. [8] 程 绍 革. 钢 - 混 凝 土 筒 混 合 结 构 弹 塑 性 反 应 分 析 及 探 讨 [J]. 建 筑 结 构,1998(6):33-36. [9] 徐 培 福 傅 学 怡 王 翠 坤 肖 从 真. 复 杂 高 层 建 筑 结 构 设 计 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社.2005 [10] 李 国 强 周 向 明 丁 翔. 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 模 型 模 拟 地 震 振 动 台 试 验 研 究 [J]. 建 筑 结 构 学 报, 2001(4):2-7 [11] 刘 大 海 杨 翠 如. 高 楼 钢 结 构 设 计 ( 钢 结 构 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 )[M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社.2003 [12] 上 海 市 建 设 和 管 理 委 员 会 编. 上 海 高 层 超 高 层 建 筑 设 计 与 施 工 [C]. 上 海 : 上 海 科 学 普 及 出 版 社 [13] SUBHASH C GOEL. United States-Japan cooperative earthquake engineering research program on composite and hybrid structures[j]. Journal of Structural Engineering.ASCE, 2004(2):157-158. [14] GREGORYG DEIERLEIN,HIROSHI NOGUCHI.Overview of U.S.-Japan research on the seismic design of composite reinforced concrete and steel moment frame structures [J]. Journal of Structural Engineering.ASCE,2004(2):361-367. [15] 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 [M]( 综 合 报 告 ).2007 [16] 中 国 工 程 建 设 标 准 化 协 会 标 准. 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 (CECS28:90) 中 国 计 划 出 版 社. 1992. [17] BAHRAMM.SHAHROOZ,BINGNIAN GONG,GOKHAN TUNC,etal.An overview of reinforced concrete core wall-steel frame hybrid structures[j].prog. Struct. EngngMater, ASCE,2001(3):149-158. [18] HIROSHI NOGUCHI,KAZUHIRO UCHIDA. Finite element method analysis of hybrid structural frames with reinforced concrete columns and steel beams[j].journal of Structural Engineering.ASCE,2004(2):328-335. [19] 武 敏 刚, 吕 西 林. 超 高 层 外 钢 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 混 合 结 构 研 究 概 况 [C]. 现 代 土 木 工 程 理 论 与 实 践. 河 海 大 学 出 版 社. 2003 [20] 龚 胡 广, 方 辉, 沈 蒲 生. 高 层 混 合 结 构 水 平 荷 载 下 的 受 力 性 能 [C]. 现 代 土 木 工 程 理 论 113
参 考 文 献 与 实 践, 河 海 大 学 出 版 社,2003:65-68 [21] 郑 浩 王 全 风. 对 外 钢 框 架 - 混 凝 土 筒 体 结 构 的 初 步 探 讨 [J]. 福 建 建 筑,2000(3):24-26 [22] 李 国 强, 周 昊 圣, 周 向 明. 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 弹 塑 性 地 震 位 移 的 工 程 实 用 计 算 [J]. 建 筑 结 构 学 报,2003(1):40-45. [23] 叶 列 平, 方 鄂 华. 型 钢 混 凝 土 构 件 的 受 力 性 能 研 究 综 述 [J]. 