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超纖薄高樓抗側(cè)力如何解決？鋼板墻+組合框架（附多個(gè)鋼板墻工程的試驗(yàn)概況）

摘要

南京揚(yáng)子江國際會(huì)議中心塔樓為超大高寬比（10.1）和超大長(zhǎng)寬比（6.6）的超常規(guī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)施工難度高。本文對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并補(bǔ)充了此項(xiàng)科研工作的體會(huì)和多個(gè)鋼板墻工程的試驗(yàn)概況。

工程背景

為追求建筑效果與建筑功能，超高層建筑可能出現(xiàn)高寬比、長(zhǎng)寬比超大的情況。例如紐約111 West 57th Street大廈的高寬比達(dá)到了驚人的24（圖1左圖），是名副其實(shí)的“鉛筆樓”。這類修長(zhǎng)纖細(xì)的建筑，非常符合摩天大樓的意象，給觀眾以視覺上的沖擊力，但受力顯然更為脆弱不利，給結(jié)構(gòu)工程師提出更大挑戰(zhàn)。

圖1 纖薄超高層建筑實(shí)景

南京揚(yáng)子江國際會(huì)議中心塔樓為風(fēng)帆造型，地上32層，結(jié)構(gòu)高度151.9m，平面尺寸15m×99m，如圖2所示。該建筑結(jié)構(gòu)高寬比10.1、平面長(zhǎng)寬比6.6，高寬比和長(zhǎng)寬比均遠(yuǎn)超常規(guī)建筑。

圖2 南京揚(yáng)子江國際會(huì)議中心塔樓方案

技術(shù)難題和解決方案

側(cè)向荷載作用下，超高層建筑的內(nèi)力和變形隨高度增加快速增長(zhǎng)。而結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)力的能力又與其厚度密切相關(guān)，較薄的截面難以提供巨大的承載力和剛度。對(duì)于超大高寬比的建筑，高度更大、厚度更薄，兩個(gè)尺度都不利于受力。此外，平面上長(zhǎng)寬比過大的建筑（樓層平面呈長(zhǎng)條狀），則會(huì)帶來樓蓋面內(nèi)剛度不足、扭轉(zhuǎn)加劇等問題。

我國規(guī)范建議7度設(shè)防時(shí)，高層鋼結(jié)構(gòu)高寬比宜≤6.5、長(zhǎng)寬比宜≤6.0。顯然，南京揚(yáng)子江國際會(huì)議中心塔樓的高寬比和長(zhǎng)寬比，都已遠(yuǎn)超常規(guī)建筑，設(shè)計(jì)師必須在有限空間內(nèi)，構(gòu)建更高效的結(jié)構(gòu)體系、配置更高性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

為滿足建筑通透效果和結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需求，設(shè)計(jì)院經(jīng)多方案對(duì)比研究，最終確定采用鋼管混凝土框架+鋼支撐+鋼板剪力墻的組合結(jié)構(gòu)體系，如圖2(c)所示。在結(jié)構(gòu)縱橫兩向均勻布置鋼支撐，下部樓層小柱距位置采用大高寬比鋼板剪力墻（圖3）。低區(qū)樓層采用屈曲約束支撐，高區(qū)樓層采用普通鋼支撐。

圖3 下部樓層層高和柱網(wǎng)

由于下部樓層受力大且復(fù)雜，為確保框架柱與鋼支撐、鋼板墻能夠協(xié)同工作，將低區(qū)屈曲約束支撐和鋼板剪力墻定義為關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)防地震下不允許屈服、罕遇地震下進(jìn)入塑性耗能。

抗側(cè)力體系試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目在前期方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)低區(qū)所可能采用的多種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比研究。各方案均采用矩形鋼管混凝土柱（RCFT），并分別采用(a)鋼板墻、(b)鋼連梁+鋼板墻、(c)屈曲約束支撐BRB、(d)消能連梁作為連接和耗能元件。

課題組除結(jié)合規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析和精細(xì)數(shù)值模擬，也對(duì)各方案開展了抗震試驗(yàn)。模型縮尺比例為1:5，測(cè)試段高3200mm、寬960mm，如圖4所示。工程最終采用的為帶鋼連梁和焊接加勁肋的鋼板墻方案(b)，以下對(duì)該方案的試驗(yàn)研究情況進(jìn)行簡(jiǎn)述。

