帶摩擦剪切耗能節(jié)點的高層建筑斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系抗震性能研究

黃泰赟, 邊建烽, 李兆凡, 符景明, 程曉艷, 翁沉卉, 祝志華

(1 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045；2 Skidmore，Owings &Merrill LLP， 上海 200031)

1 工程概況

樹根互聯(lián)全國總部&三一集團華南總部位于廣東省廣州市海珠區(qū)琶洲西區(qū),是由兩棟雙子塔超高層辦公樓和空中連接體組成的綜合體,建筑效果見圖1。其中樹根互聯(lián)全國總部(125地塊)地上建筑面積約為7.7萬m2,地下室共4層,為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑層數(shù)37層,建筑屋面標(biāo)高181.5m,塔冠標(biāo)高204m;三一集團華南總部(126地塊)地上建筑面積約為7.3萬m2,建筑層數(shù)34層,建筑屋面標(biāo)高159m,塔冠標(biāo)高181.5m。兩塔樓之間在3～4層采用65m跨的沃倫桁架形成的空中連接體連通。建筑剖面圖見圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

2 結(jié)構(gòu)體系

由于兩塔樓的造型相同,本文主要介紹樹根互聯(lián)全國總部(125地塊)。塔樓的建筑平面為帶有切角的正方形,首層層高14m,2～3層層高均為5m,4層及以上層高為4.5m。塔樓的外框采用外露六邊形斜交網(wǎng)格鋼管混凝土框架,嵌固在地下一層,由地下一層開始往核心筒方向傾斜11°至4層,在4層形成收腰后,再往外框方向傾斜11°至9層,9層以上鋼管混凝土面內(nèi)傾斜12°形成六邊形外框網(wǎng)格。主塔樓核心筒居中布置于各個標(biāo)準(zhǔn)層平面,核心筒高寬比約7.8,筒體外壁厚度從下至上由0.8m變化至0.4m。外框柱采用鋼管混凝土柱,柱距約16m,與核心筒距離約14m,柱截面由底部φ1 200×30變化為頂部φ1 100×18。外框柱以核心筒為中心呈雙向?qū)ΨQ布置。外框結(jié)構(gòu)在5層以下均有框架梁和樓板將核心筒與框架柱相連,5層以上以每5層塔樓為一個單元,每個單元只有最上方的節(jié)點層有框架梁和樓板將外框結(jié)構(gòu)與核心筒連接。節(jié)點層以下4層樓蓋結(jié)構(gòu)由上至下逐層向內(nèi)退縮,通過吊柱的形式吊掛在節(jié)點層的梁上,將豎向荷載傳到主結(jié)構(gòu)上。圖3～4為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的基本組成示意圖和結(jié)構(gòu)懸掛鋼框架子結(jié)構(gòu)示意圖。典型的結(jié)構(gòu)平面圖見圖5,結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)信息見表1[1]。

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)

圖3 抗側(cè)力體系

圖4 懸掛鋼框架子結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 典型結(jié)構(gòu)平面圖

由于塔樓外框結(jié)構(gòu)作為建筑表達(dá)“樹根有力向上生長”概念的載體,采用了六邊形斜交網(wǎng)格鋼管混凝土外框,與鋼筋混凝土核心筒共同組成結(jié)構(gòu)體系。主塔樓的風(fēng)荷載和地震作用產(chǎn)生的剪力和傾覆力矩,由外框架與核心筒組成的抗側(cè)力體系共同承擔(dān)。外框底部的地震剪力占比約為20%～30%,地震剪力主要由核心筒承擔(dān),傾覆力矩由外框架與核心筒共同承擔(dān),受力符合框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的特點。六邊形斜交網(wǎng)格的短邊形成鋼連梁,建筑的表達(dá)形式是馬鞍形節(jié)點,如圖6所示。由于本項目采用外露鋼結(jié)構(gòu),為達(dá)到結(jié)構(gòu)成就建筑之美的目標(biāo),結(jié)構(gòu)巧妙地利用外框短連梁的受力特點和馬鞍形節(jié)點的外形,將節(jié)點設(shè)計成摩擦剪切耗能構(gòu)件,在中大震下利用軸壓力產(chǎn)生的滑動摩擦力進行耗能,為塔樓外框柱提供更多的延性。

