高层钢-混凝土混合结构及其抗震研究的发展现状

高层钢-混凝土混合结构及其抗震研究的发展现状

高层钢结构结构钢筋混凝土混合结构具有钢结构施工速度快、混凝土结构刚性好、成本低等优点。被认为是一种适合中国国情的更好的建筑结构形式。它被广泛用于中国的高层建筑，尤其是超过高层的建筑结构。目前，该混合结构已在中国40多个高层钢结构建筑中得到应用。然而,国外在地震区却很少采用这种结构,主要是因为对这种结构的抗震问题没有进行过系统的研究,历史上有过地震破坏的纪录,故认为不宜用于地震区,并对其设计要求极为严格。在我国,对这种结构的抗震研究也仅在近几年才开始,而且研究所采用的分析方法和技术手段都较简单,虽然取得了一些成绩,但没能很好地解决存在的主要抗震性能问题。为了确保这类结构的抗震安全性、减轻地震灾害,对这种结构的抗震性能和设计方法开展系统和深入的研究已是工程的迫切需要。本文系统地总结、论述了钢-混凝土混合结构及其抗震研究的发展现状,指出了抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。1钢-混凝土混合结构钢-混凝土混合结构最早于1972年用于芝加哥的GatewayⅢBuilding(36层137m)。由于这种结构体系充分利用了钢结构和混凝土结构的优点,后被许多国家用于高层和超高层建筑中。如法国巴黎的麦纳-蒙帕纳斯大楼、AncondaTower;捷克的Guezla大楼;新加坡的海外联合银行中心(OverseasUnionBankCenter)。我国80年代才将钢-混凝土混合结构用于高层建筑,1986年建成的高82.75m的北京香格里拉饭店就采用了这种结构形式。到目前已建成或在建的高层建筑(约有40余幢)中,有一半以上采用的是钢-混凝土混合结构,如上海金茂大厦(88层420.5m)、新金桥大厦(38层157m)、证券大厦(27层121m);深圳地王大厦(81层325m)、深圳发展中心(48层165m);北京国贸二期(39层156m);大连云山大厦(52层208m)、大连远洋大厦(51层201m);天津云顶花园(43层165m)等。其中,1996年建成的深圳地王大厦,主楼高325m,地上81层,地下3层,中间为型钢混凝土核心筒、外为钢框架,是我国第一幢高度超过300m的高层钢结构建筑。1997年10月封顶的上海金茂大厦总高420.5m,88层,钢骨混凝土核心筒、外框钢骨混凝土柱及钢柱,是目前国内建成的最高建筑。值得一提的是,1998年建成的大连远洋大厦(高201m,51层,钢框架-混凝土核心筒结构)的设计、制造、安装以及钢材供应全部是由我国自行完成的,这标志着我国高层建筑钢-混凝土混合结构完全国产化已经起步。最近建设部和国家冶金工业局在颁布的《建筑用钢技术政策》中,将钢-混凝土混合结构列为要大力推广的建筑新技术。可以预见,这种混合结构在我国高层办公楼、学校、医院、住宅及综合楼等建筑中将被广泛应用,到本世纪末将在我国建成的200m以上高度的建筑中,大多数将采用这种混合结构。而在美国,根据1994年阿拉斯加地震中这种结构体系高层建筑倒塌的严重现实,曾断言这种体系只能用于150m以下的非抗震区建筑。日本1992年建造了两幢钢-混凝土混合结构的高层建筑,由于日本工程界对其抗震性能有不同看法,而后的7年里并未建造任何新的这种结构。近年来有所变化,但对这种体系,规范要求极为严格,将其列为特种结构,并要经日本建筑中心评定和建设领导部门批准后方可在工程中应用。2混凝土混合结构的系统和特点2.1钢-混凝土混合结构高层建筑钢-混凝土混合结构是由部分钢结构和部分钢筋混凝土结构组合而成的,其结构的组合主要是指抗侧力结构的组合。典型的组合是外框架采用钢结构,内筒采用钢筋混凝土结构,形成钢框架-混凝土内筒体系。有一些超高层建筑中的钢框架是由钢管混凝土柱及钢梁组成,而且还设置伸臂桁架,形成带伸臂桁架的钢框架-混凝土内筒体系。也有一些超高层建筑中的钢框架,对部分主要柱子采用钢骨混凝土巨型柱,并与其余钢柱及钢梁组合成外框架,形成巨柱框架-混凝土内筒体系。还有一种是由钢框外筒和混凝土内筒组成的筒中筒体系,这种体系在实际工程中应用较少。钢-混凝土混合结构中的楼面结构,也常采用钢梁上铺设压型钢板,再在该钢板上浇筑混凝土板。