2. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院,北京 100083;
3. 华东建筑设计研究院有限公司,上海 200011
2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China;
3. East China Architectural Design & Research Institute Co. Ltd., Shanghai 200011, China
截止2019年5月,据世界高层建筑与都市人居学会[1]按建筑高度统计,已建成或封顶的世界前100的超高层建筑中,中国占据54座,在建的世界前100的超高层建筑中,中国占据了56座.中国已成为世界上高层和超高层建筑发展最快的国家.
大型标志性建筑,结构高度越来越高,建筑平面和立面布置也较复杂,超高超限,给结构设计带来空前挑战.中国地震多发,且高层建筑大多位于京津冀、长三角、珠三角等地震区,特别是北京(0.20 g,8度区)、天津(0.15 g,7度半区)等地区为高烈度区,使超高层建筑结构体系抗震设计成为关键技术问题.
全国工程勘察设计大师丁洁民等[2]统计表明,超高层建筑主要采用框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑4种抗侧力体系,且其适用高度依次增大.周建龙等[3]对超高层建筑结构体系的经济性研究表明,为使结构获得最大的抗侧效率,应尽可能使结构布置支撑化、周边化、巨型化和伸臂桁架化.因此,巨型框架结构成为一种高效抗侧力体系.
中国已建成或封顶的代表性高楼大多采用了巨型框架结构体系.主体结构高度超过500 m的超高层建筑,包括上海中心大厦[4-5]、深圳平安金融中心[6-7]、天津117大厦[8]、广州周大福金融中心(广州东塔)[9]、天津周大福金融中心[10]和北京中国尊大厦[11],除天津周大福金融中心采用了框筒-核心筒结构体系外,其余建筑结构体系均包含了巨型框架结构体系.
巨型柱作为巨型框架结构的关键竖向受力构件,承担了较多的竖向荷载,一般采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱,其截面面积较大(几平方米到数十平方米),截面形状易受建筑造型影响而不规则,为解决大体积混凝土问题并提高钢材对混凝土的约束效果,截面构造较为复杂.图 1给出了上述典型超高层建筑中应用的钢-混凝土组合巨型柱,图 1(a)为上海中心大厦采用的矩形截面型钢混凝土柱(17 m2),其型钢为异形截面;图 1(b)为深圳平安金融中心采用的接近于矩形的五边形截面型钢混凝土柱(19 m2),其型钢也为异形截面;图 1(c)为天津117大厦采用的六边形多腔体钢管混凝土柱(45 m2);图 1(d)为广州东塔采用的矩形截面多腔钢管混凝土柱(21 m2);图 1(e)为天津周大福金融中心上部楼层采用的异形截面型钢混凝土角柱(7 m2);图 1(f)为北京中国尊大厦采用的八边形多腔钢管混凝土柱(62 m2).
本文将对钢-混凝土巨型组合柱框架结构进行简要介绍,综述钢-混凝土组合巨型柱抗震研究进展与应用.
1 巨型组合柱框架结构巨型框架结构是巨型结构的一种[12],其概念产生于20世纪60年代末,它由作为主结构的巨型框架和作为次结构的楼层框架组成,主结构为主要抗侧力体系,次结构起辅助作用,并将承担的楼面荷载传递到主结构.与传统结构相比,巨型框架结构打破了以楼层为单元的建筑格局,具有更大的结构布置灵活性和更好的结构性能.在建筑造型方面,空间布置灵活,可提供较好的建筑使用空间和采光条件;在结构方面,主次结构受力明确,充分发挥了不同材料的性能,结构整体抗侧刚度较大,可满足超高层建筑抗震、抗风性能的要求;在施工方面,可快速施工,经济效益好[13].
中国地震多发,大多数地区位于地震区,截止2019年5月,中国在建或已建成的300 m以上超高层建筑[1],22.2%分布在6度区(0.05 g),58.6%分布在7度区(0.10 g),5.8%分布在7度半区(0.15 g),13.4%分布在8度及以上区.可见,抗震设计已成为超高层建筑结构设计的重要方面.
丁洁民等[2]对中国高度超过250 m的超高层建筑所采用的结构体系进行了统计(截至2018年底),见图 2,认为巨型框架结构体系可较好的适应建筑高度屡创新高的需求,适用于高度300 m以上的超高层建筑.
