复杂高层建筑抗震结构体系与关键技术116P

复杂高高层建建筑抗抗震结结构体系与与关键键技术术报告告人人：：曹曹万万林林工作单单位：：北京京工业业大学学汇报内内容一、研究究背景景二、总总体思思路三、技术术内容容四、工工程应应用大型复复杂高高层建建筑越越来越越多。。在建建的深深圳平平安中中心、、上海海中心心、天天津117大厦等等已达达600m级。台湾101449m8度区北京财富60264m8度区一、研究究背景景中国尊108524m8度区天津高银117597m7.5度区上海中心121580m7度区深圳平安115主体588m7度区天津117大厦，，7度半以以上地地震区区世世界界最高高建筑筑。北京中中国尊尊高527m，8度以上上地震震区世世界界最高高建筑筑。高层建建筑抗抗震关关键问问题：：1.首要问问题：：高效抗抗震体体系2.与之匹匹配：：高性能能抗震震和消消能减减震构构件突破：：传统钢钢-混凝土土不同同特性性材料料组合为为主概概念研发：：不同抗抗震体体系、、不同同特性性材料料多重重优势组合的的高效效抗震震结构构体系系高效抗抗震体系高性能能抗震震减震震构件件抗震试验抗震理论抗震技术体系创新系统研究技术集成技术集成推广应用二、总总体思思路三、技术术内容容组合核核心筒节点柱梁巨型撑撑巨型柱柱巨型梁梁多重组组合核心筒筒巨型节节点关键技技术1：多重组合剪剪力墙及核核心筒筒体系系关键技技术2：复杂截截面组组合巨型柱柱框架体体系第一部部分：：多重组合剪剪力墙及核核心筒筒体系系第二部部分：：复杂截截面组组合巨型柱柱框架体体系介绍内内容第一部部分多重组组合剪剪力墙墙及核核心筒筒体系系构成核心筒的组合剪力墙：1.内藏桁架：高效传力2.

内藏钢板：整体钢板将混凝土墙一分为二，存在削弱3.内藏钢板深梁：分块钢板混凝土墙整体好，性能如何？组合核核心筒节点柱梁（一））工程程背景景研发了6种多重组组合剪力墙墙核心心筒1.内藏钢钢桁架架混凝凝土组合剪剪力墙2.钢管混凝土土边框框内藏藏钢桁桁架组组合剪力墙3.钢管混凝土土边框框内藏藏钢板板组合合剪力墙4.钢管混混凝土土边框框内藏藏钢板板及钢桁架架剪力力墙5.钢管混混凝土土边框框内藏藏钢板板深梁梁组合合剪力力墙6.异形截截面多多腔双双钢板板混凝凝土组组合剪剪力墙墙（二））技术术研发发框架剪力墙墙普通剪力墙

钢框架－桁架核心筒框架桁架框架双重组合剪力墙（核心筒）以往各各自单单独应应用，，现将将二者者优势势组合合内藏钢钢桁架架混凝凝土双重组组合剪剪力墙双重组组合结结构多重组组合剪力墙1：构造作作法：桁架暗暗藏在在混凝凝土剪剪力墙墙中。。桁架分分为钢筋混混凝土土桁架架、型型钢桁桁架、、钢筋筋-型钢复复合桁桁架。暗桁桁架中中的斜斜杆也也称为为暗支撑。。下图为剪力力墙局部构构造示意图图普通剪剪力墙墙局部部构造造桁桁架架局部部构造造组组合剪剪力墙墙局部部构造造未浇筑筑混凝土土部分分已浇筑筑混凝土土部分分未浇筑筑混凝土土部分分已浇筑筑混凝土土部分分双重组组合：：(1)两种体体系：：钢桁架架－混混凝土土剪力力墙组组合(2)两种材材料：：型钢－－混凝凝土组组合钢桁架架与混混凝土土墙体体组合合受力特特点：将“高层层剪力墙墙抗震震承载载力大大，与与高层层钢桁桁架抗抗震延延性好好的优优势”组合，，实现现了“两种体体系组组合”与“两种材材料组组合”联合应应用，，具有有多道道抗震震防线线。内藏钢钢桁架架组合合剪力力墙抗震性性能试试验破坏形形态普通中高剪剪力墙墙型钢边边框高剪力力墙内藏钢钢桁架中高剪剪力墙墙实测滞滞回曲曲线表表明，，抗震震性能能显著著提高高内藏钢钢桁架架高墙墙普通高高墙普通低低矮墙墙内藏钢钢桁架架低矮矮墙内藏钢钢桁架架组合核心筒筒抗震性性能试试验内藏钢钢桁架架混凝凝土组组合筒筒体抗抗震试验实测筒筒体滞滞回曲曲线表表明，，耗能能效果果显著著组合筒普通筒普通核核心筒筒组合核核心筒筒骨架曲曲线比比较钢管混凝土土边框框内藏藏钢桁桁架组组合剪力墙普通墙框架多重组合剪力墙（核心筒）剪力墙核心筒框架桁架框架钢管砼框墙