圖6 馬鞍形節(jié)點效果圖

為表現(xiàn)建筑空間的懸浮感,同時也為了結(jié)構(gòu)傳力體系更簡潔明確,標(biāo)準(zhǔn)層采用了懸掛鋼框架子單元作為結(jié)構(gòu)的重力受力系統(tǒng)。此懸掛結(jié)構(gòu)傳力明確,充分發(fā)揮鋼材高強的抗拉力學(xué)性能,采用較小截面的吊柱即可滿足受力要求,同時還可以實現(xiàn)建筑方案呈現(xiàn)的懸浮感。吊柱的頂部與節(jié)點層的梁采用剛接連接,且吊柱的連接盡量靠近梁端,以減小吊柱引起的梁跨中彎矩。節(jié)點層的梁按考慮樓板的剛度折減后的拉(壓)彎構(gòu)件進行設(shè)計,端部采用日字形截面的鋼梁。斜吊柱與吊掛的樓層梁采用鉸接連接。連接節(jié)點構(gòu)造大樣見圖7和圖8[2-4]。

圖7 節(jié)點層徑向梁與吊柱連接典型節(jié)點構(gòu)造

圖8 吊柱與樓面梁連接典型節(jié)點構(gòu)造

3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本項目結(jié)構(gòu)體系的情況,對結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類及抗震設(shè)防目標(biāo)設(shè)定見表2、3[5-6]。

表2 關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)

表3 普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)

4 摩擦剪切耗能節(jié)點的設(shè)計

圖9為典型馬鞍形摩擦剪切耗能節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計圖。圖10為摩擦剪切耗能節(jié)點構(gòu)造三維分解圖。馬鞍形節(jié)點本質(zhì)上是一個以摩擦剪切耗能為基礎(chǔ)的連接,通過在兩臂端部的鋼板設(shè)置槽形長圓孔和中間粘貼摩擦材料的鋼板設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)孔形成可滑動的摩擦連接,使外框馬鞍形鋼連梁在抗震設(shè)計中通過剪切塑性鉸提供相應(yīng)的延性[7-8]。

圖10 摩擦剪切耗能節(jié)點構(gòu)造三維分解圖

摩擦剪切耗能節(jié)點采用史狄爾摩擦材料。圖11為摩擦剪切耗能節(jié)點中間摩擦連接構(gòu)造原理圖和測試滯回曲線。經(jīng)過試驗研究,節(jié)點綜合考慮主要和次要滑動平面的穩(wěn)定有效摩擦系數(shù)為0.46。節(jié)點采用的ASTEM A490 M36螺栓能提供足夠的預(yù)緊力,保證該節(jié)點在結(jié)構(gòu)正常使用階段和多遇地震作用下均不發(fā)生滑動,只有在達(dá)到80%的設(shè)防烈度地震剪力時,該連接節(jié)點開始出現(xiàn)滑動,與核心筒混凝土連梁共同參與設(shè)防地震和罕遇地震下的耗能。

圖11 摩擦剪切耗能節(jié)點構(gòu)造原理圖和測試滯回曲線

圖12為馬鞍形摩擦剪切耗能節(jié)點滑動機制剪切變形和剪切塑性鉸曲線。其中,節(jié)點鋼板的長圓孔的尺寸對應(yīng)于兩倍罕遇地震下的最大層間位移角限值(1/100)螺栓的滑動距離。當(dāng)螺栓滑動至長圓孔端部前,摩擦節(jié)點的材料不允許出現(xiàn)屈服,當(dāng)滑移到長圓孔端部后,摩擦節(jié)點便作為一個剛性連接連梁工作,且變形不超過LS限值。而核心筒混凝土連梁在罕遇地震下允許屈服,但其塑性轉(zhuǎn)角的限值不超CP限值。這樣實現(xiàn)了外框摩擦剪切節(jié)點和核心筒混凝土連梁共同抗震耗能的目標(biāo)。表4為連梁在抗震性能設(shè)計對應(yīng)的限值要求[9-10]。圖12(b)中A點為原點,B點為螺栓開始滑動摩擦,C點為螺栓觸到栓孔端部,D點為螺栓、鋼板均屈服,E點為螺栓失效,F～G段為強度顯著退化。