超高层建筑体量庞大,巨型框架结构构件尺度巨大,通常采用钢-混凝土组合构件,已远超出传统工程经验的范畴,其抗震性能的优劣是工程师们关注的关键技术问题.特别是近年来大地震频发,使得大型复杂超高层等重大工程的抗震安全问题成为研究热点.国内外学者对钢-混凝土巨型组合柱框架结构进行了一定的研究,主要如下.
1.1 弹塑性有限元分析方面邹昀等[14](2006)采用ANSYS软件建立了上海环球金融中心巨型框架结构分析模型,进行了弹塑性时程分析,并与试验进行了对比.Fan等[15](2009)采用ANSYS软件建立了台北101大厦巨型框架结构分析模型,分析了结构的抗震性能,表明,其巨型框架结构具有良好的抗震性能.Lu等[16-17](2011-2013)采用MSC.Marc软件建立了上海中心大厦结构分析模型,研究了巨型框架结构在特大地震作用下的倒塌模式.蒋欢军等[5](2011)采用ABAQUS软件建立了上海中心大厦分析模型,分析了不同烈度地震作用下的结构响应.Poon等[18](2011)采用Perform3D软件对上海中心大厦巨型框架结构进行了弹塑性时程分析,并评估了其抗震性能目标.丁洁民等[19](2011)采用ANSYS软件分析了上海中心大厦巨型柱与伸臂桁架、环带桁架连接节点的受力性能,并提出了简化计算公式.陆新征等[20](2013)建立了上海中心大厦二维非线性简化分析模型,并与三维有限元模型分析结果进行了对比.赵宪忠等[21](2013)采用试验与有限元分析的方法,研究了上海中心大厦巨型柱与伸臂桁架、环带桁架节点的力学性能,并建立了简化计算模型.马爽[22](2012)基于天津市某超高层建筑,采用Midas软件建立了有限元分析模型,分析了核心筒与巨型柱面积比、巨型柱布置方式、环带桁架布置对其受力性能的影响.张万开[23](2013)基于某超高层建筑巨型支撑框架结构,研究了支撑沿结构全高布置和半高布置对结构抗震性能的影响及其倒塌模式.
由于超高层巨型框架结构复杂,在有限元建模及分析中均进行了一定的简化,重点对结构关键部分(结构底部、薄弱层、巨型柱构件等)进行精细化有限元建模.针对核心筒剪力墙的受力特点,有限元软件中大多采用分层壳单元进行模拟,模拟结果与振动台试验结果符合较好.巨型支撑多为钢构件,其弹塑性分析一般采用杆单元纤维模型,例如ABAQUS软件中的B31梁单元、MSC.Marc中的78号梁单元等.巨型柱由于截面尺寸巨大、构造密集,各组成部件间相互作用复杂,根据所研究的问题和目的不同,可采用不同的建模方式.空间实体单元数量巨大,收敛性较差且计算成本较高,一般不被采用;上海中心大厦巨型柱中,陆天天等[24](2011)采用壳单元与梁单元组合的方式模拟,Lu等[16](2011)采用分层壳单元模拟,陆新征等[20](2013)提出了基于分层壳单元的巨型柱简化模型;上海环球金融中心大厦巨型柱中,邹昀等[14](2006)分段采用不同单元进行模拟,41层以下巨型柱采用实体单元,41~43层巨型柱采用厚板壳单元过渡,43层以上采用梁柱单元.
综上表明,现有的通用有限元软件提供了丰富的超高层巨型框架结构及构件建模方法,为了获得良好的计算精度,其关键是材料本构关系的确定和合理的建模简化,例如如何考虑复杂截面钢管混凝土的约束效应等.
1.2 模拟地震振动台试验方面超高层建筑超高超限,超限审查是结构方案设计中的重要内容,为寻找结构薄弱环节、验证计算模型准确性,大多需进行模拟地震振动台试验研究.
