異形截面巨型柱框架結構抗震研究與應用

曹萬林，武海鵬，董宏英，張建偉

（北京工業大學建筑工程學院，北京100124）

我國已成為世界上高層和超高層建筑發展最快的國家。目前，已建成的世界十大高樓中，我國占據5座，已建成的世界14座超過400 m高樓中，我國占據了8座；在建的世界18座超過400 m高樓中，我國占據了11座；還有近60座超過400 m高樓正在規劃籌備中，其中90%以上在中國。超高層建筑結構中，抗側力體系設計是關鍵技術問題，隨著建筑高度的不斷增加，抗側力體系不斷發展，60年代末產生的巨型結構適應了超高層建筑發展趨勢和特點，而巨型框架結構體系在21世紀得到了快速發展，越來越多的500 m級、600 m級超高層建筑采用該體系。因此，進行巨型框架結構體系的研究具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 巨型結構與巨型框架結構

巨型結構的概念產生于上世紀60年代末，它是一種新型結構體系，由不同于通常梁柱概念的大型構件-巨型梁和巨型柱組成的主結構與常規結構構件組成的次結構共同工作的一種結構體系，按其受力體系可分為巨型框架結構、巨型桁架結構、巨型懸掛結構和巨型分離式筒體結構；按其材料可分為巨型鋼結構、巨型鋼筋混凝土結構、巨型鋼骨鋼筋混凝土結構及巨型鋼-混凝土混合結構［1］。

巨型框架結構體系是巨型結構中應用最多的結構形式［2］，它由作為主結構的巨型框架和作為次結構的樓層框架組成。巨型框架結構的巨型柱尺寸很大，有時可超過普通框架柱距的一倍，其形式上可以是實腹鋼筋混凝土柱、鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土組合柱、空間格構式桁架或筒體，通常布置在結構的四角和周邊。巨型框架的巨型梁，較多的采用高度為一層至幾層高的混凝土大梁或平面（空間）格構式桁架，通常每隔3～15層設置一道。巨型框架結構中主結構為主要抗側力體系，次結構只起輔助作用和大震下的抗震耗能作用，并將承擔的樓面荷載傳遞給主結構。巨型框架結構中也可設置支撐，形成巨型框架支撐結構。

巨型框架結構體系主次結構受力明確，布置靈活，可滿足特殊的建筑形式和建筑功能要求。其最顯著的優點是可以滿足大開洞的建筑功能要求，在巨型框架的下部若干層高度范圍內，可以按需要設置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。如日本的NEC大樓［3］是典型的巨型框架結構，從底層到13層設置內部大庭院，從13層到15層設置一個橫穿整個房屋的大開口，見圖1。

圖1 日本NEC大樓巨型框架結構Fig.1 Mega-frame structure of NEC Building in Japan

我國正在建設和已建成的代表性高樓大多采用了巨型柱框架結構體系。目前，我國正在建設三座主體結構高度近600 m的超高層建筑，包括深圳平安金融中心、上海中心大廈、天津117大廈，以及8度區建筑高度528 m的北京Z15大廈，它們均采用了巨型框架-核心筒結構作為抗側力體系，見圖2。

圖2 我國在建巨型框架結構超高層建筑Fig.2 Super high-rise building with mega-frame structure under construction

深圳平安金融中心［4-5］位于深圳市福田中心區，是一幢以甲級寫字樓為主的綜合性大型超高層建筑，總用地面積1.9萬m2，總建筑面積46萬m2，塔樓地上118層，塔尖高度660 m，結構高度597 m。塔樓結構采用了巨型鋼斜撐外框架+勁性鋼筋混凝土核心筒+伸臂鋼桁架+空間帶狀桁架+角部V形撐體系，其中勁性鋼筋混凝土核心筒、巨型鋼斜撐外框架、伸臂桁架構成了塔樓結構的抗側力體系。外框結構主要由8根巨柱、7 道空間帶狀桁架、7 道平面角桁架、巨型鋼斜撐和角部V 形撐及各層由帶狀桁架分層支托的框架柱梁組成。采用的8根型鋼混凝土巨型柱截面近似為矩形，底部截面尺寸約為6.5×3.2 m，頂部逐漸縮小至2.0×2.0 m，底部截面見圖3（a）；巨型柱的鋼材強度等級為Q345，鋼板厚度為50～75 mm，含鋼率由底部的8%減至頂部的4%，其內部混凝土強度等級由底部C70漸變至頂部C50。

