超纤薄高楼抗侧力如何解决？钢板墙+组合框架（附多个钢板墙工程的试验概况）

图1  纤薄超高层建筑实景

图2 南京扬子江国际会议中心塔楼方案

技术难题和解决方案

由于下部楼层受力大且复杂，为确保框架柱与钢支撑、钢板墙能够协同工作，将低区屈曲约束支撑和钢板剪力墙定义为关键构件，设防地震下不允许屈服、罕遇地震下进入塑性耗能。

本项目在前期方案设计阶段，对低区所可能采用的多种结构方案进行了细致的对比研究。各方案均采用矩形钢管混凝土柱（RCFT），并分别采用(a)钢板墙、(b)钢连梁+钢板墙、(c)屈曲约束支撑BRB、(d)消能连梁作为连接和耗能元件。

课题组除结合规范进行了详细的计算分析和精细数值模拟，也对各方案开展了抗震试验。模型缩尺比例为1:5，测试段高3200mm、宽960mm，如图4所示。工程最终采用的为带钢连梁和焊接加劲肋的钢板墙方案(b)，以下对该方案的试验研究情况进行简述。

图4 模型试验构件

钢板剪力墙（带肋）具有较高的初始刚度、良好的延性和耗能能力（参见文后附注二）。高宽比是影响钢板墙受力性能的重要参数。本工程受建筑功能限制，平面布置局促，导致钢板墙高宽比偏大，对此进行了重点研究。方案(b)通过在钢板墙内附加钢连梁，将钢板划分为高跨比为小于1的区格，从而提升了结构性能。

RCFT+钢连梁+钢板墙模型在试验中未出现明显面外屈曲和脆性破坏现象，最终因为柱脚处钢板受拉断裂而丧失承载能力，如图5所示。

荷载-位移曲线参见图6。屈服位移约为27mm（θ=1/115），屈服荷载约为860kN。试件正负向滞回曲线基本对称，位移延性系数大于3。对照整体结构变形计算结果，该抗侧力体系方案可以实现小震弹性和中震不屈服的设防目标。

试验表明，加劲肋可约束钢板墙面外变形，保证钢板屈服先于面外屈曲，充分发挥钢板墙的承载能力和耗能能力。加载后期，钢板墙承载力退化系数波动小且稳定在0.85以上，刚度退化匀速稳定，累积耗能上升趋势明显，实现了“强柱弱墙”“高耗能”的设计理念。

类似超大高宽比、超大悬挑、倾斜扭曲构型的超常规建筑，从受力角度看往往并不合理。但超常规建筑发展的新需求，也是工程结构技术发展的重要推动力。例如，南京扬子江国际会议中心塔楼工程，推动了设计、施工和科研单位对高效抗侧力体系的深入研发，并实现了自身技术能力的提升。而高性能结构建造技术的进一步发展，又为提升建筑品质、拓展建筑创作空间提供了有效支撑。简言之，本项目科研工作可以看作是对“需求牵引、技术推动”的一次具体实践。

天津环球金融中心（津塔）高336.9m，是采用钢板剪力墙的世界最高建筑。课题组在工程初步设计阶段，与华东建筑设计院合作，对非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙方案进行了计算分析和试验测试（图8）。研究表明：设置加劲肋有利于提高钢板墙的刚度及稳定性；高强螺栓连接或焊接连接均能满足设计需求；加劲和非加劲钢板剪力墙结构均具有较高承载能力和稳定的滞回性能。

综合考虑受力及施工方面的需求，该工程最终采用的是类似图8(b)所示的加劲钢板墙，钢板与边缘构件之间采用焊接连接。

天津于家堡洲际酒店（原名天津国际金融会议酒店）采用的是大开洞钢板剪力墙结构体系。课题组在工程初步设计阶段，与中国建筑设计研究院合作，对不同构造的大开洞钢板剪力墙方案进行了计算分析和试验测试（图9）。研究表明：开洞降低了钢板剪力墙试件的刚度和承载力，但洞口角部断裂对钢板剪力墙试件的抗震性能影响不明显；在钢板墙洞口周围布置加劲肋对开洞补强效果显著。

试验研究由清华大学土木工程系2019级博士研究生宋凌寒完成，樊健生老师、丁然老师、2018级博士研究生唐俊跃以及北京市建筑设计研究院甄伟教授级高工、张磊高工等也参与了研究工作。

感谢北京市建筑设计研究院、中国建筑第八工程局有限公司对研究工作的帮助与支持。