土 木 工 程 学 报. 2000(10) [24] MINORUWAKABAYASHI. Steel reinforced concrete building structures in Japan [J]. Ditto:83-97. [25] Seismic Behavior and Design of Composite Steel Plate Shear Walls, STEEL TIPS May 2002, Abolhassan Astaneh-Asl, www.steeltips.org/steeltips/indes.php. [26] AISC (2002), Seismic Provisions for AISC (2002), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction Inc, Chicago. [27] Astaneh-Asl, A. (2002), Seismic Behaviour and Design of Composite Steel Plate Shear Walls, www.aisc.org. [28] ICC, (2002), The International Building Code, IBC-2000, Internatioonal Code Council, Falls Church, VA. [29] 何 伟 明, 许 卫 国, 刘 鹏 中 国 国 际 贸 易 中 心 三 期 塔 楼 A 结 构 初 步 设 计 报 告. Arup 内 部 资 料. 2004 年 6 月. [30] 刘 鹏, 何 伟 明 等. 中 国 国 际 贸 易 中 心 三 期 主 塔 楼 结 构 设 计 [J]. 第 二 十 界 全 国 高 层 建 筑 结 构 学 术 交 流 会 论 文 集. 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 2008 年 6 月. [31] 中 华 人 民 共 和 国 行 业 标 准 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ3-2002). 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 2002 [32] 王 亚 勇, 刘 小 弟, 程 民 宪. 建 筑 结 构 时 程 分 析 法 输 入 地 震 波 的 研 究 [J]. 建 筑 结 构 学 报, 1991(4) [33] 王 松 涛, 曹 资. 现 代 抗 震 设 计 方 法 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 1997 37-46 [34] 全 国 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 审 查 专 家 委 员 会 抗 震 设 防 专 项 审 查 办 法 [S]. 2003,3. [35] 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 专 项 审 查 技 术 要 点 [S]. 2003,3. [36] 徐 培 福, 王 亚 勇, 戴 国 莹. 关 于 超 限 高 层 建 筑 抗 震 设 防 审 查 的 若 干 讨 论 [J]. 建 筑 结 构 学 报 2004,37(1) [37] 徐 培 福, 戴 国 莹. 超 限 高 层 建 筑 结 构 基 于 性 能 抗 震 设 计 的 研 究 [J]. 土 木 工 程 学 报 2005,38(1) [38] ATC40 Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings [R]. Applied Technology Council,1996. [39] FEMA 273 NEHRP Guidelines for seismic Rehabilitation of buildings [R]. Federal Emergency Management Agency,1997. [40] SEAOC Vision 2000 a Framework for Performance-based Engineering [R]. Structural Engineering Association of California, 1995. [41] BSSC (1998) NEHRP Recommended provisions for seismic regulation of new buildings and other structures [R]. Report No: FEMA302,Washington, D. C. [42] FEMA 368 (2000) NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures [R]. Federal Emergency Management Agency, Washington, D. C. [43] FEMA 355 (2000) State of the art report on connection performance [R]. Federal Emergency Management Agency,Washington, D. C. 114