上海中心大廈［6-7］位于上海市浦東新區，也是一座以寫字樓為主的綜合性大型超高層建筑，包括商業、酒店、觀光娛樂、會議中心和交易等五大功能區域。塔樓地上124層，建筑高度632 m，結構高度580 m，地上總面積38萬m2，地下總面積14萬m2。塔樓結構為巨型框架-核心筒-伸臂桁架鋼-混凝土混合結構體系。巨型框架由8根巨柱、4根角柱、6道外伸臂桁架和8道兩層高空間環帶桁架相連而成。其巨型柱為型鋼混凝土柱，8根巨柱底部截面尺寸為5.3×3.7 m，頂部截面尺寸為2.4×1.9 m，底部截面見圖3（b）；4根角柱底部平面尺寸為5.5×2.4 m，頂部平面尺寸為4.5×1.2 m。巨型柱的混凝土強度等級由底部C70漸變至頂部C50。

圖3 巨型柱底部截面圖Fig.3 Bottom cross-sections of mega-columns

天津117大廈［8］位于天津市濱海高新區中央商務區，是一座以甲級寫字樓為主，并附有六星級豪華商務酒店及相關設施的大型超高層建筑。其建筑高度597 m，結構高度584 m，總建筑面積約37萬m2，地下3層、地上117層，是7度（0.15 g）以上地震區全球最高建筑。該建筑采用巨型框架-核心筒結構作為主要抗側力體系，巨型框架的主框架包括巨型桁架梁、巨型支撐和異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱。巨型支撐的最底層為人字撐，上部均為交叉撐，這種設計在滿足建筑設計要求的同時最大程度的提高了結構整體抗側剛度；4根多腔體鋼管混凝土巨型柱位于建筑的四角，其截面尺寸在建筑底部最大，截面形狀為六邊形，截面外包尺寸為11.2 m×5.2 m，橫截面面積達45 m2，沿高度向上逐漸減小，底部截面見圖3（c）。

北京Z15大廈［9］位于北京朝陽區CBD核心區，是一棟集甲級寫字樓、高端商業及觀光等功能于一身的混合建筑方案。其建筑高度528 m，地下7 層，地上108 層，地上總建筑面積35 萬m2，地下建筑面積約8.7萬m2。該建筑同樣采用周邊框筒-核心筒作為主要抗側力體系，其中巨型柱、巨型斜撐、轉換桁架組成了周邊巨型框架筒體結構。底部巨型層采用了4 根位于角部的多腔體鋼管混凝土巨型柱，截面與天津117大廈巨型柱類似，第二巨型層開始每根巨型柱分叉成兩根巨型柱，分叉后的8根巨型柱為矩形截面，底部巨型柱最大截面面積為60.8 m2，含鋼率為4.6%，混凝土強度等級為C70，截面見圖3（d）。

因此，研究異形截面巨型柱框架結構，特別是異形截面巨型柱的抗震理論與方法，已成為重大工程亟需。

2 研究現狀與分析

異形截面鋼-混凝土組合柱滿足了建筑平面設計的需求，近年得到了較快的發展。異形截面鋼-混凝土組合柱，是為從截面形狀上區分圓形、方形、矩形截面組合柱以及由它們嵌套形成的中空夾層鋼-混凝土柱而提出的（中空夾層鋼管混凝土柱外形仍是圓形、方形或矩形），主要包括異形截面鋼管混凝土柱和異形截面型鋼混凝土柱，異形截面鋼管混凝土柱、異形截面型鋼混凝土柱又有不同的組合型式。

2.1 異形截面鋼管混凝土柱

鋼管混凝土充分利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互組合作用，充分發揮兩種材料的優點，即不僅使混凝土的塑性和韌性性能大幅提高，而且可以避免或延緩鋼管發生局部屈曲，從而使鋼管混凝土具有承載力高、塑性韌性好、經濟效果好、施工方便等優點。國內對圓形、方形混凝土進行了較多的研究，并出版了一系列的規范標準，但有時因建筑設計需要，出現了異形截面鋼管混凝土，現行的規范標準不能很好的適用于該類鋼管混凝土，為此學者進行了一定的研究。

