高層鋼-混凝土混合結構及其抗震研究的發(fā)展現狀

高層鋼-混凝土混合結構及其抗震研究的發(fā)展現狀

高層鋼結構結構鋼筋混凝土混合結構具有鋼結構施工速度快、混凝土結構剛性好、成本低等優(yōu)點。被認為是一種適合中國國情的更好的建筑結構形式。它被廣泛用于中國的高層建筑，尤其是超過高層的建筑結構。目前，該混合結構已在中國40多個高層鋼結構建筑中得到應用。然而,國外在地震區(qū)卻很少采用這種結構,主要是因為對這種結構的抗震問題沒有進行過系統(tǒng)的研究,歷史上有過地震破壞的紀錄,故認為不宜用于地震區(qū),并對其設計要求極為嚴格。在我國,對這種結構的抗震研究也僅在近幾年才開始,而且研究所采用的分析方法和技術手段都較簡單,雖然取得了一些成績,但沒能很好地解決存在的主要抗震性能問題。為了確保這類結構的抗震安全性、減輕地震災害,對這種結構的抗震性能和設計方法開展系統(tǒng)和深入的研究已是工程的迫切需要。本文系統(tǒng)地總結、論述了鋼-混凝土混合結構及其抗震研究的發(fā)展現狀,指出了抗震研究中存在的主要問題和今后需要進一步研究的方向。1鋼-混凝土混合結構鋼-混凝土混合結構最早于1972年用于芝加哥的GatewayⅢBuilding(36層137m)。由于這種結構體系充分利用了鋼結構和混凝土結構的優(yōu)點,后被許多國家用于高層和超高層建筑中。如法國巴黎的麥納-蒙帕納斯大樓、AncondaTower;捷克的Guezla大樓;新加坡的海外聯合銀行中心(OverseasUnionBankCenter)。我國80年代才將鋼-混凝土混合結構用于高層建筑,1986年建成的高82.75m的北京香格里拉飯店就采用了這種結構形式。到目前已建成或在建的高層建筑(約有40余幢)中,有一半以上采用的是鋼-混凝土混合結構,如上海金茂大廈(88層420.5m)、新金橋大廈(38層157m)、證券大廈(27層121m);深圳地王大廈(81層325m)、深圳發(fā)展中心(48層165m);北京國貿二期(39層156m);大連云山大廈(52層208m)、大連遠洋大廈(51層201m);天津云頂花園(43層165m)等。其中,1996年建成的深圳地王大廈,主樓高325m,地上81層,地下3層,中間為型鋼混凝土核心筒、外為鋼框架,是我國第一幢高度超過300m的高層鋼結構建筑。1997年10月封頂的上海金茂大廈總高420.5m,88層,鋼骨混凝土核心筒、外框鋼骨混凝土柱及鋼柱,是目前國內建成的最高建筑。值得一提的是,1998年建成的大連遠洋大廈(高201m,51層,鋼框架-混凝土核心筒結構)的設計、制造、安裝以及鋼材供應全部是由我國自行完成的,這標志著我國高層建筑鋼-混凝土混合結構完全國產化已經起步。最近建設部和國家冶金工業(yè)局在頒布的《建筑用鋼技術政策》中,將鋼-混凝土混合結構列為要大力推廣的建筑新技術。可以預見,這種混合結構在我國高層辦公樓、學校、醫(yī)院、住宅及綜合樓等建筑中將被廣泛應用,到本世紀末將在我國建成的200m以上高度的建筑中,大多數將采用這種混合結構。而在美國,根據1994年阿拉斯加地震中這種結構體系高層建筑倒塌的嚴重現實,曾斷言這種體系只能用于150m以下的非抗震區(qū)建筑。日本1992年建造了兩幢鋼-混凝土混合結構的高層建筑,由于日本工程界對其抗震性能有不同看法,而后的7年里并未建造任何新的這種結構。