中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究_齐五辉.pdf

书书书 第 45 卷 第 18 期 2015 年 9 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 18 Sep 2015 编者按 北京市建筑设计研究院( 集团) 有限公司( 简称 BIAD) ， 成立于 1949 年， 是与中华人民共和国同 龄的大型国有建筑设计咨询机构， 并于2012 年6 月由全民所有制企业改制为国有独资公司。BIAD 以 “建设 中国卓越的建筑设计企业” 为共同目标， 以 “为顾客提供高完成度的建筑设计产品” 为质量方针， 坚定不移地 实施 “BIAD 设计” 品牌战略， 形成了 “建筑服务社会， 设计创造价值” 的企业核心理念。 BIAD 集中了一大批优秀的建筑师和各个专业的工程师， 拥有工程院院士 1 名， 全国工程勘察设计大师 9 名， 国务院特殊津贴专家 69 名， 北京市突出贡献专家 12 名。在 4 000 多名员工中， 取得高级以上职称人员 760 余名， 具有相关执业注册资格人员 966 名。从 1977 年至 2015 年 8 月， 设计获全国优秀工程勘察设计奖 61 项， 获全国优秀工程勘察设计行业奖 305 项， 获北京市优秀工程设计奖 799 项。科研获国家科学技术奖 28 项， 获华夏建设科学技术奖 101 项， 获北京市科学技术奖 153 项。获中国土木工程詹天佑奖 18 项。 本专辑集中介绍了近期 BIAD 若干工程设计及科研成果， 涵盖了对中国尊大厦、 乌鲁木齐宝能城、 呼和 浩特市鄂尔多斯广场、 青岛国际贸易中心、 海口国瑞城等多项超高层建筑和深圳宝安国际机场 T3 航站楼消 能减震结构、 马拉维体育场大跨度结构的工程总结， 高层建筑隔震设计、 大底盘结构位移比控制等方面的探 讨研究， 以及装配整体式剪力墙设计应用、 地基基础研究、 程序计算分析理论、 风洞试验研究等多方面的内 容。体现了 BIAD 在结构设计多个领域不断追求进取所取得的新成果和新进展， 可为广大读者借鉴。 通讯作者: 常为华， 硕士， 高级工程师， 一级注册结构工程师，Email: biad_changwh163 com。 中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究 齐五辉 1， 杨蔚彪1， 常为华1， 宫贞超1， 田士川1， 李华峰1， 纪晓东2 ( 1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045; 2 清华大学土木工程系，北京 100084) 摘要 为减轻结构总重量、 控制墙身截面厚度、 满足轴压比和抗震性能要求， 中国尊大厦核心筒底部区域采用内 置钢板混凝土剪力墙， 中间区段采用内置钢板支撑混凝土剪力墙; 在结构塔冠位置( 104 层及以上) 由于刚度突变 及鞭梢效应的影响， 采用内置钢板混凝土剪力墙等措施予以加强。由于目前尚无内置钢板支撑混凝土剪力墙抗震 性能的研究， 因此对内置钢板支撑混凝土剪力墙进行了专项试验研究和动力弹塑性分析。结果表明， 内置钢板支 撑混凝土剪力墙施工简单， 混凝土浇筑密实度容易得到保证。其刚度和受剪承载力与内置 H 型钢混凝土剪力墙的 刚度和受剪承载力基本相同， 两种墙的极限变形能力和耗能能力也基本相当。 关键词 中国尊大厦;内置钢板支撑混凝土剪力墙;试验研究;弹塑性分析 中图分类号: TU318文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 18- 0001- 05 Structural design and study on steel-plate-bracing concrete shear walls of China Zun Tower Qi Wuhui1， Yang Weibiao1， Chang Weihua1， Gong Zhenchao1， Tian Shichuan1， Li Huafeng1， Ji Xiaodong2 ( 1 Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045，China; 2 Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China) Abstract: To fulfill the purpose of reducing the total structure weight，controlling