異形截面柱鋼管混凝土，其截面形狀由圓形、方形、矩形、三角形拼合而成，其中的幾種異形截面如圖4所示。圖4（a）～（c）所示的L形、T形、十字形截面多腔鋼管混凝土柱，其截面均由方形和矩形拼合而成，國內外已有異形截面鋼管混凝土柱的研究，主要針對這3種截面開展的；圖4（d）所示的六邊形截面多腔鋼管混凝土柱，其截面外形由三角形、四邊形和五邊形拼合而成，天津117 大廈采用了這種截面形式的巨型柱，北京Z15大廈底部巨型層也采用了類似截面形狀的巨型柱。圖4（e）所示的五邊形截面多腔鋼管混凝土柱，其截面由四邊形拼合而成，大連國貿中心大廈采用了這種截面形式的巨型柱。圖4（f）所示的乒乓球拍形截面多腔鋼管混凝土柱，其截面外形由圓形和矩形拼合而成，北京財富中心三期辦公樓采用了這種截面形式的多腔鋼管混凝土柱。

1）T、L、十字形鋼管混凝土柱。其主要包括普通T、L、十字形鋼管混凝土柱、帶約束拉桿的T、L、十字形鋼管混凝土柱、帶綴板的T、L、十字形鋼管混凝土組合柱和由矩形（方形）鋼管組合焊接而成的T、L、十字形鋼管混凝土組合柱。呂西林等對6根L形截面、6根T形截面的普通鋼管混凝土柱進行了低周反復荷載試驗研究，考慮了軸壓比、鋼管壁厚、內填混凝土強度對其承載力和延性的影響［10］，并進一步對抗震模型與理論進行了深化研究［11］；林震宇等對7根L形鋼管混凝土柱進行了抗震性能試驗研究，其截面分為加勁和不加勁兩種，分析了它們的滯回性能，研究表明，內部加勁肋能夠明顯延緩柱鋼板的屈服［12］；左志亮、蔡健等對帶約束拉桿的T形、L形、十字形鋼管混凝土柱進行了系統的試驗及理論研究，推導了承載力計算公式，建立了混凝土等效單軸本構關系，研究表明，約束拉桿的設置延緩了鋼管局部屈曲，有助于提高鋼管混凝土柱的承載力［13-14］；陳志華等對帶綴板T形、L形、十字形形方鋼管混凝土組合柱進行了較多的研究并進行了理論分析，研究表明，其短柱最終破壞形式為強度破壞，長柱的最終破壞形式為單肢首先失穩后導致整體失穩破壞，該類組合柱受力性能良好［15-17］；杜國鋒、徐禮華等進行了矩形（方形）鋼管組合焊接T形截面鋼管混凝土短柱軸壓性能和抗剪性能試驗研究，研究表明，鋼管混凝土短柱的兩個組成部分能很好地協同工作，力學性能較好［18-19］；曾宇光、屠永清對多室式T形截面鋼管混凝土柱壓彎性能進行了研究，研究表明，該類柱具有良好的壓彎性能［20］。

2）異形多邊形鋼管混凝土柱。除本文課題組的相關研究外，國內外已有的相關文獻未見對該類特定工程中的異形多邊形鋼管混凝土柱的研究。筆者進行了12個六邊形多腔鋼管混凝土巨型柱、10個五邊形多腔鋼管混凝土巨型柱以及6個乒乓球拍截面多腔鋼管混凝土柱模型試件的低周反復荷載試驗研究，考慮了軸壓比、剪跨比、分腔構造、腔體內配筋、底部加強構造措施等因素對試件抗震性能的影響；6個六邊形多腔鋼管混凝土巨型柱、6個五邊形多腔鋼管混凝土巨型柱模型試件的受壓性能試驗研究，考慮了分腔構造、混凝土強度等級、腔體內配筋、受力形式等因素對試件受壓性能的影響；研究表明，合理設計的該類異形多邊形鋼管混凝土巨型柱可較好的用于工程設計［21-24］。部分試件截面設計圖、試驗現場照片及“荷載-位移”曲線見圖5。

圖4 異形截面鋼管混凝土組合柱Fig.4 Special-shaped CFST columns

圖5 試件設計、試驗現場及“荷載-位移”曲線Fig.5 Specimen design，test scene and‘load-displacement’curves

2.2 異形截面型鋼混凝土柱

型鋼混凝土柱是鋼-混凝土組合柱的主要形式之一，具有承載力高、剛度大及抗震性能好的優點；異形截面型鋼混凝土柱能夠避免室內房間柱楞凸出，把建筑美觀和使用靈活性有機結合起來，具有廣泛的應用前景，學者進行了一定的研究。

圖6 異形截面鋼骨混凝土異形柱低周反復荷載試驗Fig.6 Test on special-shaped SRC columns under low cyclic load