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 [44] FEMA 356 (2000) Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings [R]. Federal Emergency Management Agency, Washington, D. C. [45] ICC (2003) Performance Code for Buildings and Facilities, International code council, 2003. [46] 周 锡 元. 抗 震 性 能 设 计 与 三 水 准 设 防 [J]. 土 木 水 利 ( 台 湾 ),2003,30(5) [47] 白 绍 良 译. 钢 筋 混 凝 土 建 筑 结 构 基 于 位 移 的 抗 震 设 计 [R]. 国 际 结 构 混 凝 土 联 合 会 (FIB) ( 原 欧 洲 混 凝 土 学 会 CEB) 综 合 报 告, 2003 [48] Building code of Australia (BCA), Australia building codes board, 1996 [49] 徐 培 福, 黄 小 坤. 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 理 解 与 应 用 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 2003:143~144. [50] 中 国 工 程 建 设 协 会 标 准 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 设 计 规 程 (CECS 230:2008). 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社 2008. 14~15. [51] 型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 (JGJ138-2001)[S]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,2001. [52] 王 亚 勇, 戴 国 莹. 建 筑 抗 震 设 计 规 范 疑 问 解 答 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 2006 [53] 中 华 人 民 共 和 国 行 业 标 准 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB50011-2001)2008 年 版. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 2008 [54] 中 华 人 民 共 和 国 行 业 标 准 建 筑 工 程 抗 震 分 类 标 准 (GB50023-2008)2008 年 版. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 2008. [55] 地 震 安 全 性 评 价 条 例 中 华 人 民 共 和 国 国 务 院 第 323 号 令. 2001 年. [56] 中 华 人 民 共 和 国 行 业 标 准 厚 度 方 向 性 能 钢 板 GB/T5313-85 中 国 标 准 出 版 社 1986. [57] 柴 昶 厚 板 钢 材 在 钢 结 构 工 程 中 的 应 用 及 其 材 性 选 用 [J]. 钢 结 构.2004,5. [58] 周 向 明, 李 国 强. 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 弹 塑 性 地 震 反 应 分 析 模 型 及 研 究 现 状 [J]. 工 程 力 学,1999,( 增 刊 ):612~717. [59] 李 国 强, 丁 翔, 郑 敬 有, 等. 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 分 区 耦 合 分 析 模 型 及 开 裂 层 位 移 参 数 分 析 [J]. 建 筑 结 构,2002,32(2):21~25 [60] Franklin.Y.Cheng. Inelastic Analysis Of 3-D Mixed Steel And Reinforced Concrete Seismic Building Systems,Computers&Structures[J]. 1981,13:189~196. [61] 程 绍 革. 钢 - 混 凝 土 筒 混 合 结 构 弹 塑 性 反 应 分 析 及 探 讨 [J]. 建 筑 结 构,1998,(6):33~35. [62] 刘 英, 王 松 涛, 赵 均, 等. 钢 - 混 凝 土 核 心 筒 组 合 结 构 抗 震 性 能 研 究 [J]. 工 程 力 学,1999,( 增 刊 ):439~443. [63] 李 国 强, 姜 丽 人, 张 晓 光. 高 层 建 筑 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 简 化 分 析 模 型 [J]. 建 筑 结 构,1999,(6):12~13. [64] 周 向 明, 李 国 强, 丁 翔. 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 弹 塑 性 地 震 反 应 简 化 分 析 模 型 [J]. 