钢框架桁架多重组组合结结构多重组组合剪力墙2：以往各各自单单独应应用，，现将三者者优势组组合多重组组合：：（1）三种种体系系：钢管混混凝土土－钢钢桁架架－剪剪力墙墙组合合（2）两种种材料料：型钢－－混凝凝土组组合受力特特点：将“钢管混混凝土土－钢钢桁架架－剪剪力墙墙”多重组组合，，具有有多道道抗震震防线线。钢管-钢桁架架-混凝土土墙体体组合合钢管混混凝土土边框框内藏藏钢桁桁架组组合剪力墙抗震试试验钢管混混凝土土分担担较大大压力力，剪剪力墙延性提提高钢管混混凝土土与斜斜杆成成钢桁桁架，，为第第二道道抗震震防线破坏形形态普通混凝土土剪力力墙钢管混混凝土土边框框组合合剪力力墙钢管混混凝土土内藏钢桁架剪剪力墙墙实测表表明，，新型型剪力力墙消能能与承承载力力显著提提高普通混凝土土剪力力墙钢管混混凝土土边框框组合合剪力力墙钢管混混凝土土内藏钢桁架剪剪力墙墙模型制制作加载装装置模型参参数：：不同边边框；；有无内藏藏钢桁架；；有无洞口口钢管砼砼叠合合柱边框框内藏藏钢桁桁架组组合筒体抗震试试验以往各各自单单独应应用，，现将将三者者优势势组合合钢管混凝土土边框框内藏藏钢板板组合合剪力墙普通墙框架框架钢板框架剪力墙核心筒多重组合剪力墙（核心筒）钢管砼砼框墙墙钢框架架-钢板墙墙多重组组合结结构多重组组合剪力墙3：结构特特点：：将“叠合合钢管混凝土土－钢钢板－－剪力力墙”多重组组合，，具有有多道道抗震震防线线。多重组组合：：（1）三种体系系：钢管混凝土土－钢板－－剪力墙组组合（2）两种材料料：型钢－混凝凝土组合钢管-钢板-混凝土墙体体组合钢管砼边框框-钢板墙钢管砼边框框-内藏钢板墙墙钢管混凝土土边框内藏藏钢板组合合剪力墙抗震试验模型比例：：1/5轴压比：0.3；0.5模型制作现现场30个组合剪力力墙模型：：3种钢板厚度度：薄钢板;中厚钢板;厚钢板2种连接锚固固：栓钉；钢板板开孔拉接接筋2种类型：纯钢板；混混凝土内藏藏钢板3种剪跨比：：低墙；中高高墙；高墙墙模型设计多重组合剪剪力墙抗震震试验内藏钢板对对剪力力墙抗震性性能贡献献显著内藏钢板剪剪力墙破坏坏形态２mm钢板墙４mm钢板墙６mm钢板墙部分试件滞滞回曲线SW1.5-25(4mm)SW1.5-24(2mm)SW1.5-26(6mm)钢管混凝土土边框钢板墙SW1.5-27(4mm)SW1.5-28(4mm)混凝土墙钢桁架组合边框桁桁架钢板墙四重组合结结构多重组合剪力墙4：钢管混凝土边框框内藏钢板板及钢桁架架土组合剪力墙构造作法：：钢支撑从钢板板两侧交叉叉贴焊，相相当于等用用钢量下钢钢板变薄，，增加交叉叉斜向板带带厚度。多重组合：：（1）四种体系系：钢管混凝土土－钢板－－钢桁架-剪力墙组合合（2）两种材料料：型钢－混凝凝土组合型钢中柱钢管边框钢板深梁构造特点：：（1）钢板深梁梁：承载力和刚刚度有所减减小，但墙墙体混凝土土易贯通，，整体性好好。（2）施工难度：分块钢板，，易吊装定定位，便于施工。。