the shear wall thickness，satisfying the ratio of axial compression stress to strength and seismic behavior requirements，steel- plate concrete shear walls are adopted at the bottom part of the core wall for China Zun Tower，and steel- plate- bracing concrete shear walls are used in the mid- part of the core wall Because of the stiffness mutation and whipping effects，steel- plate concrete shear walls are used to reinforce the pinnacle of the structure tower ( 104 floor and above) Due to the lack of studies on seismic performance of steel- plate- bracing concrete shear walls，special experimental study and dynamic elasto- plastic analysis on steel- plate- bracing concrete shear walls were performed esults show that the steel- plate- bracing concrete shear walls are easy to construct，and the compaction degree of the concrete is easy to be guaranteed The stiffness and shear capacity of the concrete shear walls with H- shaped steel inside are basically as the same as those of steel- plate- bracing concrete shear walls，and the ultimate deformation capacity and energy dissipation capacity of the two structures are basically equivalent Keywords: China Zun Tower;steel- plate- bracing concrete shear wall;experimental study;elasto- plastic analysis 建筑结构2015 年 1核心筒结构设计概况 中国尊大厦( 图 1( a) ) 地上 108 层， 高 528m; 地 下 7 层， 基底标高为 37. 8m。采用巨型框架( 巨型 柱、 巨型斜撑、 转换桁架)+ 核心筒双重抗侧力结构 体系。其中， 核心筒从基础面向上延伸至顶层， 贯穿 建筑物全高， 核心筒平面基本呈正方形， 底部尺寸为 39m 39m1 。 核心筒剪力墙是关键的抗侧力构件， 承担了大 部分的地震剪力和倾覆力矩， 其刚度、 承载力和变形 能力对结构的抗震性能有重要影响。核心筒剪力墙 设计性能要求: 小震作用下核心筒墙肢拉压弯和抗 剪弹性; 设防地震作用下抗剪中震弹性， 底部加强区 域拉压弯弹性， 其他部位不屈服; 罕遇地震作用下抗 剪截面不屈服， 拉压弯状态墙肢允许进入塑性; 另 外， 还应控制混凝土压应变和钢筋拉应变在极限应 变内 2 。 图 1中国尊大厦效果图与核心筒立面图 基于减轻超高层结构总重量的要求， 合理优化 核心筒混凝土剪力墙截面厚度且保证剪力墙满足抗 震性能要求尤为重要。项目核心筒周边墙体厚度由 1 200mm 从下至上逐步均匀减小至顶部 400mm; 筒 内主要墙体厚度则由 500mm 逐渐减小至 400mm。 核心筒采用内含钢骨( 钢板/钢支撑) 的钢- 混凝土剪 力墙结构， 在结构底部 46 层范围混凝土墙内设置了 钢板， 形成内置钢板混凝土剪力墙。在 47 103 层 高度范围的外围混凝土墙内设置钢板支撑， 形成内 置钢板支撑混凝土剪力墙。核心筒 104 层及以上， 由于墙厚减小较多且考虑到鞭梢效应， 在核心筒内 外混凝土墙内设置了 8mm 厚钢板， 形成内置钢板混 凝土剪力墙( 图 1( b) ) 。