吕西林等[25](2004)进行了上海环球金融中心大厦巨型框架结构1/50缩尺模型的模拟地震振动台试验,表明,该结构体系设计合理,满足中国抗震设防要求.田春雨等[26](2011)进行了上海中心大厦巨型框架结构模拟地震振动台试验,结果表明,其基本达到了设计要求的抗震性能目标.张宏等[27](2015)基于天津117大厦,进行了缩尺模型的模拟地震振动台试验研究,得到了巨型框架结构从7.5度小震到8度大震作用下的动力响应.
上述模拟地震振动台试验模型,除满足基本相似理论外,还进行了相应的简化.巨型柱中相对较小的栓钉、加劲肋、温度钢筋等部件一般按照等强度原则转化为型钢或直接忽略.研究表明,工程应用的巨型柱经合理设计后,在试验中表现出良好的抗震性能,在规范规定的弹塑性位移角内未出现主要竖向受力构件的破坏.尽管模拟地震振动台试验是评估巨型框架结构抗震性能和验证理论计算方法的重要途径,但其经济成本较高.随着非线性分析手段的进步及模拟地震振动台试验结果的积累,巨型框架结构弹塑性分析方法将会进一步完善.
2 钢-混凝土组合巨型框架柱巨型框架结构中钢-混凝土组合巨型柱一般布置在建筑平面的角部,通过伸臂桁架与核心筒连接,在弯矩作用下,巨型柱一侧受压、一侧受拉,提高了结构刚度,使得结构侧移减小并使伸臂以下核心筒弯矩减小.为进一步提高结构刚度,使所有巨型柱均参与抗倾覆力矩,在设置伸臂的楼层设置环带桁架,形成加强层.在巨型柱之间还设置有巨型支撑,使巨型框架部分承担的水平剪力和倾覆力矩进一步提高.例如,上海中心大厦在小震作用和风荷载作用下,巨型框架部分在X向和Y向承担的水平剪力在50%~60%,倾覆力矩在76%左右[28],北京中国尊大厦该两数值分别为40%~50%、67%[29],这是巨型框架结构区别于框架-核心筒结构的重要特点.因此,巨型柱作为关键竖向构件,承担了较多的竖向荷载、倾覆力矩以及底部楼层剪力,巨型柱受力性能的优劣对整个巨型框架结构的抗震性能至关重要.
巨型框架中巨型柱构件尺度较大,其截面面积可达几平方米到几十平方米,可采用钢筋混凝土巨型柱、型钢混凝土巨型柱、钢管混凝土巨型柱、钢巨型柱等多种类型,其中型钢混凝土(SRC)巨型柱和钢管混凝土(CFT)巨型柱应用最多,因为其可充分发挥钢材和混凝土的力学性能,承载力高、刚度大、延性好,且施工方便.
巨型柱由于截面面积巨大,有时为满足建筑外形的需要,将其设计为异形截面,同时为了更好的约束混凝土,SRC柱中型钢较均匀的分散在柱截面中,呈现出较复杂的截面构造布置形式,CFT柱较多的设计为多腔体的形式.基于以上认识,曹万林等[30-33]提出了截面形状由三角形、四边形、圆形组合,截面构造由型钢柱、钢管混凝土柱、钢筋混凝土柱组合,截面材料由型钢、混凝土组合的多重组合异形柱.
2.1 SRC巨型柱 2.1.1 截面形式SRC巨型柱型钢布置形式可分为:分离式、格构式、实腹式、实腹分腔式[34].分离式SRC柱仅在混凝土中包裹几个单独的型钢,用以提高巨型柱在相应方向的承载力,施工方法简单,但含钢率较低,延性一般.格构式SRC柱通常在截面角部布置型钢,型钢之间通过缀板或缀条连接,形成格构式钢骨架,见图 3;实腹式SRC柱通常在其截面布置一个完整的型钢,可以是热轧的也可以是钢板焊接的,合肥恒大中心(图 4(a))、大连绿地中心(图 4(b))、武汉绿地中心(图 4(c))等超高层建筑均采用了这种SRC柱;实腹分腔式SRC柱型钢一般由钢板焊接而成,具有钢板围成的独立腔体,也是超高层建筑采用较多的形式,例如上海中心大厦(图 1(a))、深圳平安金融中心(图 1(b))、合肥宝能中心(图 5(a))、大连绿地中心(图 5(b))等.