表4 連梁在罕遇地震下的塑性轉(zhuǎn)角限值

圖12 摩擦剪切耗能節(jié)點滑動機制的剪切變形和剪切塑性鉸曲線

5 摩擦剪切耗能節(jié)點布置的結(jié)構(gòu)方案比選

由于外框六邊形斜交網(wǎng)格的短邊形成的外框梁跨度只有3.2m,在地震作用下因外框斜柱的傾覆產(chǎn)生剪切變形明顯,符合連梁的受力特征。因此,本項目抗震設(shè)計的特點是利用外露鋼結(jié)構(gòu)的斜交網(wǎng)格中的馬鞍形節(jié)點,設(shè)計成摩擦剪切耗能的連梁,提高外框結(jié)構(gòu)的延性,通過“釋放”的方式替代剪切變形引起的材料屈服。節(jié)點層馬鞍形節(jié)點兩種平面布置方式如圖13所示。為了進一步分析摩擦材料對塔樓結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,設(shè)置了三種不同布置方案進行對比:方案一為無摩擦節(jié)點;方案二為14、19層設(shè)置20個中部節(jié)點;方案三為14、19、24、29、34、39層設(shè)置72個節(jié)點。

圖13 馬鞍形節(jié)點平面布置示意圖

采用ETABS軟件用7組地震波分別對三種方案進行大震彈塑性時程分析對比。經(jīng)計算本塔樓在不設(shè)摩擦耗能節(jié)點的情況下,大震彈塑性和大震彈性的底部剪力的比值大約在55%～90%的范圍內(nèi),非線性能量耗散約占總耗能的10%～25%,塔樓在大震下整體處于輕度到中度非線性狀態(tài)。設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點,通過釋放一定剪切變形,參與塔樓結(jié)構(gòu)的耗能,將起到減輕外框負(fù)擔(dān)、保護其他主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。

以其中一條地震波的結(jié)果為例,圖14為方案三中摩擦剪切耗能節(jié)點的螺栓滑動情況與外框柱損傷狀態(tài)。由圖14可知大部分節(jié)點內(nèi)的螺栓開始滑動,而外框斜柱均為無損傷狀態(tài),即基本保持彈性,節(jié)點平均滑移距離最大的樓層分布在14～24層之間,但摩擦剪切耗能節(jié)點的剪切變形沒有達(dá)到破壞限值,可以滿足大震性能目標(biāo)。根據(jù)以上結(jié)果,中部樓層平面中部的節(jié)點滑動量相對較大,能更有效地發(fā)揮摩擦節(jié)點的耗能作用,因此方案二選擇在14、19層平面的中間節(jié)點設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點。圖15為方案二摩擦剪切耗能節(jié)點滯回曲線,由圖15可知螺栓發(fā)生的最大滑移約為35mm,未超過螺栓最大可滑移距離68mm,能夠保證螺栓有大震下有效滑動耗能。

表5為罕遇地震下塔樓結(jié)構(gòu)彈塑性底部剪力和非線性滯回耗能總量,圖16為非線性滯回耗能比例。結(jié)果表明,三個方案的結(jié)構(gòu)總底部剪力差異不大,但方案二和方案三中結(jié)構(gòu)通過摩擦滑移和材料屈服形成的塑性鉸共同耗能,其非線性滯回耗能相較于完全依靠混凝土連梁材料屈服耗能的方案一,分別提高了21%和47%,其中混凝土連梁的耗能占非線性滯回耗能的比例分別減少了24%和44%。

表5 塔樓結(jié)構(gòu)彈塑性底部剪力和非線性滯回耗能

圖16 非線性滯回耗能比例

圖17給出了不同方案下的核心筒連梁損傷狀態(tài),可以看出,不布置摩擦剪切耗能節(jié)點的方案一核心筒混凝土連梁有59%處于IO狀態(tài),有41%處于CP狀態(tài),方案二和方案三布置摩擦剪切節(jié)點后,分別有85%及87%的混凝土連梁處于IO狀態(tài),無需修理即可投入使用,而僅有15%及13%的連梁處于LS狀態(tài)。通過結(jié)構(gòu)非線性滯回耗能對比以及核心筒混凝土連梁的損傷狀態(tài)對比,說明摩擦剪切耗能節(jié)點可以有效提高結(jié)構(gòu)的非線性耗能,從而降低混凝土連梁的損傷程度。