由于目前尚无内置钢板支 撑混凝土剪力墙抗震性能的研究2- 4 ， 因此需要对 内置钢板支撑混凝土剪力墙进行专项试验研究和相 关动力弹塑性分析， 研究该结构体系和结构构件的 抗震性能。 2内置钢支撑混凝土剪力墙试验研究 核心筒在 47 103 层， 外墙采用了内置钢板支 撑混凝土剪力墙， 以增强塔楼立面收腰形成相对薄 弱区段在罕遇地震下的抗震能力， 典型标准层的墙 体及钢支撑布置示意见图 2。该区段的内置钢板支 撑混凝土剪力墙厚度以 500mm 和 400mm 为主， 相 对较薄， 采用 H 型钢支撑时浇筑混凝土较为困难， 并且难以保证翼缘下方的混凝土密实度。提出采用 钢板支撑替代 H 型钢支撑的设计方案， 目前实际工 程中类似做法较少， 对此类混凝土剪力墙的抗震性 能研究尚不充分。因此， 有必要对内置钢板支撑混 凝土剪力墙进行模型试验， 研究其受力性能和抗震 能力。同时检验剪力墙是否达到“中震抗剪弹性” 的抗震设计性能目标。 图 2典型标准层混凝土剪力墙及钢支撑布置图 根据原型墙的尺寸， 考虑加载装置的加载能力， 试件与原型墙的缩尺比例为 0. 35 1。设计了 2 个 试件， 试件的分布钢筋配筋率、 边缘构件竖向钢筋配 筋率和箍筋的配箍特征值与原型墙的基本相同， 试 件的 H 型钢暗梁、 暗柱的截面尺寸与原型缩尺比例 一致。试件混凝土和钢筋设计强度等级、 H 型钢暗 梁和暗柱的钢材强度等级与原型相同。为避免试件 钢板支撑太薄导致的焊接残余变形过大， 试件的钢 板支撑采用 Q235 钢材， 原型钢支撑钢材的强度等 级为 Q345。通过调整试件钢板支撑截面面积， 使其 承载力满足相似比的要求。内置钢板支撑与内置 H 型钢支撑混凝土剪力墙试件编号分别为 SW1 和 SW2， 如图 3 所示。 两个试件的区别是钢支撑不同。试件 SW1 的 支撑采用钢板， 为内置钢板支撑混凝土剪力墙; 试件 SW2 的支撑采用 H 型钢， 为内置 H 型钢支撑混凝土 剪力墙。图 3( a) ， ( b) 分别为钢板支撑和 H 型钢支 撑的截面尺寸， 2 个支撑的截面面积相等， 轴心受拉 2 第 45 卷 第 18 期齐五辉， 等 中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究 图 3试件 SW1 和 SW2 的结构示意图 承载力相等。 2. 1 试验损坏过程与破坏形态 试验在清华大学土木工程安全与耐久教育部重 点实验室的 2 000t 多功能空间加载装置上进行， 试 验方法为恒定轴压力作用下， 施加往复水平荷载的 拟静力试验。试验加载分为两个阶段: 第 1 阶段为 设计验证阶段， 包括小震、 中震和大震三组工况， 该 阶段采用力加载， 竖向轴力和水平剪力由原型墙的 受剪最不利工况按缩尺比例计算得到， 每个工况水 平荷载施加两次。第 2 阶段为破坏性试验阶段， 试 件的轴压比与原型墙在重力荷载代表值作用下的轴 压比相同; 水平荷载按位移控制， 试件屈服前， 加载 等级分别为 1/3 和 2/3 倍预测屈服位移( y) ， 每级 荷载循环一次; 试件屈服后各加载等级的水平位移 依次按 y递增， 每级荷载循环两次， 直到试件破坏， 试件的预测屈服位移角为 0. 3%。 表 1 列出了试件 SW1， SW2 的损坏过程， 两个 试件的损坏过程基本相同。从表 1 列出的各部位钢 材和钢筋屈服或屈曲时对应的位移角可以看出， 试 件 SW1， SW2 钢支撑屈服和水平分布钢筋屈服时的 位移角均为 0. 6%， 钢支撑屈曲时位移角为 0. 9%。 不论钢板支撑还是 H 型钢支撑， 屈曲都发生在屈服 之后， 材料强度已充分发挥。试件位移角( 顶点) 为 0. 3%， 0. 6% 和 0. 9% 时的裂缝情况分别见图 4， 试 件位移角为 1. 5% 时的破坏照片见图 5。试验结束 时， 墙体布满斜裂缝， 水平分布钢筋和钢支撑屈服， 腹板混凝土在剪压作用下压溃， 破坏形态为剪切 破坏。 2 2 水平力- 位移滞回曲线 不同地震水准工况下， 试件的水平力- 位移滞回 曲线见图 6。可以看出， 小震和中震下试件基本为 线弹性; 大震下， 由于试件轴压力为零， 试件在往复 试件损伤和破坏过程表 1 位移角试件 SW1试件 SW2 0. 2% 出现斜裂缝， 最大裂缝宽 度约 0. 1mm 出现斜裂缝， 最大裂缝宽度 约 0. 15mm 0. 3% 斜向裂缝发展， 最大裂缝 宽度约 0. 2mm， 翼墙出现 大量水平裂缝 斜向裂缝发展， 最大裂缝宽 度约 0. 25mm， 翼墙出现少 量水平裂缝 0. 6% 出现大量新的斜裂缝， 已 有斜裂缝发展， 最大裂缝 宽度约 0. 