国内外学者对常规截面的型钢混凝土柱已有较多研究,相关成果被写入JGJ 138—2016《组合结构设计规范》[35]、ACI-318[36]、AISC-LRFD[37]、EC4[38]、AIJ[39]规程等.关于较大尺度的SRC巨型柱研究相对尚少.
曹万林等[40-42](2004-2007)对乒乓球拍形型钢混凝土异形截面柱进行了试验研究和理论分析,该柱应用于北京财富中心一期写字楼,试件截面及照片见图 6,研究表明,该类异形截面柱经合理抗震设计后,仍可具有良好的抗震性能,其中截面形式、钢骨和钢筋的配置是主要影响因素.
崔大光等[43](2007)利用ETABS截面设计器对某超高层建筑型钢混凝土巨型柱截面进行了双向偏心受压校核分析,给出了等效平面相关曲线法的校核结果,对比了考虑型钢作用及不考虑型钢作用两种情况对巨型柱受力性能的影响.杜义欣等[44](2011)对某工程复杂截面型钢混凝土巨型柱进行了缩尺模型压弯性能试验研究,柱截面见图 7,研究表明,巨型柱在压弯状态下基本满足平截面假定,型钢间可靠的连接能提高构件的延性.陆新征等[45](2011)为研究SRC巨型柱弹塑性受力特点,采用MSC.Marc软件建立了巨型柱精细化有限元模型,提出了简化巨型柱建模途径.彭肇才等[46](2011)对深圳平安金融中心某巨型柱关键节点进行了小震和中震下的弹塑性分析,指导了工程设计.包联进等[47](2014)对空腹式(也称为分离式)SRC巨型柱在实际工程中的应用问题进行了总结,改进了某超高层建筑型钢布置形式,满足结构承载力条件下提高了施工性和经济性.吴兵等[48](2017)以沈阳宝能金融中心T1塔楼项目为背景,对比分析了超大截面矩形钢管混凝土柱和型钢混凝土柱的力学性能.肖从真等[49-50](2017)对分散型钢混凝土柱(见图 8)进行了压弯性能试验和低周反复荷载试验研究,分析了其抗震性能和受力机理,提出了承载力和刚度设计方法.
巨型框架结构中巨型柱拥有特殊重要的地位,一旦在大震下出现局部破坏将造成无法挽回的损失.要确保大震下不出现破坏,目前工程界尚无完全精确的计算手段,一般通过计算分析附之概念设计和构造措施来加以保证,其中,提高延性是最关键的措施之一.
巨型SRC柱由于截面尺寸巨大,其设计方法与常规SRC柱有一定区别,其设计主要包括截面形状、截面面积、含钢率、材料强度、型钢型式等方面.
巨型SRC柱截面形状一般由建筑方案决定,由于巨型柱角部布置方案,受建筑外立面影响易出现截面切角,设计中应注意避免出现截面尖锐的外凸或内凹,研究表明,截面各方向尺寸越近,其承载力、延性较好.
巨型柱的截面面积、含钢率、材料强度共同定量决定了截面的承载力和刚度,设计人员倾向于减小结构截面面积以获得较大的建筑使用面积,同时采用较高的含钢率和材料强度;当含钢率较低时,钢骨对混凝土脆性改善有限,此时SRC柱的性质接近于普通钢筋混凝土柱,当含钢率较高时,可充分发挥SRC柱承载力高、延性好的特点,但过高的含钢率可能会使型钢布置困难、混凝土不易浇筑,并影响经济性指标;《组合结构设计规范》[35]建议的含钢率范围为4%~15%,AISC-LRFD规范[37]建议的范围为4%~20%,AIJ规范[39]建议的最大值为13.3%,EC4规范[38]对混凝土C20~C60、钢材Q345时建议的最大值为13.3%~35.3%.钢材可依据需要选用Q345、Q390、Q420,工程中也有Q460的工程实践,混凝土强度一般不超过C70以防止脆性破坏,材料强度选择中并非一定要选择较高强度,因为巨型柱截面不仅受承载力控制,还受刚度控制.例如设计中上海中心大厦巨型柱截面由刚度需求决定,综合经济性指标选择4%~5%的含钢率,Q345、Q390钢材,C70混凝土.