拉结钢筋分布钢筋多重组合剪力墙5：钢管混凝土边框框内藏钢板板深梁组合合剪力墙水平钢筋通通过钢板条条与边框钢钢管焊接异形截面多多腔双钢板板混凝土组组合剪力墙墙（工形；槽形形）深色为底部部加强区钢钢板剪力墙墙分布区域域核心筒钢板板剪力墙布布置图工形截面多重组合剪力墙6：2腔体3腔体底部加强3腔体构造作法腔体内是否配置构构造钢筋，，这要看需需要设计原则：：（1）钢管混凝土-钢板-钢桁架-钢筋暗支撑撑-剪力墙多重重组合体系系联合应用用；（2）结构刚度、强度度、延性沿沿高及水平平合理分布布，匹配受受力。沿高竖向：：钢管混凝土土柱-底部钢板-中部钢桁架架--上部钢筋暗暗支撑-混凝土剪力力墙组合同层水平：：钢管混凝土土柱-钢板-钢桁架-钢筋暗支撑撑-混凝土剪力力墙组合多重组合剪力墙1-剪力墙6的联合应用用：完成了数百百个多重组组合剪力墙墙及筒体抗震试验钢管砼叠合合柱边框内藏藏钢桁架组组合筒体抗震试验钢管砼叠合柱边框内藏藏网状钢桁架组合筒体钢管混凝土土边框内藏藏钢板深梁梁组合剪力力墙工字形截面面多腔双钢钢板混凝土土组合剪力力墙（三）研发发进展（一）构造造研究（二）理论分析析（三）试验验研究（四）研究结论论钢管混凝土土边框内藏藏钢板深梁梁组合剪力力墙（一）构造造研究连排钢管柱柱钢板深梁墙墙整体钢板墙墙钢构特点构造简单施工容易刚度和承载载力小延性好构造较简单单施工相对容容易刚度和承载载力较大延性较好构造较复杂杂钢板打孔拉拉结施工难难刚度和承载载力大延性相对差差整体钢板墙墙钢板深梁墙墙细部构造整体钢板将将混凝土墙墙体一分为为二，为加加强其整体体性，需采采用钢板焊焊接栓钉或或打孔穿拉拉结筋措施施。施工量和难难度加大。。分块钢板上上下可穿过过拉结筋，，墙体两侧侧混凝土从从分块钢板板间贯通。。剪力墙整体体性好，且且易施工。。二者抗震性性能如何？？为此进行行了数值模模拟与简化化分析。数值模拟分析表明：：软钢板深梁梁数量增加，，钢构刚度和承承载力提高高，延性下降降，耗能先先增后减。。O道整体4道3道2道钢板深梁对对钢构受力力影响：（二）理论论分析3道钢板深梁梁设计了修复复前、后不不同构造组组合剪力墙墙试件进行了修复复前、后两两阶段试验验第I阶段试验第II阶段试验（三）试验验研究这种剪力墙墙具有分分灾消能减减震和震后后宜修复特特点实现了组合合剪力墙被被动控控制技术的的新发展损伤过程与与分灾消能能：首先形成4条竖向分灾消能条条带；之后混凝土墙体体累积损伤耗耗能；随之之钢板深梁剪切屈服耗耗能，型钢柱弯曲耗能；；部件界面咬合摩擦耗耗能，实现被动消消能控制0道深梁2道深梁3道深梁4道深梁整体钢板试验表明：：3道钢板深梁梁剪力墙底底部损伤与与墙体损伤伤较为均衡衡具有震后易修复功能修复前3个不同构造造组合剪力力墙的钢构构见下图，，两侧浇筑混混凝土后，，形成混凝凝土组合剪剪力墙。CFWB1-ICFWB2-ICFWB3-I介绍3个典型试件件的试验及及结果两阶段试验验采用位移移角控制：：第I阶段：试件件位移达到到1/50，暂停试验验。试件编号：CFWB1-I、CFWB2-I、CFWB3-I.第II阶段：对第第I阶段损伤试试件进行修修复，并作作为新的试试件，试验验至破坏。。试件编号：：CFWB1-II、CFWB2-II、CFWB3-II.第一阶段试试验进行水平低周反反复荷载试试验至1/50位移角。