外包钢板与钢管混凝土空实剪力墙在某超高层结构中的应用

外包钢板与钢管混凝土空实剪力墙在某超高层结构中的应用余银银;王仕琪
【摘要】某超高层建筑物因地质情况及基础施工问题,为满足基础承载力的要求,需要减轻结构的自重,同时确保结构的刚度和承载力.故在此超高层建筑的48～54层采用外包钢板与钢管混凝土空实组合剪力墙.通过理论计算分析及具体实例表明,空实组合剪力墙能较好利用钢板的良好的抗剪性能、出色的延性以及钢管对混凝土的套箍作用等优点,使钢材与混凝土相互结合,充分发挥混凝土的抗压性能、钢板及钢管的抗剪性能,大幅度提高剪力墙的延性并同时减小墙厚、减轻墙体自重.此技术可通过模数化的子荷载腔满足不同的承载力要求,亦可应用于装配式建筑.
【期刊名称】《广东土木与建筑》
【年(卷),期】2018(025)001
【总页数】4页(P32-35)
【关键词】组合剪力墙;钢管混凝土;超高层
【作者】余银银;王仕琪
【作者单位】广东省建筑设计研究院广州 510010;广东省建筑设计研究院广州510010
【正文语种】中文
【中图分类】TU97
1 项目概况
本工程为大底盘多塔楼建筑,地块面积23 419 m2,项目总建筑面积42万 m2,共4层地下室,由3个塔楼和1个6层裙楼组成。

其工程抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类。

根据GB 50223-2008《建筑抗震设防分类标准》,本工程的抗震设防类别为：1～5层裙房和地下1层为乙类,按8度采取抗震构造措施；-4～-2层、塔楼为丙类,按7度采取抗震构造措施,抗震性能目标为C级,竖向构件要求中震下抗剪弹性,抗弯不屈服,罕遇地震下抗剪抗弯不屈服［1-2］。

其中,南塔54层高282.8 m,因地质情况及基础施工问题,为满足基础承载力的要求,需要减轻结构的自重,同时确保结构的刚度和承载力,故在结构的48～54层采用外包钢板与钢管混凝土空实剪力墙（下称空实组合剪力墙）,既满足超高层结构对剪力墙竖向及抗剪的承载力的要求,又减少墙厚、减轻墙重,减少剪力墙的混凝土用量,使结构具有更良好的抗震性能［3］。

2 空实组合剪力墙的结构形式
高层建筑中,剪力墙随着楼层加高,为满足承载力的需求,其厚度、标号也随着提高,当混凝土的标号超过C60时,墙体的延性变差,混凝土开裂情况明显,而加厚剪力墙则加大了混凝自重,同时也加大结构的水平剪力。

本工程南塔在48～54层采用空实组合剪力墙。

通过型钢对混凝土的套箍作用提高内灌混凝土的抗压强度,通过内灌混凝土增加钢板及钢管的稳定性,使钢材与混凝土相互结合从而充分发挥混凝土的抗压性能、钢材的抗剪性能,大大提高剪力墙的延性并减少墙厚、减轻墙体自重［4］。

该工程通过48～54层采用空实组合剪力墙,底部剪力墙厚度从1 400 mm 减小到1 000 mm,增加使用面积600多m2,更好满足建筑空间需要的同时创造了较大的经济价值。

该工程空实组合剪力墙通过在剪力墙的角部及梁伸入处成排布置内灌混凝土方钢管柱,相邻方钢管柱之间拉结钢板,在两块钢板间形成的空腔设置加强肋板将空腔划分
成若干荷载腔构成主受力构件［5-7］（如图1～2）,通过型钢的内灌混凝土增强剪力墙墙身面外刚度、增加剪力墙墙身的稳定性并共同参与抗剪,而荷载腔中根据楼层受力需求设置间隔浇筑混凝土可以进一步减轻剪力墙自重,降低混凝土用量,节约基础成本。

图1 空实组合剪力墙Fig.1 Empty solid composite shear wall
图2 组合墙标准构件Fig.2 The standard component of combination wall
该工程的核心筒剪力墙作为建筑物主要的竖向构件,承担结构主要的竖向荷载及水平荷载,依概念设计要求,需要保证其刚度均匀变化,以免上部结构刚度减少过快、变形过分集中,从而激化结构高振型反应及边鞘效应。

该工程-4～47层为一般的钢筋混凝土核心筒, 48～54层采用混凝土与钢材的组合剪力墙,竖向刚度发生较大的突变。

为解决此刚度突变及剪力突变,在46～47层设置混凝土墙到钢板墙的过渡层（图3）,同时在48层设置钢圈梁（图4）,用以增强钢板墙的整体性,有效传递水平力。

图3 47层核心筒过渡做法Fig.3 The 47-story core barrel transition
3 空实组合剪力墙及普通剪力墙的计算分析对比
本工程抗震性能目标为C级,要求竖向关键构件中震下抗剪弹性、抗弯不屈服,罕遇地震下抗剪抗弯不屈服。

对此采用GSSAP及ETABS软件对建筑物进行整体计算,结果显示核心筒剪力墙满足中震抗剪弹性和抗弯不屈服的受力要求,而PERFROM-3D的罕遇地震下的弹塑性时程分析结果显示,核心筒剪力墙满足大震不屈服的抗震性能目标（图5）。

