0 工程概况

天津津塔位于天津市兴安路北侧,海河岸边,其中办公楼共75层,高度为336.9m,建成后将成为天津最高的建筑(图1) ,也将成为世界上高度最高的钢板剪力墙结构。津塔项目由金融街控股股份有限公司投资开发,设计单位为美国SOM公司和华东建筑设计研究院有限公司^[1]。

天津津塔项目基地面积22257.9m² ,由一幢75层的塔楼和一幢30层的公寓楼组成,所有单体下部均设4层地下室,并共享同一基础层。

1 结构体系

天津津塔主楼房屋高度为336.9m (室外地面到主要屋面) ,属超高层建筑,且采用“钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系”的结构体系标准层,设备结构平面图及钢板剪力墙局部立面图见图2～图5,其中钢板剪力墙( steel plate shear wall)作为抗侧力体系的重要组成部分,在中国高层建筑中应用较少,中国规范未规定此体系的高度限制值;最大高宽比为值为7.88, 超出规范要求6较多;楼板局部不连续;在第15、30、45、60层设置了伸臂桁架和腰桁架加强层,上下楼层间侧向刚度、楼层承载力存在突变。

塔楼的外框部分由钢管混凝土柱和宽翼缘钢梁组成,周边典型柱距约为6.5m,外框柱刚接。钢板剪力墙核心筒由钢管混凝土柱和内填结构钢板的宽翼缘钢梁组成,钢板剪力墙位于结构的核芯筒区域,在载客与服务电梯以及楼梯和设备室的周围。第15、30、45、60层设置伸臂桁架加强层,在钢板剪力墙核心筒与外框之间布置大型钢桁架,在外框内布置腰桁架。根据分析结果,不同位置的钢板剪力墙单元在不同高度变成钢框架+钢支撑体系。

图1 工程效果图

塔楼的基础体系由4m厚的常规钢筋混凝土筏式基础组成,并由钻孔灌注桩支撑。钻孔桩直径为1000mm,桩长60m,桩尖持力层为11 层,基础混凝土为C40。基础体系上将覆盖400mm厚的砾石层和150mm厚的钢筋混凝土顶板。

塔楼的重力系统由传统的宽翼缘钢框架和组合楼板组成。典型的组合楼板为65mm闭口型压型钢板,加55mm混凝土面层,总板厚为120mm。大部分宽翼缘组合钢梁为450mm高,从核心筒钢板剪力墙一直到周边延性抗弯框架。典型梁跨中板跨3.25m。钢板剪力墙和周边延性抗弯框架处的钢管混凝土柱也用于抗重力荷载。

上部结构的侧力和重力系统一般向下沿伸到基础结构。钢管混凝土柱最大直径为1700mm。框架结构将由传统的结构宽翼缘钢框架及组合楼板组成。宽翼缘钢组合梁一般450mm高,从钢板剪力墙核心筒一直到周边延性抗弯框架,梁一般置于中央3.25m处。

2 结构计算分析

2.1 结构设计依据及基本设计参数

结构设计中不仅要满足国内规范、规程和标准,同时参考了加拿大《钢结构极限状态设计》(CANCSA S16201) , 美国《新建建筑与其他结构的推荐做法》2003 NEHRP ( FEMA 450 ) , 美国《钢结构建筑的抗震做法》(A ISC2341 2005)进行钢板剪力墙设计。

津塔结构安全等级为二级,抗震设防烈度7 度,设计基本地震加速度0.15g, 设计地震分组第一组,多遇地震下阻尼比0.035,建筑场地类别III类,罕遇地震下阻尼比0.050,场地特征周期Tg = 0.5 s。

津塔主体结构的风荷载确定,按照“强度控制按100年规范风速风洞试验荷载;位移控制按50 年规范风速风洞试验荷载”原则进行。

2.2 结构分析主要结果

计算分析采用了多种软件和自编程序,整体结构的弹性分析主要依靠ETABS为主,MIDAS为辅完成,包括恒活载的施工模拟分析,反应谱分析和风荷载分析等;采用ABAQUS和SAP2000进行弹塑性时程分析,用以验证结构在中震和大震下的性能。

主要弹性分析结果见表1～表3。两种软件的分析结果均表明, ETABS和MIDAS不仅分析结果基本吻合,而且所有均能够满足规范的要求,结构是安全可靠的。

2.3 钢板剪力墙设计

钢板剪力墙(简称“SPSW”)结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系^[2]。钢板剪力墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件(柱或竖向加劲肋) 、水平边缘构件(梁或水平加劲肋)构成。当钢板沿结构某跨自上而下连续布置时,即形成钢板剪力墙体系。钢板剪力墙作为新型抗侧力构件,具有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等。