但是由于内筒为钢筋混凝土结构,因此内筒里侧的楼面结构可考虑两种方案,一种方案是仍然同内筒的外侧楼面结构,采用如上所述的钢梁上铺设组合楼板;另一方案是采用普通钢筋混凝土梁板结构。2.2混凝土结构面由于钢-混凝土混合结构是综合利用钢结构和混凝土结构的优点而形成的一种新型建筑结构体系,因此,从自重轻、施工速度快方面,它优于混凝土结构;从造价方面,它优于钢结构。统计分析表明,高层建筑采用钢-混凝土混合结构的用钢量约为全钢结构的70%,而施工速度与全钢结构相当,在综合考虑施工周期、结构占用使用面积等因素后,混合结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构的综合经济指标,是一种符合我国国情的较好的高层建筑结构形式。其主要优点及发展中存在的主要问题归纳如下:2.2.1主要优势(1)侧墙大于钢结构钢-混凝土混合结构由于采用钢筋混凝土剪力墙或核心筒作为主要抗侧力结构,其侧向刚度大于一般的钢结构,相应的水平位移也小。(2)钢-混凝土混合结构根据我国的国情,钢筋混凝土结构的直接造价低于钢结构。钢-混凝土混合结构钢材用量小于钢结构,又可以节省部分防火涂料费用,因此,钢-混凝土混合结构的造价基本上介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。(3)钢-混凝土混合结构钢-混凝土混合结构的施工特点,是常将混凝土核心筒安排先行施工,随后将筒体施工进度也安排快于周边钢结构的安装,同时在钢-混凝土混合结构中的梁、柱采用钢结构,楼板结构采用压型钢板上浇筑混凝土。因此,钢-混凝土混合结构的施工速度可快于钢筋混凝土结构,施工周期也相应缩短。(4)钢-混凝土混合结构中钢柱的应用由于采用钢柱,相应的柱截面小于钢筋混凝土柱,又由于钢-混凝土混合结构中钢柱承担较少的水平剪力,其截面甚至可小于钢结构中的柱子,故与钢筋混凝土结构相比较,可减小柱子所占用的建筑面积,便于使用。(5)钢管混凝土柱近几年来,国内部分钢-混凝土混合结构工程中已采用钢管混凝土柱,如深圳的地王大厦和塞格广场大厦,分别采用巨型截面及圆形截面的钢管混凝土柱。由于采用了这种柱,既提高了柱的承载力,又提高了柱的抗侧刚度和相应的结构侧向刚度,也有利于提高柱的防火能力。2.2.2主要问题(1)设计与复合材料的配合目前,在我国超高层钢-混凝土混合结构的设计、材料及工程承包中,国外的占主要地位,由于国外对中国规范的理解和使用有不同程度的难度,设计水平又参差不齐,因此,实际上很难全部按照中国的有关规范进行设计。对于地震区不符合我国的抗震设计原则,承载力以及变形不符合规范要求等大小问题时有发现,在设计之后一系列配合工作的矛盾更为突出。至今尚缺少严格有力的核查措施,应尽早由各级政府有关部门负责制定审查办法并组织实施。今后还应努力促进这种结构的设计、承建、施工等方面的全面“国产化”进程。(2)结构形式的问题由于国外在地震区很少采用钢-混凝土混合结构,相应就缺乏这方面的震害资料,国内也无这方面的经验。在我国,这种结构形式的建筑越建越高、应用范围越来越广泛,为满足建筑上的要求,结构形式也越来越复杂。而目前,国内外还没有出台有关高层建筑钢-混凝土混合结构的抗震设计规程或规范,对其抗震性能研究也尚不够充分与完善,存在的主要抗震性能问题没能很好地解决,如超规范的高宽比、顶点位移及层间位移限制、核心筒的合理高度、塑性铰的机制、结构的合理应用范围、钢和混凝土两种结构形式间的变形协调问题等等。为了适应我国这种结构形式的建设速度,迫切需要对这种结构的抗震性能和设计方法开展系统和深入的研究。(3)水平和竖向的偏移钢框架-混凝土内筒体系中,混凝土内筒的施工进度常先于钢框架。由于支模等原因,现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏移差常大于施工规范规定甚多。当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连接时,这些钢板预埋件在平面和竖向标高的位置,不仅受混凝土墙体偏移的影响,而且受预埋件移位的影响,其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围,常需采取难以令人满意的弥补措施。因此,宜在设计上采用适应性较好的连接方法。3震害资料及性能研究如前所述,国外在地震区很少采用钢-混凝土混合结构,并对这种混合结构在地震区中的应用看法不一。