带摩擦剪切耗能节点的高层建筑斜交网格结构体系抗震性能研究

黄泰赟, 边建烽, 李兆凡, 符景明, 程晓艳, 翁沉卉, 祝志华

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

1 工程概况

树根互联全国总部&三一集团华南总部位于广东省广州市海珠区琶洲西区,是由两栋双子塔超高层办公楼和空中连接体组成的综合体,建筑效果见图1。其中树根互联全国总部(125地块)地上建筑面积约为7.7万m2,地下室共4层,为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。建筑层数37层,建筑屋面标高181.5m,塔冠标高204m;三一集团华南总部(126地块)地上建筑面积约为7.3万m2,建筑层数34层,建筑屋面标高159m,塔冠标高181.5m。两塔楼之间在3～4层采用65m跨的沃伦桁架形成的空中连接体连通。建筑剖面图见图2。

图1 建筑效果图

图2 建筑剖面图

2 结构体系

由于两塔楼的造型相同,本文主要介绍树根互联全国总部(125地块)。塔楼的建筑平面为带有切角的正方形,首层层高14m,2～3层层高均为5m,4层及以上层高为4.5m。塔楼的外框采用外露六边形斜交网格钢管混凝土框架,嵌固在地下一层,由地下一层开始往核心筒方向倾斜11°至4层,在4层形成收腰后,再往外框方向倾斜11°至9层,9层以上钢管混凝土面内倾斜12°形成六边形外框网格。主塔楼核心筒居中布置于各个标准层平面,核心筒高宽比约7.8,筒体外壁厚度从下至上由0.8m变化至0.4m。外框柱采用钢管混凝土柱,柱距约16m,与核心筒距离约14m,柱截面由底部φ1 200×30变化为顶部φ1 100×18。外框柱以核心筒为中心呈双向对称布置。外框结构在5层以下均有框架梁和楼板将核心筒与框架柱相连,5层以上以每5层塔楼为一个单元,每个单元只有最上方的节点层有框架梁和楼板将外框结构与核心筒连接。节点层以下4层楼盖结构由上至下逐层向内退缩,通过吊柱的形式吊挂在节点层的梁上,将竖向荷载传到主结构上。图3～4为结构抗侧力体系的基本组成示意图和结构悬挂钢框架子结构示意图。典型的结构平面图见图5,结构设计的基本参数信息见表1[1]。

表1 结构设计基本参数

图3 抗侧力体系

图4 悬挂钢框架子结构示意图

图5 典型结构平面图

由于塔楼外框结构作为建筑表达“树根有力向上生长”概念的载体,采用了六边形斜交网格钢管混凝土外框,与钢筋混凝土核心筒共同组成结构体系。主塔楼的风荷载和地震作用产生的剪力和倾覆力矩,由外框架与核心筒组成的抗侧力体系共同承担。外框底部的地震剪力占比约为20%～30%,地震剪力主要由核心筒承担,倾覆力矩由外框架与核心筒共同承担,受力符合框架-核心筒结构体系的特点。六边形斜交网格的短边形成钢连梁,建筑的表达形式是马鞍形节点,如图6所示。由于本项目采用外露钢结构,为达到结构成就建筑之美的目标,结构巧妙地利用外框短连梁的受力特点和马鞍形节点的外形,将节点设计成摩擦剪切耗能构件,在中大震下利用轴压力产生的滑动摩擦力进行耗能,为塔楼外框柱提供更多的延性。

图6 马鞍形节点效果图

为表现建筑空间的悬浮感,同时也为了结构传力体系更简洁明确,标准层采用了悬挂钢框架子单元作为结构的重力受力系统。此悬挂结构传力明确,充分发挥钢材高强的抗拉力学性能,采用较小截面的吊柱即可满足受力要求,同时还可以实现建筑方案呈现的悬浮感。吊柱的顶部与节点层的梁采用刚接连接,且吊柱的连接尽量靠近梁端,以减小吊柱引起的梁跨中弯矩。节点层的梁按考虑楼板的刚度折减后的拉(压)弯构件进行设计,端部采用日字形截面的钢梁。斜吊柱与吊挂的楼层梁采用铰接连接。连接节点构造大样见图7和图8[2-4]。