8mm， H 型钢暗 柱与腹板混凝土交界处 出现竖向裂缝， 钢板支撑 屈服， 水平分布钢筋屈服 出现大量新的斜裂缝， 已有 斜裂缝发展， 最大裂缝宽度 约 0. 6mm， 翼墙出现大量水 平裂缝， H 型钢暗柱与腹板 混凝土交界处出现竖向裂 缝， H 型钢支撑屈服， 水平 分布钢筋屈服 0. 9% 墙体上部混凝土稍外鼓， 保护层混凝土受压剥落， 钢板支撑屈曲， 边缘纵筋 未屈服 墙体中部混凝土稍外鼓， 保 护层混凝土受压剥落， H 型 钢支撑屈曲， 边缘纵筋屈服 1. 2% 被交叉裂缝分割而成的 混凝土小块剥落， 分布钢 筋向外弯曲， 钢板支撑屈 曲外鼓 被交叉裂缝分割而成的混 凝土小块剥落， 分布钢筋向 外弯曲， H 型钢支撑屈曲外 鼓 1. 5% 墙体上部混凝土被压溃， 分布钢筋明显向外弯曲， 钢板支撑明显鼓曲 墙体中部混凝土被压溃， 分 布钢筋明显向外弯曲， H 型 钢支撑鼓曲 图 4试件裂缝图 3 建筑结构2015 年 图 5试件破坏形态( 位移角为 1. 5%) 图 6试件水平力- 位移滞回曲线 剪力作用下出现交叉裂缝， 刚度降低， 且由于裂缝开 合导致一定的滞回耗能。 2 3 滞回曲线与骨架线 试件的顶点水平力- 位移滞回曲线见图 7。两 个试件的滞回曲线在混凝土出现剪切裂缝后均有一 定的捏拢。当位移角小于 0. 3% 时， 滞回曲线呈线 性， 随着位移角增大， 试件刚度下降， 水平力继续增 加。正向加载( 支撑受压) : 在位移角为 0. 9% 时， 水 平力达到峰值; 反向加载( 支撑受拉) : 在位移角为 0. 6%时， 水平力达到峰值。水平力达到峰值后， 随 着位移增大， 水平力下降较为缓慢， 表现出较好的 延性。 图 7试件的顶点水平力- 位移滞回曲线 图 8试件顶点水平力- 位移骨架曲线 图 8 为试件顶点水平力- 位移骨架曲线， 水平力 达到峰值前， 试件 SW1， SW2 的骨架曲线基本相同; 水平力达到峰值后， 反向加载时试件 SW1， SW2 的 下降段曲线基本相同， 正向加载时试件 SW1 的水平 力下降略快于 SW2， 这可能与钢板支撑受压屈曲较 型钢支撑显著有关。 2 4 刚度和受剪承载力 试件的初始刚度和受剪承载力见表 2。初始刚 度由加载初期实测的水平力- 位移曲线拟合得到， 可 以看出， 试件 SW1， SW2 的初始刚度实测值差别不 大。由试件受剪承载力可以得到以下结论: ( 1) 试件 SW1， SW2 的受剪承载力基本相同， 表 明钢板支撑混凝土剪力墙的受剪承载能力与 H 型 钢支撑混凝土剪力墙的相当。 ( 2) 正向加载与反向加载下， 试件的受剪承载 力差别不大， 表明支撑受周围混凝土的约束作用强， 支撑受压能够达到屈服。 ( 3)按组 合 结 构 设 计 规 范( JGJ 138 2012) 5 ( 简称组合规范) 的规定计算试件的受剪承 载力， 2 个试件实测受剪承载力与计算值之比分别 为 1. 07 和 1. 02， 组合规范公式计算得到的受剪承 载力略小， 偏于安全。 试件初始刚度和受剪承载力表 2 试件编号 SW1SW2 正向反向正向反向 初始刚度实测值 Km/(105N/mm) 4. 53 4. 383. 994. 21 受剪承载力试验值 Vm/kN 1 8051 7941 7711 724 受剪承载力计算值 Vc/kN 1 6931 6841 7481 690 Vm/Vc1. 071. 071. 011. 02 2. 5 变形能力 试件的名义屈服点用 Park 法确定， 屈服位移角 y为名义屈服点对应的水平位移角; 极限位移角 u 为试件水平力下降至 0. 85 倍峰值荷载时的水平位 移角， 位移延性系数 = u / y ， y和 u在正向加载和 反向加载时数值差异不大。 试件变形性能情况见表 3， 由表 3 可知: 1) 试件 SW1， SW2 的极限位移角和延性系数接近， 表明内置 钢板支撑混凝土墙的变形能力与内置 H 型钢支撑 混凝土墙相当; 2) 两个试件在受剪屈服位移角为 4 第 45 卷 第 18 期齐五辉， 等 中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究 试件变形性能情况表 3 试件 编号 屈服位移角 y 峰值位移角 p 正向反向 极限位移角 u 位移延性 系数 SW10. 39%0. 85%0. 60%1. 00%2. 51 SW20. 45%0. 87%0. 63%1. 15%2. 56 0. 4%左右时， 极限位移角不小于 1. 0%， 具有较大 的变形能力。 3弹塑性分析 为考察大震下整体结构和内置钢支撑混凝土剪 力墙核心筒的抗震性能， 进行了罕遇地震动力弹塑 性分析。