建 筑 结 构,2002,32(5):26~30. [65] 容 柏 生. 国 内 高 层 建 筑 结 构 设 计 的 若 干 新 进 展 [J]. 建 筑 结 构.2007,37(9) [66] 杨 勇 等. 青 岛 万 邦 中 心 1# 楼 超 高 层 结 构 体 系 设 计 研 究 [J]. 建 筑 结 构.2008,38(1) [67] 张 相 勇. 北 京 国 际 财 源 中 心 ( 西 塔 ) 混 合 结 构 设 计 [J]. 建 筑 结 构.2006,36(9) [68] Anil K. Chopra. Dynamics of Structures Theory and Applications to Earthquake Engineering (Second Edition) [M] [69] 汪 大 绥 等. 上 海 环 球 金 融 中 心 结 构 设 计 [J]. 建 筑 结 构.2007,37(5) [70] 楚 留 声 等. 高 烈 度 区 混 合 结 构 地 震 位 移 反 应 研 究 [J]. 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报.2007,39 增 刊 2 [71] 赵 兵, 牟 京 芳. 采 用 SATWE 软 件 进 行 结 构 中 震 设 计 的 探 讨 [J]. 建 筑 结 构.2006,36 115
参 考 文 献 [72] 王 松 涛, 曹 资. 现 代 抗 震 设 计 方 法 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 1997: 1~5 [73] Wilson E L. Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures. Computers and Structures,2000 [74] 窦 立 军 等 关 于 时 程 分 析 方 法 的 几 点 建 议 [J]. 工 程 力 学 增 刊.2001 [75] 李 杰, 李 国 强 编 著 地 震 工 程 导 论 [M]. 北 京 : 地 震 工 程 出 版 社 1992 [76] 钟 善 桐 著. 钢 管 混 凝 土 结 构 第 3 版 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 北 京 2003 [77] 韩 林 海, 杨 有 福. 现 代 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 2004 [78] 钟 善 桐. 钢 管 混 凝 土 结 构 在 我 国 的 应 用 与 发 展 [J]. 2004 钢 结 构 学 术 年 会 论 文 集 [79] 钟 善 桐. 圆 形 和 方 形 钢 管 混 凝 土 柱 工 作 性 能 与 经 济 性 比 较 [J]. 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 2003-35 增 刊 [80] Akbar R Tamboli. Editor. Handbook of Structural Steel Connection Design and Details. McGraw.Hill. 1999. 502 [81] 高 层 民 用 建 筑 设 计 防 火 规 范 (GB50045-95)2005 版 [S]. 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社,2005. [82] 矩 形 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (CECS159:2004)[S]. 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社,2004. [83] 建 筑 钢 结 构 防 火 技 术 规 范 (CECS200:2006)[S]. 北 京 : 中 国 计 划 出 版 社,2006. [84] 王 敏 曹 万 林 张 建 伟 组 合 剪 力 墙 的 抗 震 研 究 与 发 展 [J]. 地 震 工 程 与 工 程 振 动 增 刊.2007 [85] 李 国 强 张 晓 光 沈 祖 炎 钢 板 外 包 混 凝 土 剪 力 墙 板 抗 剪 滞 回 性 能 试 验 研 究 [J]. 工 业 建 筑 1995, 25(6): 32-35. [86] SPACONEE, FILIPPOUF, TAUCERF. Fiber beam-column modeling for non-linear analysis of R/C frames [J]. Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1996, 25: 711-725. [87] DAMBRISIA, FILIPPOUF. Modeling of cyclic shear behavior in RC members [J]. Journal of Structural Engineering, 1999, 125 (10) : 1143-1149. [88] LI Kang-ning. 3-D Analysis of RC frame-wall building damaged in the 1995 Hyogoken-nanbu earthquake [A]. Proc of the 12th World Conference on Earthquake Engineering (CD-ROM) [C ]. Auckland: [sn] 2000. [89] 秦 从 律, 张 爱 晖. 