到目前为止,采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的建筑已达数十幢,主要分布于北美和日本等高烈度地震区。我国《高层民用建筑钢结构技术规程》( JGJ 99—98)附录四明确了钢板剪力墙的计算准则和方法,其设计角度是从避免钢板发生屈曲破坏切入的,即以弹性屈曲强度作为钢板剪力墙的设计极限状态,没有利用钢板弹性局部屈曲后强度,通常称之为厚钢板剪力墙。而厚钢板剪力墙用钢量大成本较高,发展则受到一定限制。

津塔办公楼核心筒开间较大,钢板剪力墙的宽厚比也较大,采用厚钢板剪力墙理念进行设计,成本将大幅度上升。津塔办公楼采用的是目前国际上比较流行的薄钢板剪力墙设计理念,即允许钢板在水平力作用下发生局部屈曲并利用钢板屈曲后强度产生的张力场效应继续抵抗水平力作用,总结起来有以下5点特征:

(1)原则上钢板剪力墙不承担竖向荷载,但在实际情况下,不可避免地要承受竖向荷载作用(如楼面活荷载等)的影响,产生竖向压应力;

(2)在常遇地震作用及风荷载组合设计值作用下,钢板剪力墙设计满足规范( JGJ 99—98)附录四的要求,即只发生弹性变形而不会发生屈曲(图6a) ,同时钢板屈曲验算应该满足薄板的三向应力稳定验算公式;

(3)在中震和罕遇地震中,允许钢板发生局部屈曲,并且钢板屈曲后产生的张力场效应成为结构抵抗侧向力的主要机制(图6b) ;

(4)在中震和罕遇地震作用下, 水平向边界单元(梁)端部可以出现塑性铰,但不得出现破坏或丧失强度;

(5)在中震作用下,竖向边界单元(柱)端部不能出现塑性铰。在罕遇地震作用下,除16 层以下竖向边界单元不能屈服外,其它柱端部可以出现塑性铰,但不得出现破坏或丧失强度。

通过以上的设计理念及方法,津塔办公楼钢板剪力墙可以满足承载力极限状态和正常使用状态要求。

2.4 施工模拟分析

津塔作为具有伸臂桁架、钢板剪力墙的超高层复杂建筑结构体系其结构力学特征具有高度的施工相关性。不同的施工工况时钢管柱和钢板墙等构件的内力有非常大的差异,并且由于钢板墙施工进度不同,在施工过程中钢板会产生不同程度的压应力,这对钢板的屈曲分析影响也是十分重要的,因此津塔设计过程中必须进行施工模拟分析,如图7。在分析过程中主要考虑了以下几个方面的因素:

(1)钢板剪力墙的安装顺序:钢板剪力墙较早安装,有利于保证施工过程中不同阶段的结构整体刚度,有利于施工进度,但容易导致钢板剪力墙本身承担较大的竖向荷载,核芯筒内外柱竖向力差别较大;较晚安装则情况相反。

(2)伸臂桁架安装顺序:伸臂桁架较早安装,有利于提高施工过程中不同阶段的结构刚度及整体性,有利于施工进度,同时能够将更多的内部荷载通过伸臂桁架卸载到外筒柱,减小内筒柱在恒载下的压力值,但不利于内筒柱大震下抗拉设计。

施工模拟分析采用ETABS软件,对全部安装过程划分为21个阶段,对每个阶段具有不同的结构状态及荷载状态,施工过程中考虑P-Δ效应。施工模拟完成后的状态作为恒载对结构作用状态的反映,在后续设计中与活、风、地震组合(小震设计阶段) ,或作为中、大震弹塑性分析的起始状态。

设计过程中对上述各因素进行了对比分析,最终确定了“钢板剪力墙系统及伸臂桁架滞后15层安装”的施工方案,具体如下:

(1)钢板剪力墙滞后主体结构(柱、梁、楼板混凝土)15层安装; ( 2)钢板剪力墙上方内筒支撑,作用类似钢板剪力墙,同样滞后主体结构15层安装; (3)伸臂桁架:斜杆滞后主体结构(柱、梁、楼板混凝土) 15 层安装,水平杆顺序安装。

上述施工过程起到的作用为(1)钢板剪力墙滞后一定楼层安装,在施工进度、结构整体刚度及钢板剪力墙自身竖向应力之间取得平衡,即钢板剪力墙设计为在满足承担一定竖向恒荷载的前提下,满足“小震不屈曲”,同时对结构整体刚度及施工进度较为有利; ( 2)伸臂桁架滞后一定楼层安装,在内外筒柱压力之间获得平衡,使得大震下内筒柱脚拉力设计较为合理。