采用经典 ayleigh 阻尼设定结构的阻尼系 数， 结构阻尼比均取 0. 05。整个分析过程主要考虑 几何非线性、 材料非线性和施工过程非线性。基于 罕遇地震时程分析比例放大的结构反应谱分析结果 显示， X， Y 向为输入主方向时， 主体结构最大层间位 移角分别为 1/104， 1/101。 核心筒内钢板墙和钢支撑保持弹性工作状态， 未出现塑性。核心筒结构大部分剪力墙墙肢混凝土 受压损伤因子较小( 混凝土应力均未超过峰值强 度) 。其中 70 层以下的墙体损伤较轻， 损伤因子基 本小于 0. 1， 表明大部分墙体混凝土应力远低于其 峰值强度， 可认为基本处于弹性状态， 满足大震的性 能目标要求。大部分连梁破坏较大， 其受压损伤因 子均超过 0. 97， 说明在罕遇地震作用下， 连梁形成 了铰机制， 符合屈服耗能的抗震工程学概念。 4结论 ( 1) 内置钢板支撑和 H 型钢支撑的截面面积相 等、 轴心受拉承载力相等的前提下， 内置钢板支撑混 凝土剪力墙的刚度和受剪承载力与内置 H 型钢支 撑混凝土剪力墙基本相同， 两种墙的极限变形能力 和耗能能力也基本相当。 ( 2) 小震和中震下， 内置钢板支撑与内置 H 型 钢支撑混凝土剪力墙试件的混凝土未开裂， 处于弹 性范围， 达到“中震抗剪弹性” 的抗震设计性能目 标， 试件受剪的安全裕度分别为 8. 4 和 3. 2; 大震 下， 出现斜向剪切裂缝， 但钢筋和钢支撑未屈服， 试 件受剪的安全裕度为 2. 2， 达到 “大震不屈服” 。 ( 3) 按组合规范规定， 采用叠加法计算得到的 内置钢板支撑混凝土剪力墙试件的受剪承载力与实 测值接近， 且略小于实测值。可按组合规范的规定、 采用叠加法计算内置钢板支撑剪力墙的受剪承载 力。钢支撑屈服先于屈曲， 试件正向加载的受剪承 载力与反向加载差别不大， 表明钢支撑受周围混凝 土的约束， 屈曲前钢材已充分发挥其强度。 ( 4) 采用内置钢板支撑混凝土剪力墙， 能方便 混凝土浇筑， 提高混凝土浇筑的密实性。核心筒剪 力墙根据抗震性能需求合理设置内置钢板和内置钢 板支撑， 能保证核心筒结构竖向刚度和强度均匀， 并 明显地提高剪力墙的承载力和延性， 改善大震作用 下的结构抗震性能， 并且对提高剪力墙的稳定性也 有重要作用。 参考文献 1 齐五辉，宫贞超，常为华，等 中国尊大厦外框筒一体 化设计方法 J 建筑结构， 2014， 44( 20) : 1- 6 2 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 3 JGJ 1382012 组合结构设计规范S 北京: 中国建 筑工业出版社， 2012 4 曹万林，杨兴民，黄选明，等 带钢筋及钢骨暗支撑 剪力墙抗震性能试验研究 J 世界地震工程，2005 ( 1) : 1- 6 5 JGJ 1382012 组合结构设计规范( 报批稿) S 北 京 : 组合结构设计规范 编制组， 2012 ( 上接第 18 页) 定的水平拉力， 防止脱落。支座下牛腿结构在端部 设置凸起， 防止在支座失效等极端情况下连廊滑脱， 保证连接结构安全可靠。 7结语 本文对北京丽泽商务区鼎兴大厦的结构设计进 行了整体介绍。针对其特定地质条件和结构形式， 进行了基础沉降计算， 优化设计， 降低成本。运用多 程序对其进行抗震比较分析， 补充弹性时程分析和 静力弹塑性分析， 确保抗震计算的可靠性。对两个 专项设计问题进行了补充计算， 包括大悬挑结构在 竖向地震作用下的反应和连廊结构设计中的一些问 题， 提出了相应的设计思路和计算方法， 有效地保证 了结构整体的安全性。同时， 也可对今后类似项目 提供借鉴。 参考文献 1 GB 500072011 建筑地基基础设计规范 S 北京: 中 国建筑工业出版社， 2012 2 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 3 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京: 中国建 筑工业出版社， 2010 4 沈聚敏， 周锡元， 高小旺， 等 抗震工程学M 北京: 中国建筑工业出版社， 2000 5 黄吉锋， 邵弘， 杨志勇 复杂建筑结构竖向地震作用的 振型分解反应谱分析J 建筑结构学报， 2009， 30 ( S1) : 110- 114 6 GB 500172003 钢结构设计规范 S 北京: 中国计划 出版社， 2003 7 石诚， 肖自强， 张磊 河南省人民医院新建病房楼结构 设计 J 建筑结构， 2013， 43( 3) : 82- 86 5