圖4 模型試驗(yàn)構(gòu)件

鋼板剪力墻（帶肋）具有較高的初始剛度、良好的延性和耗能能力（參見文后附注二）。高寬比是影響鋼板墻受力性能的重要參數(shù)。本工程受建筑功能限制，平面布置局促，導(dǎo)致鋼板墻高寬比偏大，對(duì)此進(jìn)行了重點(diǎn)研究。方案(b)通過在鋼板墻內(nèi)附加鋼連梁，將鋼板劃分為高跨比為小于1的區(qū)格，從而提升了結(jié)構(gòu)性能。

RCFT+鋼連梁+鋼板墻模型在試驗(yàn)中未出現(xiàn)明顯面外屈曲和脆性破壞現(xiàn)象，最終因?yàn)橹_處鋼板受拉斷裂而喪失承載能力，如圖5所示。

圖5 試件破壞現(xiàn)象

荷載-位移曲線參見圖6。屈服位移約為27mm（θ=1/115），屈服荷載約為860kN。試件正負(fù)向滯回曲線基本對(duì)稱，位移延性系數(shù)大于3。對(duì)照整體結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果，該抗側(cè)力體系方案可以實(shí)現(xiàn)小震彈性和中震不屈服的設(shè)防目標(biāo)。

圖6 鋼連梁+鋼板墻試件滯回曲線和骨架線

試驗(yàn)表明，加勁肋可約束鋼板墻面外變形，保證鋼板屈服先于面外屈曲，充分發(fā)揮鋼板墻的承載能力和耗能能力。加載后期，鋼板墻承載力退化系數(shù)波動(dòng)小且穩(wěn)定在0.85以上，剛度退化勻速穩(wěn)定，累積耗能上升趨勢(shì)明顯，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱墻”“高耗能”的設(shè)計(jì)理念。

附注一：關(guān)于超常規(guī)建筑與高性能工程結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

類似超大高寬比、超大懸挑、傾斜扭曲構(gòu)型的超常規(guī)建筑，從受力角度看往往并不合理。但超常規(guī)建筑發(fā)展的新需求，也是工程結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力。例如，南京揚(yáng)子江國際會(huì)議中心塔樓工程，推動(dòng)了設(shè)計(jì)、施工和科研單位對(duì)高效抗側(cè)力體系的深入研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了自身技術(shù)能力的提升。而高性能結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，又為提升建筑品質(zhì)、拓展建筑創(chuàng)作空間提供了有效支撐。簡(jiǎn)言之，本項(xiàng)目科研工作可以看作是對(duì)“需求牽引、技術(shù)推動(dòng)”的一次具體實(shí)踐。

圖7 超常規(guī)建筑與其支撐技術(shù)的關(guān)系

附注二：關(guān)于鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用

天津環(huán)球金融中心（津塔）高336.9m，是采用鋼板剪力墻的世界最高建筑。課題組在工程初步設(shè)計(jì)階段，與華東建筑設(shè)計(jì)院合作，對(duì)非加勁鋼板剪力墻、加勁鋼板剪力墻方案進(jìn)行了計(jì)算分析和試驗(yàn)測(cè)試（圖8）。研究表明：設(shè)置加勁肋有利于提高鋼板墻的剛度及穩(wěn)定性；高強(qiáng)螺栓連接或焊接連接均能滿足設(shè)計(jì)需求；加勁和非加勁鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)均具有較高承載能力和穩(wěn)定的滯回性能。

綜合考慮受力及施工方面的需求，該工程最終采用的是類似圖8(b)所示的加勁鋼板墻，鋼板與邊緣構(gòu)件之間采用焊接連接。

圖8 天津津塔鋼板剪力墻試驗(yàn)

天津于家堡洲際酒店（原名天津國際金融會(huì)議酒店）采用的是大開洞鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系。課題組在工程初步設(shè)計(jì)階段，與中國建筑設(shè)計(jì)研究院合作，對(duì)不同構(gòu)造的大開洞鋼板剪力墻方案進(jìn)行了計(jì)算分析和試驗(yàn)測(cè)試（圖9）。研究表明：開洞降低了鋼板剪力墻試件的剛度和承載力，但洞口角部斷裂對(duì)鋼板剪力墻試件的抗震性能影響不明顯；在鋼板墻洞口周圍布置加勁肋對(duì)開洞補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。