基 于 截 面 纤 维 模 型 的 弹 塑 性 时 程 分 析 方 法 [J]. 浙 江 大 学 学 报 ( 工 学 版 ).2005 39(7) [90] DARWIND, PECKOLDDA. Analysis of RC shear panels under cyclic loadings [J]. Journal of Structural Division, 1976, 102 (ST2) : 355-369. [91] VECCHIO F J, COLLINS M P. The response of reinforced concrete to in-plane shear and normal stress [R]. Toronto: University of Toronto, 1982. [92] 吕 西 林, 金 国 芳, 吴 晓 涵. 钢 筋 混 凝 土 结 构 非 线 性 有 限 元 理 论 与 应 用 [M]. 上 海 : 同 济 大 学 出 版 社, 1997 [93] MIYASHITA Oka, HAYAMI Yukio. Elastic-plastic analysis of RC panel under cyclic loadings [A]. Summaries of Technical Paper of Annual Meeting of Architectural Institute of Japan (Structure Ⅰ) [C]. Hiroshima: [ sn.], 1990: 1353-1354. [94] 孙 建 超, 徐 培 福, 肖 从 真, 孙 慧 中, 王 翠 坤. 钢 板 - 混 凝 土 组 合 剪 力 墙 受 剪 性 能 试 验 研 究 [J]. 建 筑 结 构.2008,38(6) [95] 杨 志 勇 等. 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 罕 遇 地 震 弹 塑 性 静 动 力 分 析 方 法 [J]. 建 筑 结 构.2006, 36( 增 刊 ) 116
致 谢 首 先 要 感 谢 我 的 导 师 张 艳 霞, 在 论 文 选 题 研 究 重 点 的 选 择 论 文 写 作 的 每 一 个 环 节 及 各 个 章 节 都 给 予 了 我 很 多 重 要 的 指 导, 在 硕 士 学 位 课 程 学 习 及 论 文 筹 备 和 撰 写 等 过 程 中, 给 予 了 我 很 多 的 帮 助, 引 导 并 使 我 熟 悉 了 工 程 以 及 学 术 研 究 工 作 的 典 型 方 法 和 手 段, 这 些 相 信 会 在 我 今 后 的 工 作 中 受 益 终 生 感 谢 我 的 工 作 单 位 Arup 工 程 顾 问, 公 司 在 高 层 建 筑 结 构 设 计 方 面 取 得 全 球 领 先 地 位 和 积 累 的 宝 贵 经 验, 为 我 的 在 职 研 究 工 作 提 供 了 绝 佳 环 境 并 创 造 了 良 好 的 氛 围 感 谢 我 的 领 导 何 伟 明 刘 鹏 博 士, 他 们 对 我 的 设 计 工 作 给 予 了 充 分 的 信 任, 让 我 有 机 会 负 责 该 项 目 初 步 设 计 和 超 限 审 查 的 一 系 列 具 体 的 筹 备 工 作, 并 在 过 程 中 给 予 了 许 多 非 常 有 意 义 和 及 时 的 指 导 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 是 公 司 继 成 功 完 成 北 京 国 贸 三 期 结 构 设 计 后, 在 高 震 区 北 京 完 成 的 第 二 高 楼 以 及 最 高 的 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 建 筑, 在 他 们 的 指 导 和 帮 助 下, 总 体 结 构 方 案 的 制 定 借 鉴 了 公 司 在 香 港 内 地 积 累 的 丰 富 的 超 高 层 结 构 设 计 经 验 并 得 以 融 入 该 工 程 具 体 的 设 计 中 特 别 感 谢 北 京 建 筑 工 程 学 院 宋 国 华 副 校 长 土 木 与 交 通 工 程 学 院 吴 徽 院 长 对 我 在 职 研 究 生 学 习 的 支 持 和 帮 助 感 谢 在 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 结 构 初 步 设 计 过 程 中, 项 目 团 队 刘 光 磊 博 士 Robin Ching 等 对 我 工 作 的 配 合 与 支 持, 团 结 精 干 的 设 计 团 队 为 成 功 顺 利 完 成 该 项 目 的 超 限 审 查 和 初 步 设 计 工 作 付 出 了 巨 大 的 努 力 感 谢 在 