因此,就缺乏这方面的震害资料和对其抗震性能研究。目前在我国,与这种形式高层建筑钢结构的发展速度相比,对其结构的抗震研究还远远滞后,也仅在这几年才开始,并在计算分析和试验方面取得了一些初步成果。下面简单加以介绍。3.1钢-混凝土混合结构Franklin.Y.Cheng用杆系-层模型对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析,分析时针对不同杆件的特点,对混凝土柱和梁、钢柱和梁、混凝土剪力墙分别采用不同的单元模型;在按杆系形成层间刚度和总刚度矩阵后,以质量集中于楼层处的层间模型对混合结构进行地震反应分析。程绍革对一幢钢-混凝土筒实际结构进行了罕遇大震下的弹塑性时程分析,对设计时的位移控制、高宽比、塑性铰机制和加强层设置等提出了一些设想。在对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时,采用杆系模型,将混凝土核心筒按抗侧刚度等效成宽柱框架,等效框架再与外围钢框架用不计轴向变形的二力杆相连,从而形成混合结构的计算模型。这种采用非常简单的钢筋混凝土柱滞变模型来模拟混凝土核心筒构件难以很好地反映钢筋混凝土核心筒在较高轴压比状态下的受力和变形特性以及核心筒中性轴移动的影响。刘英等在研究钢-混凝土核心筒混合结构的抗震性能时,采用了SAP84有限元分析程序进行水平地震作用下的结构反应分析,把周边钢框架的梁柱采用三维的空间杆系单元,混凝土核心筒采用墙单元;假定钢结构部分始终处于弹性阶段,而混凝土核心筒则考虑其弹塑性性能,即分析核心筒刚度退化后水平地震作用在二者间的分配。李国强、姜丽人等在对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时,将其分为外钢框架和内混凝土核心筒两部分:外部钢框架又进一步简化为半刚架,内混凝土核心筒则简化为一根箱型截面的竖向悬臂杆,两者之间通过刚性连杆相连;考虑到几何非线性,再用一竖向受载杆与之并联,给出了用于工程设计方案阶段估算的简化计算模型。后来李国强、丁翔等又将混合结构分解为钢框架部分和剪力墙部分,钢框架采用杆系模型,混凝土剪力墙采用墙元与条元耦合,最终再利用结构各楼层水平位移协调求解。姜丽人将空间混合结构等效成平面框剪结构进行弹性地震反应分析。周向明、李国强、丁翔又采用以层模型为基础的结构弹塑性地震反应分析法,将混合结构外围的空间框架视作由一榀榀平行于地震荷载作用方向的平面框架并联组成,各榀框架通过楼板的连接共同抵抗水平地震荷载;混凝土核心筒则视作由开洞剪力墙组成的筒体,又简化为平行于地震荷载方向的抗震墙;框架和核心筒在楼面标高处由两端铰接的水平刚性联杆连接,协同抵抗水平荷载,这样,空间钢-混凝土混合结构就被简化为平面结构来分析。3.2混凝土核心筒结构特性到目前为止关于钢-混凝土混合结构的实验研究还很少。在“九五”期间,建设部曾将钢-混凝土混合结构研究作为重点攻关项目下达。中国建筑科学研究院结构所在90年代初对一幢23层钢-混凝土混合结构1/20模型开展了一系列试验研究,包括垂直荷载试验,模型力学性能试验,动力特性试验,六点、二点、单点加载水平荷载试验等。其中动力试验采用了脉动法、锤击法和初位移张拉释放法(自由振动法),获得了模型的柔度特性、频率、阻尼等动力性能。李国强等对一典型的钢-混凝土混合结构进行了1∶20的缩尺模型模拟地震振动台试验,试验主要测试了模型的位移、加速度反应,底层混凝土核心筒的竖向动应变,钢框架柱的竖向动应变,并观察了混凝土核心筒裂缝发生、开展的过程,核心筒角柱和暗柱纵筋屈曲外鼓,钢框架梁与混凝土核心筒连接区域混凝土开裂、破坏情况,以及钢框架与混凝土核心筒共同工作性能等。实验结果表明,小震阶段模型顶点位移为结构高度的1/600～1/1000,大震阶段顶点位移可达结构高度的1/45,说明模型有较好的延性;随着地震强度的加大,结构的损伤加剧,阻尼增大,自振频率不断下降;结构破坏主要集中于混凝土核心筒,表现为底层核心筒混凝土受压破坏、暗柱和角柱纵筋压屈,而钢框架处于弹性阶段,没有明显的破坏现象,结构整体破坏属于弯曲型。吕西林等对钢筋混凝土核心筒进行了抗震性能试验研究,共进行了两组5个钢筋混凝土筒体试件的低周反复加载试验。