加载现场测点布置加载方案与与测点布置置CFWB1-ICFWB2-ICFWB3-I损伤及屈服服过程：首先形成4条竖向分灾灾消能条带带，之后混混凝土墙体体损伤破坏坏，钢板耗耗能键剪切切屈服耗能能，型钢柱柱弯曲屈服服耗能，各各组成部件件间界面相相互作用耗耗能特征荷载试件编号Fc/kNFy/kNFu/kNFy/Fu实测值相对值实测值相对值CFWB1-I120.00265.341.000320.361.0000.83CFWB2-I130.35387.481.460440.321.3740.88CFWB3-I134.58470.181.772532.161.6610.88明显屈服荷荷载、极限限荷载实测测值第I阶段试验结结果及分析析变形与耗能能实测特征位位移与耗能能试件编号UcUy/mmEp/(kN·mm)实测值相对值实测值θ0.02CFWB1-I1.767.701.00092031/50CFWB2-I1.368.761.138155441/50CFWB3-I1.9514.541.889141011/50滞回特性CFWB1-ICFWB2-ICFWB3-I骨架曲线比比较试件2修复前滞回回环饱满第二阶段试试验第一阶段试验至至1/50位移角，停停止试验，，通过试件件两侧钢管管之间焊接接2mm薄钢板进行行修复，继继续第二阶阶段试验。。加载现场加载装置修复后试件件试验损伤、破坏坏过程CFWB1-IICFWB2-IICFWB3-II第II阶段试验结结果及分析析修复薄钢板板屈曲变形形，形成斜斜向拉力带带，为第一一道防线；之后后，原组合合剪力墙继继续发挥抗抗力作用。。特征荷载试件编号Fy/kNFu/kNFy/Fu实测值相对值实测值相对值CFWB1-II376.891.420414.121.2930.91CFWB2-II463.691.748530.981.6570.87CFWB3-II531.792.004576.601.8000.92明显屈服荷荷载、极限限荷载实测测值修复后试件件2承载力比试试件1高29.5%，比试件3仅低8.6%。变形与耗能能实测特征位位移与耗能能（1/50位移角）试件编号Uy/mmEp/(kN·mm)实测值相对值实测值θ0.02CFWB1-II13.071.697100771/50CFWB2-II12.661.644143231/50CFWB3-II19.392.518110521/50修复后试件件2耗能能力最最好，比试件1提高43%，比试件3提高30%。滞回特性（（1/50位移角）CFWB1-IICFWB2-IICFWB3-II骨架曲线比比较试件2修复后滞回回环饱满提出的钢管混凝土土边框内藏藏钢板深梁梁组合剪力力墙克服了带竖竖缝剪力墙墙承载力和和刚度小的的不足，保保持了带竖竖缝剪力墙墙延性好的的优势。2.这种组合剪剪力墙的构构造措施可可靠，试验验表明：实现了组合部件刚度、、强度、延延性的合理理匹配。3.这组合剪力力墙的消能能减震性能能良好，试试验表明：：竖向条带、混凝土土墙体、钢板深梁、、型钢柱、连接界面面5部分协同消消能减震，，效果很好好。（四）研究结论论（一）试验概况况（二）试验分析析（三）研究结论论工字形截面面多腔体双双钢板混凝凝土剪力墙墙模板图2腔体3腔体底部加强3腔体试件设计（一）试验概况况浇筑混凝土土C40,实测fu=42.1MPa低周反复荷荷载试验加载现场试验方案及及测点布置置测点布置腹板斜向拉拉力带形成成，且与2个腔体有关关2腔体2mm破坏特征（二）试验分析析腹板受剪（（斜向拉力力带）屈服服、边框受受弯屈服协协同发展，，充分发挥挥了整体耗耗能能力。3腔体2mm腹板钢板厚厚时，若腔腔体少则斜斜向拉力带带少，对充充分发挥耗耗能能力不不利底部加强3腔体3mm2腔体3mm3腔体3mm底部加强对对耗能提高高贡献相对对明显。