2.5 柱脚设计

由于津塔工程的重要性,专家对津塔钢管柱提出了“大震不屈服”的设计要求,通过弹塑性分析,柱脚在大震工况下出现较大拉力。设计中对于承受拉力的柱脚采用“埋入式拉压双底板柱脚”(图8) 。当柱脚受拉时,拉力通过柱脚埋入段柱传递至柱脚下底板,并满足下底板与筏板之间的抗冲切要求。当柱脚受压时,压力通过柱脚上底板传至筏板面,依靠筏板顶面的局部承压扩散至整个筏板,并满足筏板的抗冲切要求。

同时为了方便施工,对于柱脚反力不出现拉力的柱脚,采取钢管不插入基础底板,采用承台式柱脚。对于柱脚反力出现拉力的柱脚,采取埋入式柱脚。钢管混凝土柱脚按下列原则设计:

(1)柱脚按刚性柱脚设计;

(2)柱脚按基本组合+小震组合和大震(不乘调整系数)设计,两者取大值;

(3)先按钢管-混凝土柱中钢骨抗压承载力与柱底混凝土抗压(柱底板顶面有混凝土压应力,因此柱底板底面按混凝土抗压承载力而不按混凝土承压承载力计算)相等的原则确定柱脚底板尺寸;再按柱脚反力验算底板;

(4)柱脚剪力由柱底抗剪键承受。考虑结构在中至大震情况下很难保证水平摩擦力,因此,柱脚底板上的压力产生的水平摩擦力不予考虑。外框架柱及内筒外周的柱脚剪力较小的钢管混凝土柱,柱脚剪力全部由抗剪键承担;核心筒中部的柱脚按墙设计,剪力脚大,柱脚剪力由埋入钢骨承受;

(5)柱脚轴向压力由柱脚底板承受,按混凝土受压计算,柱脚锚栓不承受压力;部分柱在大震作用下,出现较大拉力及弯矩,对于无法按地脚螺栓抗拉的外露柱脚设计,将钢管柱埋入基础承台,轴向拉力由埋入钢管承担;

(6)柱脚弯矩由对承台式由柱脚底板承受,对埋入式由埋入钢管柱承压面承担;

(7)锚栓拉力由柱脚靴梁承担。

2.6 钢管混凝土柱设计

目前国内关于钢管混凝土柱的设计主要包括以下两种方法:

(1)套箍指标设计法,如规范《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28∶90) ;

(2)组合强度设计法,如《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13251—2003 ) ,《钢-混凝土组合结构设计规程》(DL /T 5085—1999) ;

对钢管(700×35)的验检计算分析如图9 所示,对于津塔外框柱计算结果表明, DL /T 5085—1999 得到的柱轴压承载力最大, CECS 28 ∶90 次之,接着为DBJ 13251—2003; DL /T 5085—1999 和DBJ 13251—2003 计算N -M 曲线相对比较接近, CECS 28 ∶90 差异较大; DL /T5085—1999和DBJ 13251—2003 提供了完整的轴压、轴拉、压弯、拉弯、受剪计算公式, CECS 28∶90 仅提供轴压承载力计算。

此外,对于津塔结构的内框柱,需要考虑到水平拉力场作用下对钢管混凝土柱“套箍作用”的影响,会削弱实际结构中钢管混凝土柱的承载力,津塔结构设计中为此进行了专门的试验研究,得到了在水平拉力作用下,钢管壁的应力应变分布规律,对钢管柱承载力计算提供了帮助。

另外,由于津塔结构外框柱均为斜柱,其平面外的计算长度系数取值是工程设计面临的一个重要问题。构件的计算长度系数与该构件所受周围构件的约束作用以及荷载分布模式有关,设计通过整体结构线性屈曲分析,得到了斜柱的屈曲临界荷载,由构件计算长度系数的物理意义得到斜柱的欧拉临界力Ncr ,反算出斜柱的计算长度系数。

在考虑这些因素影响的基础上,设计中对ETABS施工模拟分析后得到的钢管柱内力进行复核,使之满足上述几种规范对承载力方面的要求。

3 试验研究

为了更好的了解钢板剪力墙抗侧力结构体系的受力特性并验证津塔结构的安全性和合理性,需要进行必要的试验研究,试验研究在清华大学试验室和中国建筑科学研究院试验室完成^[3]。

3.1 钢板剪力墙局部模型试验研究

局部模型试验按照原结构中4 层2 跨SPSW 进行1∶5缩尺比例进行,共进行两个试件的试验。

试件一为螺栓连接,钢板墙厚度取5mm,钢材采用Q235B 等级,对于螺栓连接的试验模型,螺栓孔采用与扩初设计相同的长圆孔,见图12。

试验一完成后,根据试验和工程的实际情况,钢板剪力墙在整个施工和工作状况下会承受一定的竖向荷载,试验对试件二进行了适当的调整,钢板与边缘构件进行焊接连接,并为了提高钢板的临界屈曲应力,设计增加了槽型加劲肋,见图10。