圖17 核心筒混凝土連梁損傷狀態(tài)統(tǒng)計

表6對比了三個方案下結(jié)構(gòu)14層外框鋼管混凝土柱的內(nèi)力,與方案一相比,方案二及方案三的外框柱軸力及主彎矩分別減小了15%～45%及18%～52%,特別是柱彎矩有較明顯的降低,可知摩擦剪切耗能節(jié)點在大震作用下對外框柱有一定“卸載”作用,有效保護了外框柱,同時方案二和方案三外框柱的內(nèi)力相近,可知在關(guān)鍵的樓層位置設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點更能發(fā)揮其耗能作用。

圖18為方案二外框柱、徑向梁以及環(huán)向框架梁在罕遇地震下的塑性鉸分布和損傷狀態(tài),表明在中部關(guān)鍵樓層設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點后,外框柱、徑向梁和環(huán)向框架梁均可實現(xiàn)大震彈性的性能目標(biāo)。

圖18 方案二外框塑性鉸分布及損傷狀態(tài)

綜上,摩擦剪切耗能節(jié)點利用摩擦力進行滯回耗能,增加了結(jié)構(gòu)的耗能途徑,結(jié)構(gòu)設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點后,核心筒絕大部分混凝土連梁在大震作用后無需修理即可繼續(xù)使用,大大保護了混凝土連梁。同時利用節(jié)點可滑動的特性,起到保護外框的作用,外框在大震作用下均能實現(xiàn)彈性的性能目標(biāo)。

由于連接吊掛鋼結(jié)構(gòu)的徑向梁與核心筒連梁相連,減小連梁的損傷程度十分重要。同時外露鋼結(jié)構(gòu)作為建筑外立面的重要載體,應(yīng)實現(xiàn)在地震作用下,外框柱均不出現(xiàn)材料屈服損傷,保持彈性。設(shè)置摩擦剪切耗能節(jié)點,通過摩擦滑移的方式有效地增加結(jié)構(gòu)的耗能,減少其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料屈服的程度和數(shù)量,起到結(jié)構(gòu)保險絲的作用,其意義重大,在高烈度下將更加顯著地發(fā)揮保護主體結(jié)構(gòu)的作用。圖19及圖20為方案二的摩擦剪切耗能節(jié)點實物安裝圖與項目施工過程實景圖。對于本項目,方案二和方案三均可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo),但是設(shè)置摩擦耗能材料的馬鞍形節(jié)點施工安裝難度大,且相對于無摩擦材料的焊接連接的馬鞍形節(jié)點造價高約3萬元。方案二數(shù)量上僅為方案三的27.8%,造價上節(jié)約156萬元,方案二的滯回耗能為方案三的82.3%,綜合評判后選擇方案二作為實施方案。

圖19 馬鞍形摩擦剪切耗能節(jié)點實物安裝圖

圖20 項目實景圖

6 結(jié)語

結(jié)合建筑外露鋼結(jié)構(gòu)馬鞍形節(jié)點,結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地將摩擦材料運用到剪切效應(yīng)明顯的斜交網(wǎng)格外框節(jié)點中,利用螺栓在長圓孔中的滑動機制,形成動摩擦剪切滑動耗能效果,與混凝土連梁共同參與地震作用下能量耗散,保障了結(jié)構(gòu)外框柱二道抗震設(shè)防延性的冗余度。通過分析對比摩擦剪切耗能節(jié)點位置設(shè)置的三種方式,研究分析摩擦剪切耗能節(jié)點的滑動情況、塔樓結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震及罕遇地震下耗能的影響、核心筒混凝土連梁的損傷情況以及外框柱內(nèi)力情況,本項目通過設(shè)置有限數(shù)量的摩擦剪切耗能節(jié)點可實現(xiàn)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。