型钢布置型式对巨型SRC柱受力性能有较大影响.分离式布置由于各型钢之间无直接联系,通过钢筋和混凝土间接联系,传力路径复杂,混凝土易在型钢处发生劈裂破坏;格构式布置各型钢之间通过缀板联系,传力不直接,在缀板处应力集中,且施工定位难度大、焊接工程量大;实腹式布置和实腹分腔式布置形成了钢板围成的半封闭或全封闭区域,可较好的约束核心混凝土,提高了巨型柱的承载力和延性,且钢骨可工厂预制现场分段拼接,减小了吊装和焊接工作量,是超高层巨型框架柱常用的型钢布置型式.
2.2 CFT巨型柱 2.2.1 截面形式钢管混凝土充分利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互组合作用,充分发挥两种材料的优点,即不仅使混凝土的塑性和韧性性能大幅提高,而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲,从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性韧性好、经济效果好、施工方便等优点.
钢管混凝土巨型柱按照截面形状可分为常规截面CFT巨型柱和异形截面CFT巨型柱.常规截面CFT巨型柱其截面面积较大,内部一般布置有竖向加劲肋、环向加劲肋、栓钉、钢筋笼等构造,海口塔、武汉中心采用了该类CFT巨型柱,见图 9.尽管常规截面CFT巨型柱与普通尺度的圆形或方形截面巨型柱形状相似,但由于其截面尺寸巨大、构造复杂,其受力性能也有一定的差异.
巨型框架结构中,有时因建筑设计需要,CFT巨型柱被设计为不规则异形截面,天津117大厦、北京中国尊大厦采用了该类CFT巨型柱,见图 1(c)、(f).
2.2.2 研究现状受限于加载设备等原因,较大尺度的CFT巨型柱试验及理论研究相对较少.李红明等[51](2011)建立了巨型钢管混凝土框架结构柱等效简化模型.范重等[52](2014)介绍了巨型方钢管混凝土柱正截面与斜截面承载力的计算方法以及巨型方钢管混凝土柱试验,给出了施工阶段验算实例.杨蔚彪等[53](2015)基于北京中国尊大厦,通过有限元分析及1/12缩尺模型试验对异形截面多腔钢管混凝土分叉节点从构造和受力性能等方面进行了专门研究.张元植等[54-56](2016-2018)完成了设分配梁传力构造的巨型钢管混凝土柱轴压系列试验,对比分析了破坏形态、极限承载力、分配梁应变分布规律,并进行了数值模拟.徐礼华等[57-58](2017-2019)进行了多边多腔钢管自密实高强混凝土短柱试件的轴心受压和偏心受压性能试验研究,考虑了混凝土强度、钢管壁厚、钢筋笼、偏心率等参数对其受力性能的影响.韩林海等[59-61](2016-2018)基于某超高层建筑进行了六边形截面钢管混凝土柱轴心受压、纯弯、压弯性能试验,并进行了有限元分析.姚攀峰[62]通过理论推导得到了多腔钢管钢筋混凝土短柱轴压承载力实用计算方法.
曹万林及团队进行了相对较多的异形截面CFT巨型柱受力性能研究.结合北京财富二期办公楼超高层建筑,进行了乒乓球拍形CFT巨型柱抗震性能试验研究[63](2012),其截面形状由圆形和矩形组合而成,研究了不同水平力作用方向、不同截面构造下的抗震性能,提出了设计方法,见图 10.
结合天津117大厦超高层建筑,进行了六边形六腔体钢管混凝土巨型柱受压性能和抗震性能试验研究[64-69](2012-2016),结合大连国贸中心大厦超高层建筑,进行了五边形四腔体钢管混凝土巨型柱受压性能和抗震性能试验研究[70-76](2014-2019),研究成果为工程中巨型柱设计提供了依据,部分试验见图 11.
结合北京中国尊大厦超高层建筑,进行了异形截面多腔钢管混凝土巨型分叉柱受压性能和抗震性能试验研究[77-87](2016-2018),部分试验见图 12.
研究表明:合理设计的常规截面和异形截面钢管混凝土巨型柱抗震性能良好,竖向加劲肋、水平加劲肋、分腔构造、内置型钢或钢管、角部腔体贴焊角钢等构造措施均可改善其受力性能.