近年來有所變化,但對這種體系,規(guī)范要求極為嚴格,將其列為特種結構,并要經日本建筑中心評定和建設領導部門批準后方可在工程中應用。2混凝土混合結構的系統(tǒng)和特點2.1鋼-混凝土混合結構高層建筑鋼-混凝土混合結構是由部分鋼結構和部分鋼筋混凝土結構組合而成的,其結構的組合主要是指抗側力結構的組合。典型的組合是外框架采用鋼結構,內筒采用鋼筋混凝土結構,形成鋼框架-混凝土內筒體系。有一些超高層建筑中的鋼框架是由鋼管混凝土柱及鋼梁組成,而且還設置伸臂桁架,形成帶伸臂桁架的鋼框架-混凝土內筒體系。也有一些超高層建筑中的鋼框架,對部分主要柱子采用鋼骨混凝土巨型柱,并與其余鋼柱及鋼梁組合成外框架,形成巨柱框架-混凝土內筒體系。還有一種是由鋼框外筒和混凝土內筒組成的筒中筒體系,這種體系在實際工程中應用較少。鋼-混凝土混合結構中的樓面結構,也常采用鋼梁上鋪設壓型鋼板,再在該鋼板上澆筑混凝土板。但是由于內筒為鋼筋混凝土結構,因此內筒里側的樓面結構可考慮兩種方案,一種方案是仍然同內筒的外側樓面結構,采用如上所述的鋼梁上鋪設組合樓板;另一方案是采用普通鋼筋混凝土梁板結構。2.2混凝土結構面由于鋼-混凝土混合結構是綜合利用鋼結構和混凝土結構的優(yōu)點而形成的一種新型建筑結構體系,因此,從自重輕、施工速度快方面,它優(yōu)于混凝土結構;從造價方面,它優(yōu)于鋼結構。統(tǒng)計分析表明,高層建筑采用鋼-混凝土混合結構的用鋼量約為全鋼結構的70%,而施工速度與全鋼結構相當,在綜合考慮施工周期、結構占用使用面積等因素后,混合結構的綜合經濟指標優(yōu)于全鋼結構和混凝土結構的綜合經濟指標,是一種符合我國國情的較好的高層建筑結構形式。其主要優(yōu)點及發(fā)展中存在的主要問題歸納如下:2.2.1主要優(yōu)勢(1)側墻大于鋼結構鋼-混凝土混合結構由于采用鋼筋混凝土剪力墻或核心筒作為主要抗側力結構,其側向剛度大于一般的鋼結構,相應的水平位移也小。(2)鋼-混凝土混合結構根據我國的國情,鋼筋混凝土結構的直接造價低于鋼結構。鋼-混凝土混合結構鋼材用量小于鋼結構,又可以節(jié)省部分防火涂料費用,因此,鋼-混凝土混合結構的造價基本上介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間。(3)鋼-混凝土混合結構鋼-混凝土混合結構的施工特點,是常將混凝土核心筒安排先行施工,隨后將筒體施工進度也安排快于周邊鋼結構的安裝,同時在鋼-混凝土混合結構中的梁、柱采用鋼結構,樓板結構采用壓型鋼板上澆筑混凝土。因此,鋼-混凝土混合結構的施工速度可快于鋼筋混凝土結構,施工周期也相應縮短。(4)鋼-混凝土混合結構中鋼柱的應用由于采用鋼柱,相應的柱截面小于鋼筋混凝土柱,又由于鋼-混凝土混合結構中鋼柱承擔較少的水平剪力,其截面甚至可小于鋼結構中的柱子,故與鋼筋混凝土結構相比較,可減小柱子所占用的建筑面積,便于使用。(5)鋼管混凝土柱近幾年來,國內部分鋼-混凝土混合結構工程中已采用鋼管混凝土柱,如深圳的地王大廈和塞格廣場大廈,分別采用巨型截面及圓形截面的鋼管混凝土柱。由于采用了這種柱,既提高了柱的承載力,又提高了柱的抗側剛度和相應的結構側向剛度,也有利于提高柱的防火能力。2.2.2主要問題(1)設計與復合材料的配合目前,在我國超高層鋼-混凝土混合結構的設計、材料及工程承包中,國外的占主要地位,由于國外對中國規(guī)范的理解和使用有不同程度的難度,設計水平又參差不齊,因此,實際上很難全部按照中國的有關規(guī)范進行設計。