主要研究不同轴压比下,钢筋混凝土核心筒体的承载力、破坏形态、层间剪力在连梁中的传递规律、轴压比对核心筒延性性能的影响程度;还研究了更高轴压比下,钢筋混凝土核心筒体的承载力、破坏形态、延性性能以及高宽比、开洞大小、配筋率等因素对核心筒受力和抗震性能的影响。实验表明,对应于不同轴压比,试件的开裂荷载pcr及开裂位移Δcr比较接近,没有表现出随着轴压比增加而增加的现象;在变形能力方面,位移延性系数μ随着轴压比的增大而下降;此外,试验中,筒体表现出了很强的“剪力滞后”作用;轴压比的增加对筒体连梁的开裂和破坏影响不大,但是对筒体本身的承载能力、破坏模式、延性、耗能能力等抗震性能影响很大。竖向荷载和水平荷载同时作用下,钢筋混凝土核心筒的破坏模式有:(1)墙体底部受弯钢筋屈服破坏;(2)连梁弯曲剪切破坏;(3)剪力引起的斜向受拉破坏;(4)剪力引起的斜向受压破坏;(5)薄壁墙截面的压屈失稳或受压主筋压曲;(6)竖向刚度突变引起界面上剪切滑移破坏。还根据实验数据和资料,建立了钢筋混凝土核心筒在较高轴压比状态下的荷载-位移骨架曲线和滞变模型。此外,还有学者对结构的刚度及布置形式进行了研究,如阮永辉对设置加强层的钢框架-核心筒混合超高层结构进行研究,计算和分析了不同节点连接形式、内力分布及突变程度、有害无害位移等在加强层设置后产生的影响。4地震区结构的特性近一、二十年来,我国大量兴建了钢-混凝土混合结构的高层建筑,一些还建在地震区,但是国内外对这种结构的抗震性能研究还不够,目前还没有一套这类结构的抗震设计方法与安全保障指标和构造体系,对其在地震作用下的反应特征知之甚少。因此,应加强这种结构的抗震研究,特别是在以下几个方面。(1)钢框架抗推刚度下降钢-混凝土混合结构中现在采用的主要结构体系是钢框架-混凝土内筒体系,其中钢筋混凝土内筒为主要抗侧力结构,钢框架主要承担重力荷载,也承担较小的水平剪力。在水平地震作用下,由于钢框架的抗推刚度远小于混凝土内筒,钢框架承担的水平剪力除顶部几层为楼层剪力的15%～20%外,中部及下部约为相应楼层剪力的10%～15%。在往复地震动的持续作用下,结构进入弹塑性阶段时,墙体产生裂缝后,内筒的抗推刚度大幅度降低,而钢框架由于弹性极限变形角大于混凝土内筒甚多,虽然此时的水平地震作用要小于弹性阶段,但钢框架仍有可能要承担比弹性阶段大得多的水平地震剪力和倾覆力矩。因此,为符合结构裂而不倒的要求,需要调整钢框架部分所承担的水平剪力,以提高钢框架的承载力,同时采取措施提高混凝土内筒的延性。(2)核心筒剪力墙与连思想的剪钢筋设计对于钢筋混凝土核心筒的抗震设计,目前工程中主要是延续剪力墙的延性设计方法,按照强剪弱弯的原则设计抗弯钢筋和抗剪钢筋,并采取措施使变形集中的塑性铰区具有足够的延性。由于核心筒是空间构件,剪力墙是片状构件,它们之间的受力特性有较大的差别,把剪力墙的设计方法直接用于筒体设计可能存在较大的问题。再者,目前对钢筋混凝土核心筒的非线性分析模型的研究还很少,因此,还应更深入地研究可模拟核心筒真实受力和变形特性的滞回模型和相应的非线性分析方法。(3)高宽比目前我国规范对地震区高层钢结构建筑的高宽比建议限制是:纯钢结构为6,钢-混凝土混合结构为5。然而我国已建的两幢最高建筑(均为钢-混凝土混合结构)均超过了该限制,其中上海金茂大厦的高宽比为9,深圳地王大厦的高宽比接近9。况且,由于混合结构外框柱截面小、柱距大,抗侧刚度主要取决于核心筒刚度,所以核心筒的高宽比不能过大。程绍革曾建议最好不大于相应混凝土结构的高宽比,取8～10为宜,当外框柱距较密时该值可适当提高。但我国已建成的混合结构大部分内筒的高宽比远远超过该值,有的甚至达到24(深圳地王大厦)。高宽比过大,结构在地震及风荷载作用下的水平位移很难满足我国规范的限制要求,如风荷载作用下,最大层间位移角地王大厦是1/272、金茂大厦是1/421。因此,还需要通过实验和模型分析得到合理的高宽比限值。(4)超高层建筑内位移控制从这些年超高层钢结构开始兴建之后,结构的水平刚度就成为越来越突出的问题,在水平刚度上是从严还是放宽,引起了多方面的关注。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)没有列出对钢-混凝土结构的设计规定,但对有混凝土剪力墙的钢结构,规定应符合《钢筋混凝土高层建筑设计与施工规程》(JGJ3-91