2腔体3腔体腹板底部加加强滞回曲线2mm3mm1.提出的工字形截面面多腔体双双钢板混凝凝土组合剪剪力墙设计更接接近实际际工程，，翼缘和和腹板均均发挥了了良好的延性性耗能能能力，抗抗震耗能能能力较较强。2.这种组合合剪力墙墙的翼缘缘和腹板板腔体构构造可靠靠，试验验表明：：适当增加加腹板腔腔体，抗抗震承载载力和延延性提高高显著。。3.该组合剪剪力墙的的消能减减震性能能良好，，试验表表明：与普通混混凝土剪剪力墙“强剪弱弱弯”设计相比比，由于于该类双双钢板剪剪力墙不不出现剪剪切脆性性破坏，，故合理匹配配腹板与与翼缘强强弱关系系，使之同同时充分分发挥抗抗剪、抗抗弯耗能能能力，，是实现延延性屈服服、达到到最佳耗耗能效果果的关键键。（三）研究结结论第二部分分复杂截面面组合巨巨型柱框框架体系系关键技术术：多重组合合剪力墙墙核心筒筒（已介绍）高性能巨型框架（下面介绍绍）（1）核心筒：约承担50%地震作用（2）巨型框架：约承担50%地震作用巨型撑巨型柱巨型梁多重组合合核心筒巨型节点点研发了：：复杂截面面多腔体体钢管混凝土巨型柱框架（一）工工程背景景研究：多腔体钢管混凝土巨型柱结构抗震体系超大复杂杂截面巨型型柱超大复杂杂巨型节点点多重组合合核心筒巨型桁架巨型框架多重组合核心筒高性能抗震体系=>关键技术体系优化化（二）技技术研发发控制性能能退化的的钢管混混凝土拉拉压构件件控制作用用明显进行了多种高性能抗震和消能减震构件试验（三）试试验研究究多腔体钢钢管混凝土巨巨型柱框架-支撑结构构抗抗震试验验包括：轴向拉力力作用下下的低周反反复荷载载试验巨型框架抗震试验巨型柱抗震试验新型巨型型柱框架抗震震性能良好巨型柱试试验4000吨大型加载装置2种多腔腔体钢管管混凝土土巨型柱柱抗压性性能试验验六边六腔腔体巨型型柱五边四腔腔体巨型型柱力-位移曲线线力-挠度曲线线试验表明明：性能能良好CFST2-C30大偏压试件弯曲曲变形破坏时受受压区照照片CFST1-C30轴压最终破坏坏整体形形态最终破坏坏局部形形态CFST4-C40轴压破坏时上上段屈曲曲严重上端焊缝缝开裂严严重CFST5-C40小偏压钢板焊缝缝撕裂试件整体体变形承载力比较骨架曲线线刚度退化刚度退化化曲线残余变形形比较残余变形形平截面假假定CFST2截面应变变挠度曲线CFST2挠度曲线线针对新型型构件构构造特点点，实现现了理论论建模部分新型型构件的的力学模模型本构模型型承载力模模型（四）理理论分析析多重组合合核心筒筒承载力力模型计算与实实测误差差4.8%暗支撑剪剪力墙有有限元模模型计算骨架架曲线与与实测符符合较好好多重组合合剪力墙墙有限元元分析表明结构构构造可可靠宏观有限元模模型计算滞回回曲线与与实测符符合较好好软化桁架模型型内藏桁架剪剪力墙软化桁架架模型计算骨架架曲线与与实测符符合较好好内藏桁架核核心筒软化桁架架模型计算与实测符符合较好压弯剪下筒体体承载力模型型，计算误差差均值5.3%抗震承载力简化模模型压弯剪扭下筒筒体承载力模模型，计算误误差均值5.8%

结构关键构件性能指标承载力提高延性提高综合耗能提高抗震新构件：巨型柱27%~43%4%~19%16%-30%抗震新构件：核心筒37%～66%15%～57%53%～60%抗震新构件：新型柱15%～40%17%～59%25%～114%分灾耗能剪力墙承载力提高26%，综合耗能提高33%软钢-铅耗能节点承载力提高19%，综合耗能提高53%强化K型节点承载力提高26%，综合耗能提高79%（五）抗