對于地震區(qū)不符合我國的抗震設計原則,承載力以及變形不符合規(guī)范要求等大小問題時有發(fā)現,在設計之后一系列配合工作的矛盾更為突出。至今尚缺少嚴格有力的核查措施,應盡早由各級政府有關部門負責制定審查辦法并組織實施。今后還應努力促進這種結構的設計、承建、施工等方面的全面“國產化”進程。(2)結構形式的問題由于國外在地震區(qū)很少采用鋼-混凝土混合結構,相應就缺乏這方面的震害資料,國內也無這方面的經驗。在我國,這種結構形式的建筑越建越高、應用范圍越來越廣泛,為滿足建筑上的要求,結構形式也越來越復雜。而目前,國內外還沒有出臺有關高層建筑鋼-混凝土混合結構的抗震設計規(guī)程或規(guī)范,對其抗震性能研究也尚不夠充分與完善,存在的主要抗震性能問題沒能很好地解決,如超規(guī)范的高寬比、頂點位移及層間位移限制、核心筒的合理高度、塑性鉸的機制、結構的合理應用范圍、鋼和混凝土兩種結構形式間的變形協調問題等等。為了適應我國這種結構形式的建設速度,迫切需要對這種結構的抗震性能和設計方法開展系統(tǒng)和深入的研究。(3)水平和豎向的偏移鋼框架-混凝土內筒體系中,混凝土內筒的施工進度常先于鋼框架。由于支模等原因,現澆混凝土結構墻體在水平方向和豎向的偏移差常大于施工規(guī)范規(guī)定甚多。當鋼梁與混凝土墻采用預埋鋼板相連接時,這些鋼板預埋件在平面和豎向標高的位置,不僅受混凝土墻體偏移的影響,而且受預埋件移位的影響,其誤差值遠大于鋼梁加工尺寸的允許范圍,常需采取難以令人滿意的彌補措施。因此,宜在設計上采用適應性較好的連接方法。3震害資料及性能研究如前所述,國外在地震區(qū)很少采用鋼-混凝土混合結構,并對這種混合結構在地震區(qū)中的應用看法不一。因此,就缺乏這方面的震害資料和對其抗震性能研究。目前在我國,與這種形式高層建筑鋼結構的發(fā)展速度相比,對其結構的抗震研究還遠遠滯后,也僅在這幾年才開始,并在計算分析和試驗方面取得了一些初步成果。下面簡單加以介紹。3.1鋼-混凝土混合結構Franklin.Y.Cheng用桿系-層模型對鋼-混凝土混合結構進行彈塑性地震反應分析,分析時針對不同桿件的特點,對混凝土柱和梁、鋼柱和梁、混凝土剪力墻分別采用不同的單元模型;在按桿系形成層間剛度和總剛度矩陣后,以質量集中于樓層處的層間模型對混合結構進行地震反應分析。程紹革對一幢鋼-混凝土筒實際結構進行了罕遇大震下的彈塑性時程分析,對設計時的位移控制、高寬比、塑性鉸機制和加強層設置等提出了一些設想。在對鋼-混凝土混合結構進行彈塑性地震反應分析時,采用桿系模型,將混凝土核心筒按抗側剛度等效成寬柱框架,等效框架再與外圍鋼框架用不計軸向變形的二力桿相連,從而形成混合結構的計算模型。這種采用非常簡單的鋼筋混凝土柱滯變模型來模擬混凝土核心筒構件難以很好地反映鋼筋混凝土核心筒在較高軸壓比狀態(tài)下的受力和變形特性以及核心筒中性軸移動的影響。劉英等在研究鋼-混凝土核心筒混合結構的抗震性能時,采用了SAP84有限元分析程序進行水平地震作用下的結構反應分析,把周邊鋼框架的梁柱采用三維的空間桿系單元,混凝土核心筒采用墻單元;假定鋼結構部分始終處于彈性階段,而混凝土核心筒則考慮其彈塑性性能,即分析核心筒剛度退化后水平地震作用在二者間的分配。