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 超 限 审 查 过 程 中, 全 国 超 限 审 查 专 家 组 徐 培 福 戴 国 莹 王 亚 勇 陈 富 生 柯 长 华 等 在 多 次 的 方 案 预 审 会 中 提 出 了 许 多 宝 贵 的 指 导 和 建 议 这 些 设 计 大 师 和 老 前 辈 严 谨 谦 逊 的 指 导 让 我 收 益 颇 多 感 谢 我 的 同 事 李 兆 凡 在 本 项 目 方 案 阶 段 以 及 在 平 时 工 作 中 对 我 的 指 导 和 无 私 的 帮 助, 在 他 的 影 响 下, 我 领 悟 和 学 习 到 了 很 多 最 后 要 感 谢 在 我 本 科 毕 业 工 作 后, 北 京 建 委 质 监 总 站 张 元 勃 副 站 长 ( 兼 北 京 监 理 协 会 常 务 副 会 长 ) 同 事 殷 明 娟 等 对 我 迈 入 结 构 设 计 工 作 的 激 励, 感 谢 在 中 国 电 子 工 程 设 计 院 工 作 期 间, 张 成 金 朱 可 义 高 彩 芬 盛 红 李 如 白 刘 传 春 崔 宝 义 娄 宇 邓 纪 文 等 前 辈 对 我 的 关 心 和 指 导, 在 他 们 的 帮 助 下, 促 使 我 我 一 步 步 熟 悉 和 掌 握 了 建 筑 结 构 设 计 工 作 的 基 本 技 能, 积 累 了 许 多 宝 贵 的 经 验, 为 今 后 的 成 长 奠 定 了 良 好 的 基 础 在 论 文 撰 写 以 及 研 究 工 作 过 程 中, 通 过 查 阅 大 量 文 献 和 相 关 设 计 资 料 图 纸, 让 我 对 超 高 层 混 合 结 构 及 其 相 关 技 术 问 题 有 了 更 为 深 入 的 了 解 和 认 识, 论 文 前 期 近 一 年 的 工 程 设 计 配 合 研 究, 为 此 后 论 文 内 容 的 梳 理 和 总 结, 奠 定 了 良 好 的 基 础, 论 文 的 撰 写 也 同 时 将 学 术 研 究 的 态 度 和 方 法 融 入 了 我 日 常 的 结 构 设 计 和 咨 询 工 作 中 去, 激 发 了 我 在 工 作 中 的 117
钻 研 和 思 考, 成 为 了 我 不 断 努 力 奋 斗 的 契 机 和 动 力 在 整 个 在 职 研 究 生 学 习 的 过 程 中, 日 常 工 作 和 论 文 研 究 互 相 促 进, 形 成 了 有 益 的 互 动, 虽 然 占 据 了 我 许 多 的 业 余 时 间 和 精 力, 但 我 收 获 颇 丰 在 职 研 究 生 的 这 段 经 历 伴 随 了 我 一 段 难 忘 的 人 生 和 事 业 的 转 折, 为 我 架 设 了 一 段 迈 向 成 功 的 阶 梯 因 此 我 要 感 谢, 感 谢 我 目 前 以 及 曾 经 的 单 位, 感 谢 这 段 日 子 里 所 有 曾 经 激 励 引 导 和 帮 助 我 的 人 我 永 远 感 激 你 们 118
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 者 简 介 殷 超, 男, 汉 族,1979 年 生 于 北 京 市 朝 阳 区,2001 年 7 月 毕 业 于 北 京 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 建 筑 工 程 专 业, 获 工 学 学 士 学 位, 同 年 7 月 工 作 于 北 京 市 建 设 委 员 会 工 程 质 量 监 督 总 站,2004 年 调 入 中 国 电 子 工 程 设 计 院 进 行 建 筑 结 构 设 计 工 作,2007 年 至 今, 于 奥 雅 纳 工 程 顾 问 公 司 从 事 高 层 建 筑 结 构 设 计 研 究 及 咨 询 工 作, 期 间 在 北 京 建 筑 工 程 学 院 土 木 与 交 通 学 院 在 职 攻 读 硕 士 学 位, 师 从 张 艳 霞 老 师, 从 事 超 高 层 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 抗 震 方 面 的 研 究 119
北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 初 步 设 计 和 超 限 审 查 工 作 简 介 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 ( 原 名 北 京 财 富 中 心 三 期 ) 业 主 为 北 京 香 江 兴 利 房 地 产 开 发 有 限 公 司 (HKI), 奥 雅 纳 工 程 顾 问 (Arup) 受 其 委 托 配 合 建 筑 师 巴 马 丹 拿 建 筑 事 务 所 (P&T) 机 电 顾 问 柏 城 (PB) 负 责 对 该 工 程 进 行 建 筑 结 构 ( 含 岩 土 ) 的 方 案 及 初 步 设 计 工 作, 北 京 市 勘 察 设 计 研 究 院 (BGI) 负 责 本 工 程 场 地 勘 查 工 作, 北 京 市 吉 奥 星 地 震 工 程 勘 测 研 究 院 为 本 工 程 提 供 了 工 程 场 地 地 震 安 全 评 价 报 告, 香 港 BMT 公 司 进 行 风 洞 试 验 并 提 供 相 关 计 算 参 数, 务 腾 提 供 了 工 