试验研究的主要内容及需要达到的目标为:

(1) SPSW不承受除自重以外的其它重力荷载,以保证SPSW不会应竖向变形而屈曲。

(2) SPSW的三阶段设计原则,即小震下钢板墙保持弹性,钢板墙不发生平面外屈曲,满足结构正常使用和强度要求;中震下钢板墙发生平面屈曲,出现拉力场效应,满足“中震可修”的要求;大震下钢板墙拉力场效应明显,结构具有很好的延性,但钢板不发生受拉破坏,能够满足“大震不倒”的要求。

(3)在中震作用下,水平边缘构件可以出现塑性铰,但不得出现破坏或严重的强度损失;竖向边缘构件可以出现屈服现象,但不得出现塑性铰。在大震作用下,竖向边缘构件可以出现塑性铰,但不得出现破坏或严重的强度损失。

通过试验研究,我们得到了如下结论:

(1)钢板墙结构具有较高的承载力,试件二具有较好的滞回性能、良好的延性及耗能能力,见图11;

(2)试件一过程中,螺栓连接钢板墙在弹性阶段即发生较大且密集的噪声,噪声主要是由高强螺栓连接发生滑移而引起,该声响将可能影响结构的正常使用;

(3)试件二过程中,焊接连接钢板墙在弹性阶段几乎没有噪声,可以满足正常使用的要求;

(4)试件一在反复荷载下抗侧移刚度退化较快;试件二设置加劲肋有利于提高结构在弹性阶段的刚度及稳定性。

3.2 钢板墙的连接方式对比试验

目前, SPSW与周边边缘构件之间的连接通常是通过连接板实现的,两侧连接板同周边边缘构件通常采用焊缝连接的连接方式,而SPSW同两侧连接板之间可以采用高强螺栓连接或焊接连接两种方式,见图12 和图13。

连接应是满足“强连接,弱构件”的要求,在考虑到施工造成的初始缺陷等因素的影响下,可靠、合理、经济的连接方式对充分发挥钢板屈曲后效应有着极其重要的意义。通过试验研究,不仅能充分了解构件和节点的破坏形态,证明在水平荷载作用下,钢板进入屈曲、甚至受拉断裂破坏的情况下, SPSW与边缘构件仍能保持较好的连接,而且能了解在水平拉力场作用下对钢管混凝土柱“套箍作用”的影响,图14是试验前后对比照片。

3.3 复杂节点的试验研究

为了保证节点能够发挥钢板墙的拉力场效应,并且满足“强节点,弱构件”的要求,还进行了伸臂桁架的复杂节点试验研究(图15) 。节点设计中,钢梁、斜撑和伸臂桁架均采用H型钢截面,竖向构件采用圆钢管截面。试件的破坏形式表明节点满足“强节点,弱构件”的要求,节点区的结构设计安全合理;有限元分析结果与试验结果基本吻合。说明试验结果合理,也表明分析方法合理,可用于其它类似节点的计算分析。

4 结论

(1)在设计薄钢板剪力墙时应先根据钢板在小震和风荷载下钢板的三向应力状况,确定相应的钢板板厚,以保证在正常使用状态下钢板不屈曲,满足使用功能的要求;通过弹塑性分析,确保中震下钢板墙出现拉力场效应,并且钢板不会在大震下出现受拉破坏;只有通过这样两阶段的分析方法才能保证结构在各种工况下满足既定的性能目标;

(2)通过比较分析,不同的施工顺序下钢板剪力墙和内外柱的内力差异非常大,因此对于这类超高层复杂试件一试验前 试件一试验后结构设计,一定要进行施工模拟分析,这样才能保证结构的安全可靠;

(3)不同工况下柱脚会出现不同的拉压受力状况,针对这种情况设计的“埋入式拉压双底板柱脚”能够有效解决柱底拉压力问题;

(4)在考虑了如规范计算的差异、钢板拉力场对核心筒柱承载力的影响、计算长度确定对外框斜柱承载力的影响等因素后,得到的津塔钢管柱设计方法是比较全面可靠的。

致谢:本工程得到了天津抗震超限审查专家、天津大学设计院施工图审图专家、清华大学土木工程系和中国建筑科学研究院等有关同志大力帮助,并为工程设计提供了许多宝贵意见,在此表示衷心感谢!

参 考 文 献

[ 1 ] SOM &华东建筑设计研究院有限公司. 天津津塔超限高层抗震审查报告[ R ]. 上海: SOM &华东建筑设计研究院有限公司, 2007.

[ 2 ] RAFAEL SABELL I S E. Steel design guide 20 [M ]. 2007.

[ 3 ] 清华大学. 天津津塔项目钢板剪力墙及其节点试验报告[R ]. 北京:清华大学, 2007.