李國強、姜麗人等在對鋼-混凝土混合結構進行彈塑性地震反應分析時,將其分為外鋼框架和內混凝土核心筒兩部分:外部鋼框架又進一步簡化為半剛架,內混凝土核心筒則簡化為一根箱型截面的豎向懸臂桿,兩者之間通過剛性連桿相連;考慮到幾何非線性,再用一豎向受載桿與之并聯,給出了用于工程設計方案階段估算的簡化計算模型。后來李國強、丁翔等又將混合結構分解為鋼框架部分和剪力墻部分,鋼框架采用桿系模型,混凝土剪力墻采用墻元與條元耦合,最終再利用結構各樓層水平位移協調求解。姜麗人將空間混合結構等效成平面框剪結構進行彈性地震反應分析。周向明、李國強、丁翔又采用以層模型為基礎的結構彈塑性地震反應分析法,將混合結構外圍的空間框架視作由一榀榀平行于地震荷載作用方向的平面框架并聯組成,各榀框架通過樓板的連接共同抵抗水平地震荷載;混凝土核心筒則視作由開洞剪力墻組成的筒體,又簡化為平行于地震荷載方向的抗震墻;框架和核心筒在樓面標高處由兩端鉸接的水平剛性聯桿連接,協同抵抗水平荷載,這樣,空間鋼-混凝土混合結構就被簡化為平面結構來分析。3.2混凝土核心筒結構特性到目前為止關于鋼-混凝土混合結構的實驗研究還很少。在“九五”期間,建設部曾將鋼-混凝土混合結構研究作為重點攻關項目下達。中國建筑科學研究院結構所在90年代初對一幢23層鋼-混凝土混合結構1/20模型開展了一系列試驗研究,包括垂直荷載試驗,模型力學性能試驗,動力特性試驗,六點、二點、單點加載水平荷載試驗等。其中動力試驗采用了脈動法、錘擊法和初位移張拉釋放法(自由振動法),獲得了模型的柔度特性、頻率、阻尼等動力性能。李國強等對一典型的鋼-混凝土混合結構進行了1∶20的縮尺模型模擬地震振動臺試驗,試驗主要測試了模型的位移、加速度反應,底層混凝土核心筒的豎向動應變,鋼框架柱的豎向動應變,并觀察了混凝土核心筒裂縫發(fā)生、開展的過程,核心筒角柱和暗柱縱筋屈曲外鼓,鋼框架梁與混凝土核心筒連接區(qū)域混凝土開裂、破壞情況,以及鋼框架與混凝土核心筒共同工作性能等。實驗結果表明,小震階段模型頂點位移為結構高度的1/600～1/1000,大震階段頂點位移可達結構高度的1/45,說明模型有較好的延性;隨著地震強度的加大,結構的損傷加劇,阻尼增大,自振頻率不斷下降;結構破壞主要集中于混凝土核心筒,表現為底層核心筒混凝土受壓破壞、暗柱和角柱縱筋壓屈,而鋼框架處于彈性階段,沒有明顯的破壞現象,結構整體破壞屬于彎曲型。呂西林等對鋼筋混凝土核心筒進行了抗震性能試驗研究,共進行了兩組5個鋼筋混凝土筒體試件的低周反復加載試驗。主要研究不同軸壓比下,鋼筋混凝土核心筒體的承載力、破壞形態(tài)、層間剪力在連梁中的傳遞規(guī)律、軸壓比對核心筒延性性能的影響程度;還研究了更高軸壓比下,鋼筋混凝土核心筒體的承載力、破壞形態(tài)、延性性能以及高寬比、開洞大小、配筋率等因素對核心筒受力和抗震性能的影響。實驗表明,對應于不同軸壓比,試件的開裂荷載pcr及開裂位移Δcr比較接近,沒有表現出隨著軸壓比增加而增加的現象;在變形能力方面,位移延性系數μ隨著軸壓比的增大而下降;此外,試驗中,筒體表現出了很強的“剪力滯后”作用;軸壓比的增加對筒體連梁的開裂和破壞影響不大,但是對筒體本身的承載能力、破壞模式、延性、耗能能力等抗震性能影響很大。豎向荷載和水平荷載同時作用下,鋼筋混凝土核心筒的破壞模式有:(1)墻體底部受彎鋼筋屈服破壞;(2)連梁彎曲剪切破壞;(3)剪力引起的斜向受拉破壞;(4)剪力引起的斜向受壓破壞;(5)薄壁墻截面的壓屈失穩(wěn)或受壓主筋壓曲;(6)豎向剛度突變引起界面上剪切滑移破壞。