但同时也需注意到,由于缩尺比例较大,巨型柱原型与试验模型之间可能存在一定的尺寸效应,该方面的研究尚少.另一方面,由于巨型柱一般来源于工程,具有特异性的特点,即每一个工程中巨型柱都有一定差异,因此,研究巨型柱截面形状由简到繁、截面构造由少到多、截面形式由规则到不规则时,巨型柱力学性能的变化规律,具有更好的普遍性意义,同时也可为弹塑性理论分析提供数据支撑.
2.2.3 部分试验结果为更好地了解异形截面钢管混凝土柱的抗震性能,图 13给出了部分典型试件的荷载F-位移角θ滞回曲线,其中图 13(a)[63]为乒乓球拍形CFT柱,编号YXZG-1,1/7缩尺,含钢率12.35%,加载点至基础顶面距离745 mm,名义剪跨比2.5(按照截面最大宽度计算),轴压比0.4,主要钢板屈服强度289 MPa,混凝土标准立方体抗压强度53.1 MPa;图 13(b)[66]为六边形CFT柱,编号CZ-1,1/25缩尺,含钢率6.2%,加载点至基础顶面距离1 125 mm,名义剪跨比2.5,轴压比0.4,主要钢板屈服强度310 MPa,混凝土标准立方体抗压强度43.2 MPa;图 13(c)[75]为五边形CFT柱,编号PCFT-NX,1/7.5缩尺,含钢率11.56%,加载点至基础顶面距离1 250 mm,名义剪跨比2.73,轴压比0.25,主要钢板屈服强度451 MPa,混凝土标准立方体抗压强度53.2 MPa;图 13(d)[82]为八边形CFT柱,编号CFT-1,1/30缩尺,含钢率7.54%,加载点至基础顶面距离1 070 mm,名义剪跨比2.33,轴压比0.30,主要钢板屈服强度342 MPa,混凝土标准立方体抗压强度44.0 MPa;图 13(e)[85]为CFT分叉柱,编号CFTC1-X,1/30缩尺,含钢率9.97%,加载点至基础顶面距离1 070 mm,名义剪跨比2.33,轴压比0.54,主要钢板屈服强度342 MPa,混凝土标准立方体抗压强度45.4 MPa.
由图 13可见,各试件的滞回曲线较为饱满,峰值荷载对应位移角均超过了2%,破坏位移角最大可达6%,表现出了良好的弹塑性变形能力及延性,抗震性能较好.各试件的破坏均发生在柱根部截面,表现为受压区混凝土压碎、受拉区钢板撕裂.
2.2.4 设计及研究建议对于受压为主巨型CFT框架柱,其截面形状宜均衡,即截面各方向的回转半径应接近,截面边数不宜超过6;以受弯为主的异形截面多腔钢管混凝土柱,其截面最大回转半径与最小回转半径之比宜小于2.
由钢板围成的腔体不宜过大,腔体形状宜为较规则的四边形,腔体边长不宜大于1.5 m,超过时应采用加劲肋减小钢板自由长度、配置钢筋笼减小混凝土收缩及温度应力的影响.
便于施工的部分竖向钢板不连续构造对巨型柱抗震性能有较大影响,工程中应尽量避免;角部贴焊角钢和角部腔体内置圆钢管构造对提高抗震性能作用明显,工程设计可采用.
尽管国内外学者进行了一定数量的巨型框架柱试验研究,但样本数量仍然较少.具有普适性的复杂截面钢-混凝土组合巨型框架柱承载力计算方法及合理构造问题仍需结合更多的试验及数值分析进行深入研究.
3 结论与展望巨型框架结构体系是一种受力性能优越的高效抗震体系,合理设计的SRC巨型柱和CFT巨型柱均具有良好的抗震性能,但随着建筑高度的不断增加,对其受力性能也提出了更高要求.作者认为尚有以下问题有待深入研究与完善:1)巨型框架结构抗震性能优化设计及材料本构层次的弹塑性有限元分析方法研究仍具有必要性;2)SRC巨型柱及CFT巨型柱中,各组成部件之间的相互作用机理定量评价方法仍不完善;3)复杂截面SRC巨型柱及CFT巨型柱承载力计算方法、构造措施设计仍需结合更多的试验及理论深化研究.
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