钢混凝土组合高层建筑抗震性能研究进展与工程实践外文翻译资料

钢混凝土组合高层建筑抗震性能研究进展与工程实践

JiangQian，ZhiZhouamp;XiaohanWu

中国上海同济大学土木工程减灾国家重点实验室。

文献：钢-混凝土组合结构充分利用钢和混凝土材料的优点，广泛用于高层结构中。巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构体系，例如上海大厦，是超高层建筑最常用的组合结构体系。结构不规则性的建筑物也在中国广泛使用。鼓励和开展越来越多的关于钢-混凝土组合结构的研究和实践。本文叙述钢-混凝土组合结构的进展，其中主要介绍了新型钢-混凝土组合结构体系及其新型结构构件。此外，对典型的钢-组合结构工程进行了弹塑性时程分析和非线性推覆分析，以评估钢混凝土组合结构的抗震性能。

1总论

快速的经济增长和城市化是人类社会发展的必然,但这也是导致城市人口集中的主要原因之一。由于环境退化和土地供应有限,人们普遍承认,垂直城市化的引入，生活区和绿地的增加会对未来的城市规划产生重大影响(Ali 2007 )。

近年来,世界各地的新高层建筑建设蓬勃发展，根据世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）的全球高层建筑数据库，截至2015年9月，已完成123栋建筑高度超过300米的建筑，并在建筑和结构上已经完成，其中56座在中国建成。与此同时，世界上还有正在建设99座高层建筑其建筑高度超过300米，其中55座建于中国。建筑物已经越来越高，并且配置以及结构系统也变得更加复杂。世界最高的建筑是哈利法塔,其建筑高度为828米。在中国，已经完工的上海中心大厦暂居最高，高度为632米，其次是深圳平安金融中心（599米，建筑顶部），天津高银金融117大厦（597米，结构上顶部）和广州周大福（CTF）金融中心（530米 ，建筑顶部）。这些超高层建筑采用了新的结构材料、高性能构件和系统,这对结构的设计和分析提出了新的挑战。钢-混凝土组合结构同时具有钢和混凝土的优点，这对于高层建筑更加高效。本文介绍了近年来在中国建造的典型钢筋混凝土组合高层建筑,主要介绍了新型钢-混凝土组合结构及其新型结构构件。

2钢-混凝土组合材料工程实践

钢-混凝土组合结构已广泛应用于世界各地的高层建筑。与传统钢结构和钢筋混凝土（RC）结构不同，钢 - 混凝土组合结构包括钢构件，钢筋混凝土构件和钢 - 混凝土组合构件。具有钢和混凝土的优点的钢 - 混凝土组合结构可以创造出更高效的结构系统（Nie 2009）。

根据CTBUH全球高层建筑数据库,在已建成的25座高层建筑中,有20座为钢-混凝土组合建筑。这种结构体系是由中国住房和城乡发展部推荐的,在中国越来越受欢迎。表1列出了在中国已经完成和超过的高层建筑。如表中所示,组合巨型框架-核心筒-伸臂桁架是高层建筑最常用的组合结构体系。通过开展对这种类型结构的振动台试验，如上海世界金融中心（Lu2007）和上海中心大厦（Jiang2011），以此来证明这种结构的抗震性能。与钢框架和钢筋混凝土框架相比，组合巨型框架具有较大侧向刚度和清晰的承载路径，这对超高层建筑更加有效（Shen2001）。对角撑杆通常用于增强框架和管的刚度。对于在广州国际金融中心使用的斜纹结构，几乎所有的垂直柱被消除，斜构件承载重力荷载和横向力（Moon2007）。随着许多高层建筑的规范超出限定,传统结构体系的常规结构分析理论和方法有待验证,以确定它们是否适用于这些新结构。基于性能的抗震工程设计目前还在研究当中，这项设计也许有望解决这个问题。(2014年).

1993年 ,美国-日本合作地震研究计划对组合材料和混合结构进行了一系列有代表性的研究,揭示了其中三种体系已经达到了实际建筑的应用水平:CFT柱系统，RC柱和钢 梁系统，与带有支撑板或钢的结构墙系统（1998年Morino，2004年地质学）。目前对钢-混凝土组合构件的研究主要集中在钢-混凝土组合柱上，如钢管混凝土（CFST）柱，钢筋混凝土（SRC）柱，和剪力墙，其中剪力墙包括钢筋混凝土剪力墙和钢板混凝土（SPRC）剪力墙。钢筋混凝土组合材料构件具有自重轻、承载能力强、延性好等多种结构优点（Lu2014）。由于我国大量的工程实践,开发了许多新型钢-混凝土组合材料,并对其性能进行了测试。同时在墙边界上采用矩形钢管混凝土柱构成的组合剪力墙(2011年)。这种新型剪力墙的循环荷载试验表明,其承载能力和耗能能力都很高。随着CFST柱横截面尺寸的增加，在天津高银金融117大厦（2012年）中采用了一个六角形CFST柱，总共横截面面积为45平方米。

各种复杂结构的高层建筑采用新型结构材料、构件和结构体系设计。以下详细介绍了中国典型的组合高层建筑.