還根據實驗數據和資料,建立了鋼筋混凝土核心筒在較高軸壓比狀態(tài)下的荷載-位移骨架曲線和滯變模型。此外,還有學者對結構的剛度及布置形式進行了研究,如阮永輝對設置加強層的鋼框架-核心筒混合超高層結構進行研究,計算和分析了不同節(jié)點連接形式、內力分布及突變程度、有害無害位移等在加強層設置后產生的影響。4地震區(qū)結構的特性近一、二十年來,我國大量興建了鋼-混凝土混合結構的高層建筑,一些還建在地震區(qū),但是國內外對這種結構的抗震性能研究還不夠,目前還沒有一套這類結構的抗震設計方法與安全保障指標和構造體系,對其在地震作用下的反應特征知之甚少。因此,應加強這種結構的抗震研究,特別是在以下幾個方面。(1)鋼框架抗推剛度下降鋼-混凝土混合結構中現在采用的主要結構體系是鋼框架-混凝土內筒體系,其中鋼筋混凝土內筒為主要抗側力結構,鋼框架主要承擔重力荷載,也承擔較小的水平剪力。在水平地震作用下,由于鋼框架的抗推剛度遠小于混凝土內筒,鋼框架承擔的水平剪力除頂部幾層為樓層剪力的15%～20%外,中部及下部約為相應樓層剪力的10%～15%。在往復地震動的持續(xù)作用下,結構進入彈塑性階段時,墻體產生裂縫后,內筒的抗推剛度大幅度降低,而鋼框架由于彈性極限變形角大于混凝土內筒甚多,雖然此時的水平地震作用要小于彈性階段,但鋼框架仍有可能要承擔比彈性階段大得多的水平地震剪力和傾覆力矩。因此,為符合結構裂而不倒的要求,需要調整鋼框架部分所承擔的水平剪力,以提高鋼框架的承載力,同時采取措施提高混凝土內筒的延性。(2)核心筒剪力墻與連思想的剪鋼筋設計對于鋼筋混凝土核心筒的抗震設計,目前工程中主要是延續(xù)剪力墻的延性設計方法,按照強剪弱彎的原則設計抗彎鋼筋和抗剪鋼筋,并采取措施使變形集中的塑性鉸區(qū)具有足夠的延性。由于核心筒是空間構件,剪力墻是片狀構件,它們之間的受力特性有較大的差別,把剪力墻的設計方法直接用于筒體設計可能存在較大的問題。再者,目前對鋼筋混凝土核心筒的非線性分析模型的研究還很少,因此,還應更深入地研究可模擬核心筒真實受力和變形特性的滯回模型和相應的非線性分析方法。(3)高寬比目前我國規(guī)范對地震區(qū)高層鋼結構建筑的高寬比建議限制是:純鋼結構為6,鋼-混凝土混合結構為5。然而我國已建的兩幢最高建筑(均為鋼-混凝土混合結構)均超過了該限制,其中上海金茂大廈的高寬比為9,深圳地王大廈的高寬比接近9。況且,由于混合結構外框柱截面小、柱距大,抗側剛度主要取決于核心筒剛度,所以核心筒的高寬比不能過大。程紹革曾建議最好不大于相應混凝土結構的高寬比,取8～10為宜,當外框柱距較密時該值可適當提高。但我國已建成的混合結構大部分內筒的高寬比遠遠超過該值,有的甚至達到24(深圳地王大廈)。高寬比過大,結構在地震及風荷載作用下的水平位移很難滿足我國規(guī)范的限制要求,如風荷載作用下,最大層間位移角地王大廈是1/272、金茂大廈是1/421。因此,還需要通過實驗和模型分析得到合理的高寬比限值。(4)超高層建筑內位移控制從這些年超高層鋼結構開始興建之后,結構的水平剛度就成為越來越突出的問題,在水平剛度上是從嚴還是放寬,引起了多方面的關注。《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ99-98)沒有列出對鋼-混凝土結構的設計規(guī)定,但對有混凝土剪力墻的鋼結構,規(guī)定應符合《鋼筋混凝土高層建筑設計與施工規(guī)程》(JGJ3-91