图7 节点层径向梁与吊柱连接典型节点构造

图8 吊柱与楼面梁连接典型节点构造

3 结构抗震性能目标

根据本项目结构体系的情况,对结构构件分类及抗震设防目标设定见表2、3[5-6]。

表2 关键构件的抗震性能目标

表3 普通竖向构件和耗能构件的抗震性能目标

4 摩擦剪切耗能节点的设计

图9为典型马鞍形摩擦剪切耗能节点的构造设计图。图10为摩擦剪切耗能节点构造三维分解图。马鞍形节点本质上是一个以摩擦剪切耗能为基础的连接,通过在两臂端部的钢板设置槽形长圆孔和中间粘贴摩擦材料的钢板设置标准孔形成可滑动的摩擦连接,使外框马鞍形钢连梁在抗震设计中通过剪切塑性铰提供相应的延性[7-8]。

图10 摩擦剪切耗能节点构造三维分解图

摩擦剪切耗能节点采用史狄尔摩擦材料。图11为摩擦剪切耗能节点中间摩擦连接构造原理图和测试滞回曲线。经过试验研究,节点综合考虑主要和次要滑动平面的稳定有效摩擦系数为0.46。节点采用的ASTEM A490 M36螺栓能提供足够的预紧力,保证该节点在结构正常使用阶段和多遇地震作用下均不发生滑动,只有在达到80%的设防烈度地震剪力时,该连接节点开始出现滑动,与核心筒混凝土连梁共同参与设防地震和罕遇地震下的耗能。

图11 摩擦剪切耗能节点构造原理图和测试滞回曲线

图12为马鞍形摩擦剪切耗能节点滑动机制剪切变形和剪切塑性铰曲线。其中,节点钢板的长圆孔的尺寸对应于两倍罕遇地震下的最大层间位移角限值(1/100)螺栓的滑动距离。当螺栓滑动至长圆孔端部前,摩擦节点的材料不允许出现屈服,当滑移到长圆孔端部后,摩擦节点便作为一个刚性连接连梁工作,且变形不超过LS限值。而核心筒混凝土连梁在罕遇地震下允许屈服,但其塑性转角的限值不超CP限值。这样实现了外框摩擦剪切节点和核心筒混凝土连梁共同抗震耗能的目标。表4为连梁在抗震性能设计对应的限值要求[9-10]。图12(b)中A点为原点,B点为螺栓开始滑动摩擦,C点为螺栓触到栓孔端部,D点为螺栓、钢板均屈服,E点为螺栓失效,F～G段为强度显著退化。

表4 连梁在罕遇地震下的塑性转角限值

图12 摩擦剪切耗能节点滑动机制的剪切变形和剪切塑性铰曲线

5 摩擦剪切耗能节点布置的结构方案比选

由于外框六边形斜交网格的短边形成的外框梁跨度只有3.2m,在地震作用下因外框斜柱的倾覆产生剪切变形明显,符合连梁的受力特征。因此,本项目抗震设计的特点是利用外露钢结构的斜交网格中的马鞍形节点,设计成摩擦剪切耗能的连梁,提高外框结构的延性,通过“释放”的方式替代剪切变形引起的材料屈服。节点层马鞍形节点两种平面布置方式如图13所示。为了进一步分析摩擦材料对塔楼结构抗震性能的影响,设置了三种不同布置方案进行对比:方案一为无摩擦节点;方案二为14、19层设置20个中部节点;方案三为14、19、24、29、34、39层设置72个节点。

图13 马鞍形节点平面布置示意图

采用ETABS软件用7组地震波分别对三种方案进行大震弹塑性时程分析对比。经计算本塔楼在不设摩擦耗能节点的情况下,大震弹塑性和大震弹性的底部剪力的比值大约在55%～90%的范围内,非线性能量耗散约占总耗能的10%～25%,塔楼在大震下整体处于轻度到中度非线性状态。设置摩擦剪切耗能节点,通过释放一定剪切变形,参与塔楼结构的耗能,将起到减轻外框负担、保护其他主体结构构件的作用。

以其中一条地震波的结果为例,图14为方案三中摩擦剪切耗能节点的螺栓滑动情况与外框柱损伤状态。由图14可知大部分节点内的螺栓开始滑动,而外框斜柱均为无损伤状态,即基本保持弹性,节点平均滑移距离最大的楼层分布在14～24层之间,但摩擦剪切耗能节点的剪切变形没有达到破坏限值,可以满足大震性能目标。根据以上结果,中部楼层平面中部的节点滑动量相对较大,能更有效地发挥摩擦节点的耗能作用,因此方案二选择在14、19层平面的中间节点设置摩擦剪切耗能节点。图15为方案二摩擦剪切耗能节点滞回曲线,由图15可知螺栓发生的最大滑移约为35mm,未超过螺栓最大可滑移距离68mm,能够保证螺栓有大震下有效滑动耗能。