用GSSAP对工程分别采用空实组合墙及普通剪力墙结构进行整体计算分析对比,其结构质量减少3943.9 t,刚度增大,周期变短,各楼层剪力减少,其具体数值及变化趋势见表1及图6。

采用ABAQUS大型非线性有限元分析软件模拟空实组合剪力墙在竖向荷载和地震
作用下的受力和变形情况,其受力情况见图7。

空实组合墙的整体对比计算及有限元计算分析小结：
图4 48层组合墙立面示意图Fig.4 The 48-story composite wall facade
图5 剪力墙的损伤状态Fig.5 The damage state of shear wall
表1 结构质量和周期对比Table 1 Comparison of structure quality and cycle 普通剪力墙空实组合剪力墙空实组合剪力墙kN 2619647 2580208 -1.5%第1周期普通剪力墙-1质量s 7.157 6.887 -3.8%第2周期s 6.619 6.371 -3.7%第3周期s 3.137 3.099 -1.2%
图6 上部采用混凝土剪力墙及空实钢板墙的楼层剪力对比Fig.6 Floor shear contrast of concrete shear wall and hollow steel wall
⑴ 空实组合剪力墙比普通剪力墙的的总质量减小约1.5%,平动周期减少约3.8%,自重减小,刚度增大。

⑵ 在地震作用和风荷载下,两者的楼层剪力、层间位移角较为接近。

空实组合剪力墙比普通剪力墙的重量轻,抗震更为有利,从结构楼层剪力对比可知,空实剪力墙比普通剪力墙的楼层剪力减小约为2%。

⑶ 根据ABAQUS分析结果,在“1.2恒+0.6活±1.3中震”不利工况下,空实剪力墙最大MISES应力为197 Nmm2,最大剪应力为59.6 Nmm2,均小于Q345钢材的强度设计值。

4 空实组合剪力墙的优点
图7 ABAQUS计算结果Fig.7 The calculation results of ABAQUS
通过理论计算及实际工程应用比对,空实组合剪力墙与混凝土剪力墙及一般钢板混凝土相比,具有如下优点：
⑴ 内灌注混凝土的方钢管成排布置,相邻方钢管间拉结钢板,在两块钢板间形成的空腔中设置加强肋板,灌注或者局部灌注混凝土,对增强剪力墙墙身面外刚度、增加剪
力墙墙身的稳定性起到很好的作用。

⑵ 型钢与混凝土相互结合,相互促进,具有较高的承载力及初始抗侧刚度。

⑶ 利用型钢对混凝土的套箍作用,提高混凝土抗压强度,同时两者共同参与抗剪,大大提高构件的抗剪承载力,并可有效利用钢材的塑形发展来继续承担水平荷载,发挥耗能能力,抗震性能提升。

⑷ 混凝土外包钢材可改善其延性,混凝土三向受压不易开裂,可用C100以下的混凝土。

⑸ 两块钢管钢板之间荷载腔可灌注、不灌注或局部灌注混凝土,大大减小了混凝土的用量,减轻结构自重,减少地震作用,有利于基础设计,提高了结构安全性。

⑹ 可有效减小墙厚,获得更大的楼层使用空间,更灵活进行建筑布置。

⑺ 不用做模板（木模或钢模）,直接采用型钢作为施工模板,施工速度快,时间经济效益明显。

5 空实组合剪力墙进一步应用的建议
空实组合剪力墙在实际超高层工程中的成功运用,取得了较好的效果,可供其他项目设计参考。

对其进一步应用,有如下几点建议：
⑴ 通过竖向肋板可设置多个模数化的子荷载腔,通过建筑物不同的楼层高度、不同的荷载情况、对剪力墙承载力的不同要求可计算出各层子荷载腔的混凝土用量,各腔混凝土可由角部向中部递减,材料使用可控,不仅可以减轻剪力墙的自重,同时亦可满足建筑物不同位置对剪力墙承载能力的不同要求。

⑵ 可应用于装配式建筑。

目前在实际的工程应用中,空实组合剪力墙可通过方钢管柱、连接钢板、加强肋板等主构件,子连接件、母连接件和T型钢等自锁构件焊接组成一个标准构件,通过相邻两个标准构件的母连接件和子连接件的螺栓连接即可在施工现场实现标准构件的精准定位对接,最后向荷载腔内灌注混凝土完成空实组合墙的主体施工,亦可灵活在标准构件上设置连接件与各种形式的梁板连接,现场无
需搭设模板、无焊接工作,可批量生产,适用于装配式建筑。

参考文献
［1］中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010（2016年版）［S］.北京：中国建筑工业出版社,2016.8.
［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规范：JGJ 3-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社,2011.
［3］ Toko Hitaka.Chiaki Mstsui.Experimental study on steel shear wall with slits［J］.Journal of Structural En7ineerin7, 2003,129（5）：586-595. ［4］孙建超,王杨,孙慧中,等.钢板混凝土组合剪力墙在中国国家博物馆工程中的应用［J］.建筑结构,2011,41（6）：14-19.
［5］中华人民共和国建设部.型钢混凝土组合结构技术规程：JGJ 138-2001［S］.北京：中国建筑工业出版社,2001
［6］中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计规范：GB 50017-2003［S］.北京：中国建筑工业出版社,2003. ［7］李盛勇,聂建国,刘付钧,等.外包多腔钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究［J］.土木工程学报,2013,46（10）：26-38。