表1.中国高层建筑

2.1上海中心大厦

上海中心大厦,高632米，层数高达124层,于，相比在2008年竣工的上海世界金融中心，更在其上482米，采用新型钢-混凝土组合巨型框架-核心筒-伸臂式侧向结构体系.该塔垂直分为9个主区，直径为83.6米，第8区为42米。其形状为圆形，基本平面如图1所示。图2显示了上海中心大厦的标准楼层及其传统的加固楼层。

上海中心大厦抗侧力系统包括外部组合巨型框架和内部钢筋混凝土核心筒。外部巨型框架由8个SRC柱4个对角型钢混凝土巨型柱和8个2层高加强层桁架组成。巨型框架可以承受足够的刚度与核心管一起抵抗横向力。核心管是区域2上的钢筋混凝土，同时在1〜2区使用SPRC剪力墙是为了提高剪力墙的抗剪能力和延性。伸臂桁架设计连接巨型框架和核心筒,使其共同工作,有效抵抗风荷载和地震荷载。

（b）垂直区

(a)透视图

图1.上海中心大厦的透视图和垂直区

（b）传统强化楼层

(a)标准楼层

图2.上海中心大厦的结构图

2.2天津高银金融117大厦

天津高银金融117大厦高597米,共117层。该大厦的起始层面积为65mtimes;65m,顶层面积为45mtimes;45m。图3是117大厦的全局视图。117大厦采用巨型支撑框架-核心筒结构,具有约9.5的高宽比,因此需要更加有效的结构系统来构建。

（b）抗侧力系统

(a)透视图

图3.天津高银金融117大厦的透视图和抗侧力系统

抗侧力系统包括外部巨型框架和内部核心管。外部巨型框架由钢管混凝土巨型柱、巨

型交叉支撑和转换桁架组成.采用fig.4所示的六角形钢管混凝土柱由6个单元组成,总面

积为45平方米。由Peng在2012年对1/25-比例六角形大型CFST柱进行了六个单元的

循环荷载试验。试验结果表明,钢管混凝土柱有很好抗震性能。作为带桁架的九个区域，

巨型支架跨越几个楼层，并与重力抵抗系统分离。它们直接连接到巨型柱,受楼板梁约束,

以避免屈曲。同时巨型交叉支撑在加强巨型框架中起着重要作用。由于在10~39m标高

时的v型支撑长度约为48米 ,当其上8个区的交叉支撑为常规支撑时,采用屈曲约束支撑

(Bao2014)。

由于外支撑巨型框架的刚度超过了大多数楼层核心筒的刚度,伸臂桁架对结构刚度影响不大。巨型框架和核心筒通过地板（加强楼层）连接，并在加强的楼层增加了楼层支撑。

图4.六边形巨型钢管混凝土的剖面图

2.3广州国际金融中心

广州国际金融中心采用曲线三角规划。总高度为432米,共103层。所采用的结构系

统是筒中筒结构，在外部钢管混凝土斜纹管以及内部的钢筋混凝土管。图5显示了该结构

的透视图和抗侧力系统。内部为六角核心筒的标准楼层如图6所示。外斜管由30个钢管

混凝土柱相互对角连接组成，形成16个节点。该横向管的横向和扭转刚度大于传统框架

结构的横向和扭转刚度。大多数力通过轴向力传递，这使得它比力矩型框架更适用。通过

提高节点的约束刚度进而提高了节点的竖向刚度,减小了柱的剪力和弯矩。采用外部预应

力法,以约束节点的向外水平位移，从而加强外斜管的约束和垂直刚度。

（b）抗侧力系统

(a)透视图

图6.透视图和抗侧力系统

（b）73楼以上

（a）67楼以下

图6.标准楼层

3地震分析典型的混凝土组合材料结构

3.1上海中心大厦

正如第2段所介绍的，上海中心大厦是典型钢-混凝土组合巨型框架核心管架结构。根据目前的中国规范，574.6米的总结构高度和高程异常，其中还包括加固以及转移层的加固和转移均为超限等级。

3.1.1数值模型

利用ANSYS有限元程序建立了上海中心大厦的数值模型，包括第一楼地下室，上面的125层和顶部钢桁架。采用固体单元模拟所有巨型柱，使用梁单元模拟梁、次柱和桁架。剪力墙、连梁和楼板均由壳单元模拟。梁芯墙连接为固定。全球数值模型与典型的加强层在图7-8所示。

3.1.2动态特性

结构的前40个振动模式是模态分析得到。表2呈现第一结构的6个自然周期振动的数字振动特性。

表2，前6阶振动模式的特性

3.1.3弹塑性时程分析

为了评估结构的抗震性能，通过非线性时程分析，根据当前中国抗震设计规范。三套地震记录包括上海人工wave-3（SHW3），ATS000-090（Kocaeli，Turkey1999/08/17，Station：Ambarli），CHY004（Chi-Chi，台湾1999/09/20，CHY004）。两个级别的地震危险，轻微或频繁地震以及强震或罕见地震。7级地震时频繁地震和罕见地震的峰值地面加速度分别为35cm/ssup2;和220cm/ssup2;。SHW3是应用于X方向和Y方向地震的分别激励，而X方向和Y方向组件按PGA比例缩放为1：0.85被考虑在ATS000-090和CHY00中。选择数值模型的典型节点如图9所示。图10-13显示了三种频繁和罕见地震作用下的层间位移和层间位移比。由于刚度比相邻两层大很多，层间位移比在加强层显著下降从而产生薄弱层。

图9.模型的典型节点

（a）X方向上的SHW3

（b）Y方向上的SHW3

（d）CHY004

（c）ATS000-090

图10常见地震下典型节点的位移

（d）CHY004

（c）ATS000-090

（b）Y方向上的SHW3

（a）X方向上的SHW3

图10频繁地震下的层间位移比

（b）Y方向上的SHW3

（d）CHY004

（c）ATS000-090

（a）X方向上的SHW3

图10罕见地震下的典型节点的位移

（a）X方向上的SHW3

（d）CHY004

（c）ATS000-090

（b）Y方向上的SHW3

图10罕见地震下的层间位移比

表3。最大位移和层间位移比。

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