表5为罕遇地震下塔楼结构弹塑性底部剪力和非线性滞回耗能总量,图16为非线性滞回耗能比例。结果表明,三个方案的结构总底部剪力差异不大,但方案二和方案三中结构通过摩擦滑移和材料屈服形成的塑性铰共同耗能,其非线性滞回耗能相较于完全依靠混凝土连梁材料屈服耗能的方案一,分别提高了21%和47%,其中混凝土连梁的耗能占非线性滞回耗能的比例分别减少了24%和44%。

表5 塔楼结构弹塑性底部剪力和非线性滞回耗能

图16 非线性滞回耗能比例

图17给出了不同方案下的核心筒连梁损伤状态,可以看出,不布置摩擦剪切耗能节点的方案一核心筒混凝土连梁有59%处于IO状态,有41%处于CP状态,方案二和方案三布置摩擦剪切节点后,分别有85%及87%的混凝土连梁处于IO状态,无需修理即可投入使用,而仅有15%及13%的连梁处于LS状态。通过结构非线性滞回耗能对比以及核心筒混凝土连梁的损伤状态对比,说明摩擦剪切耗能节点可以有效提高结构的非线性耗能,从而降低混凝土连梁的损伤程度。

图17 核心筒混凝土连梁损伤状态统计

表6对比了三个方案下结构14层外框钢管混凝土柱的内力,与方案一相比,方案二及方案三的外框柱轴力及主弯矩分别减小了15%～45%及18%～52%,特别是柱弯矩有较明显的降低,可知摩擦剪切耗能节点在大震作用下对外框柱有一定“卸载”作用,有效保护了外框柱,同时方案二和方案三外框柱的内力相近,可知在关键的楼层位置设置摩擦剪切耗能节点更能发挥其耗能作用。

图18为方案二外框柱、径向梁以及环向框架梁在罕遇地震下的塑性铰分布和损伤状态,表明在中部关键楼层设置摩擦剪切耗能节点后,外框柱、径向梁和环向框架梁均可实现大震弹性的性能目标。

图18 方案二外框塑性铰分布及损伤状态

综上,摩擦剪切耗能节点利用摩擦力进行滞回耗能,增加了结构的耗能途径,结构设置摩擦剪切耗能节点后,核心筒绝大部分混凝土连梁在大震作用后无需修理即可继续使用,大大保护了混凝土连梁。同时利用节点可滑动的特性,起到保护外框的作用,外框在大震作用下均能实现弹性的性能目标。

由于连接吊挂钢结构的径向梁与核心筒连梁相连,减小连梁的损伤程度十分重要。同时外露钢结构作为建筑外立面的重要载体,应实现在地震作用下,外框柱均不出现材料屈服损伤,保持弹性。设置摩擦剪切耗能节点,通过摩擦滑移的方式有效地增加结构的耗能,减少其他结构构件材料屈服的程度和数量,起到结构保险丝的作用,其意义重大,在高烈度下将更加显著地发挥保护主体结构的作用。图19及图20为方案二的摩擦剪切耗能节点实物安装图与项目施工过程实景图。对于本项目,方案二和方案三均可以实现结构预设的抗震性能目标,但是设置摩擦耗能材料的马鞍形节点施工安装难度大,且相对于无摩擦材料的焊接连接的马鞍形节点造价高约3万元。方案二数量上仅为方案三的27.8%,造价上节约156万元,方案二的滞回耗能为方案三的82.3%,综合评判后选择方案二作为实施方案。

图19 马鞍形摩擦剪切耗能节点实物安装图

图20 项目实景图

6 结语

结合建筑外露钢结构马鞍形节点,结构创新性地将摩擦材料运用到剪切效应明显的斜交网格外框节点中,利用螺栓在长圆孔中的滑动机制,形成动摩擦剪切滑动耗能效果,与混凝土连梁共同参与地震作用下能量耗散,保障了结构外框柱二道抗震设防延性的冗余度。通过分析对比摩擦剪切耗能节点位置设置的三种方式,研究分析摩擦剪切耗能节点的滑动情况、塔楼结构在设防地震及罕遇地震下耗能的影响、核心筒混凝土连梁的损伤情况以及外框柱内力情况,本项目通过设置有限数量的摩擦剪切耗能节点可实现预期的抗震性能目标。