料 顾 问 服 务, 中 冶 京 诚 工 程 技 术 有 限 公 司 CERI( 原 北 京 钢 铁 设 计 研 究 院 ) 负 责 该 工 程 的 施 工 图 设 计 在 该 工 程 结 构 方 案 及 初 步 设 计 过 程 中, 应 业 主 要 求, 结 构 顾 问 分 别 就 钢 - 混 凝 土 混 合 结 构 和 纯 钢 结 构 加 阻 尼 器 进 行 了 方 案 和 经 济 性 比 较, 对 大 直 径 圆 钢 管 混 凝 土 (CFT) 与 型 钢 混 凝 土 (SRC) 柱 进 行 了 较 为 深 入 的 研 究 与 量 化 比 较, 对 外 框 架 柱 不 同 柱 距 进 行 了 抗 震 性 能 分 析 等 一 系 列 研 究 本 工 程 在 设 计 过 程 中, 结 合 混 合 结 构 的 特 点, 在 严 格 遵 照 规 范 要 求 的 同 时, 参 考 了 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 关 于 超 高 层 混 合 结 构 一 系 列 最 新 的 科 研 和 试 验 成 果, 在 8 度 区 超 高 层 混 合 结 构 核 心 筒 底 部 应 用 了 组 合 钢 板 剪 力 墙, 除 用 以 提 高 延 性 的 同 时 增 加 了 结 构 刚 度, 结 合 欧 洲 规 范 根 据 CESC28:90 技 术 规 程, 在 我 国 8 度 区 外 框 架 中 全 高 应 用 了 此 前 还 较 少 使 用 大 直 径 钢 管 混 凝 土 柱 在 结 构 布 置 方 面, 沿 结 构 竖 向 设 置 了 四 道 分 别 含 伸 臂 桁 架 以 及 腰 桁 架 的 加 强 层, 最 终 初 步 设 计 结 果 标 明, 由 于 应 用 了 混 合 结 构 这 种 较 为 合 理 的 结 构 形 式, 在 满 足 规 范 要 求 以 及 各 项 抗 震 性 能 化 目 标 等 一 系 列 指 标 的 同 时, 该 结 构 在 用 钢 量 舒 适 度 防 火 性 能 等 综 合 性 能 是 较 为 理 想 的 该 工 程 结 构 高 度 258 米, 预 计 将 成 为 继 国 贸 三 期 之 后 北 京 第 二 高 建 筑 和 最 高 的 采 用 型 钢 混 凝 土 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 结 构 的 建 筑, 由 于 属 于 超 限 工 程 结 构, 在 初 步 设 计 阶 段 根 据 规 定 进 行 了 超 限 审 查,2008 年 3~7 月 在 结 构 初 步 设 计 不 断 深 入 过 程 中 与 全 国 抗 震 审 查 专 家 组 徐 培 福 戴 国 莹 王 亚 勇 柯 长 华 陈 富 生 等 进 行 了 两 次 非 正 式 预 审, 在 建 研 院 设 计 团 队 汇 报 并 听 取 了 专 家 的 宝 贵 意 见, 经 过 不 断 研 究 优 化 和 调 整,2008 年 7 月 10 日 该 工 程 一 次 性 通 过 了 正 式 审 查 ( 审 查 意 见 及 结 论 见 下 图 ) 在 本 工 程 初 步 设 计 阶 段 除 了 完 成 常 规 设 计 外, 亦 完 成 了 以 下 工 作 : 对 安 评 报 告 反 应 谱 与 国 标 规 范 反 应 谱 不 同 设 计 水 准 的 比 较 基 础 混 凝 土 灌 注 桩 应 用 后 压 浆 技 术 的 沉 降 及 受 力 分 析 贯 穿 型 伸 臂 桁 架 在 墙 内 采 用 铸 钢 节 点 以 及 伸 臂 桁 架 - 圆 钢 管 柱 - 腰 桁 架 复 杂 节 点 有 限 元 分 析 弹 性 和 弹 塑 性 动 力 时 程 分 析 与 比 较 评 价 底 层 部 分 框 架 柱 跃 层 形 成 长 短 柱 分 析 等 专 项 分 析, 较 为 全 面 完 整 的 对 该 结 构 进 行 了 分 析 和 优 化 作 为 奥 雅 纳 工 程 顾 问 的 结 构 工 程 师, 本 论 文 作 者 以 项 目 工 程 师 ( 第 一 设 计 人 ) 的 角 色 承 担 了 北 京 财 富 中 心 二 期 办 公 楼 结 构 初 步 设 计 工 作, 全 面 负 责 结 构 具 体 的 分 析 和 设 计 协 121
调 配 合 建 筑 机 电 专 业, 制 定 计 算 参 数, 建 立 调 整 分 析 优 化 结 构 计 算 模 型, 整 理 分 析 相 关 技 术 数 据, 撰 写 筹 备 抗 震 超 限 审 查 报 告 以 及 其 他 专 门 报 告, 绘 制 结 构 图 纸, 计 算 分 析 并 参 与 制 定 构 件 抗 震 性 能 目 标 等 一 系 列 工 作, 同 时 具 体 负 责 复 核 审 查 在 初 步 设 计 基 础 上 施 工 图 的 深 化 工 作 本 论 文 的 选 题 调 研 筹 备 撰 写 工 作 均 基 于 作 者 对 本 工 程 以 上 工 作 的 设 计 和 研 究 成 果 全 国 超 限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 审 查 专 家 委 员 会 对 北 京 财 富 中 心 二 期 写 字 楼 工 程 初 步 设 计 抗 震 设 防 专 项 审 查 意 见 : 122