陳宗平、薛建陽、趙鴻鐵等對L形和T形截面型鋼混凝土柱進行了較系統的試驗研究，并進行了承載力模型和恢復力模型等方面理論研究［25-26］；李哲、秦浩等對L形和T形截面型鋼混凝土柱進行了試驗研究，考慮了剪跨比、軸壓比、體積配箍率及配骨率等參數對其抗剪承載力和位移延性的影響，研究表明，配置鋼骨可顯著提高其抗剪承載力和延性，該類型鋼混凝土柱可應用于地震區高層建筑［27-28］；秦嶺對鋼骨混凝土不對稱十字形截面柱正截面承載力進行了試驗研究并進行了理論分析，研究表明，與普通鋼筋混凝土異形截面柱相比，其極限承載力明顯提高［29］。已有異形截面型鋼混凝土組合柱抗震研究，主要涉及L形、T形和十字形截面。

筆者課題組對乒乓球拍截面型鋼混凝土異形截面柱進行了試驗研究和理論分析［30-32］，部分試件的設計圖、加載裝置示意圖、破壞形態、滯回曲線見圖6，研究表明，該類異形截面柱經合理抗震設計后，仍可具有良好的抗震性能，其中截面形式、鋼骨和鋼筋的配置是主要影響因素。

2.3 異形截面巨型柱框架結構

異形截面巨型柱框架是一種高效的抗側力結構體系，有關其抗震性能的研究主要包括整體模型的模擬地震振動臺試驗、彈塑性有限元動力時程分析及其子結構模型的低周反復荷載試驗等。針對高層建筑，特別是近年來出現的500 m級、600 m級甚至更高的超高層建筑，學者進行了較多的研究。

在試驗研究方面，蔣歡軍等完成了上海中心大廈結構模型振動臺試驗研究［7］；鄒昀、呂西林等進行了上海環球金融中心結構模型等模擬地震振動臺試驗研究與分析［33］；何國松、方鄂華進行了鋼筋混凝土巨型框架節點性能試驗研究［34］；惠卓進行了巨型框架結構的抗震性能試驗和理論分析［35］；張宇峰等進行了巨型框架結構的振動臺試驗研究［36］；Lan Zongjian等對巨型框架結構的耗能減震性能進行了試驗研究［37］。

筆者課題組對六邊形多腔鋼管混凝土巨型框架結構模型進行了低周反復荷載試驗研究［38］，試件設計圖、實驗現場照片、破壞形態及“荷載-位移”曲線見圖7，研究表明，該異形截面多腔鋼管混凝土巨型框架結構，實現了支撐作為第一道防線首先屈服，之后巨型框架的桁架梁端上下弦桿屈服的“強柱、弱梁”延性屈服機制，工作性能較為穩定，具有良好的抗震耗能性能。

圖7 巨型框架結構抗震性能試驗Fig.7 Mega-frame structure anti-seismic test

在理論研究方面，Takayuki等對日本千葉縣NEC大廈巨型框架結構體系的抗震設計方法進行了研究［39］；藍宗建等對鋼筋混凝土巨型框架結構的多功能減震作用進行了地震反應分析［40］；鄒宏德等采用能量方法對鋼筋混凝土巨型框架多功能減震結構地震反應進行了分析［41］；龔耀清等進行了巨型框架-核心筒結構體系三維半解析分析模型研究，并對其共振相應進行了分析［42］；沈霄鶴等研究了巨型鋼框架結構的失效模式［43］；常磊等對巨型框架組合結構三維彈塑性地震反應進行了分析［44］；徐國林、張令心研究了巨型鋼框架結構的三維非線性分析模型［45］；鄧雪松等分析了巨型框架-耗能支撐結構的減震性能［46］；朱芳振等研究了巨型框架-支撐結構的非線性地震反應［47］；淦克麗等進行了巨型框架減振結構的動力時程分析［48］；蘇健等對雙伸臂巨型結構整體穩定性進行了分析［49］；張文元等對若干典型巨型鋼框架結構的罕遇地震反應進行了理論研究，并對空間受力巨型鋼柱滯回性能的影響因素進行了分析［50-51］。

3 結論與展望

“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”結構體系是一種受力性能優越的高效抗震體系；異形截面巨型柱框架結構，具有良好的抗震性能，但隨著建筑高度的不斷增加，對其受力性能也提出了更高的要求。筆者認為尚有以下問題有待深入研究與完善：①異形截面巨型柱截面形式多樣，目前的研究限于T、L、十字截面形狀或特定工程中的截面形狀及構造研究，對于廣泛截面形狀及構造的巨型柱在不同工況下的性能研究仍有待深入；②異形截面巨型柱的理論計算方法仍需結合更多的模型試驗深化研究；③異形截面巨型柱框架結構的性能和優化設計有待結合試驗與理論方法深化研究。

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