王鑫鑫, 于东晖, 伍 敏, 王 龙

(1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2 北京交通大学土木工程学院，北京 100044；3 中国国际工程咨询有限公司，北京 100048)

1 项目概况

国家会议中心二期项目占地面积约9.3万m2,总建筑面积约41.9万m2,地下两层、地上三层。主要建筑功能为会展中心及配套附属设施。为满足大型会展,大、中、小型会带展,高端政务、峰会这三大核心功能,同时最大限度地提高建筑整体空间使用效率、优化人流及货物运输、降低运维管理成本,采用了将大跨会展功能区置于多层建筑底部的功能排布方案,在建筑首层设置72m×108m大会议厅、81m×234m大展览厅,形成了大跨多层叠合布置的结构体系[1]。在结构底部设置转换桁架承托上部楼层,采用了一种新型钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙作为转换桁架支承构件及主要抗侧力构件[2],项目典型结构剖面如图1所示。

图1 竖向叠层转换结构体系典型轴测图

为了方便与最大宽度为1.5m的转换桁架箱形弦杆连接,带钢斜撑混凝土剪力墙采用了少见的钢管混凝土端柱;为有效约束转换桁架端弯矩,剪力墙中的钢管混凝土端柱、钢斜撑和钢暗梁含钢率均较大,远超整体结构抗侧力需求;为满足建筑功能,钢斜撑均为单向设置,以上三点使得项目采用的剪力墙明显区别于以往类似试验研究及工程实践,形成了一种新型的大含钢率的组合构件,即钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙[2]。

目前现行规范缺乏对端柱采用钢管混凝土形式的带钢斜撑混凝土剪力墙设计的相关规定;既有的组合剪力墙设计规定中也未考虑大含钢率、钢斜撑布置形式、剪力墙洞口削弱等影响因素对组合剪力墙受力性能的影响;既有工程实践中的组合剪力墙应用主要集中在控制墙体受剪截面方面;国内组合剪力墙相关研究主要集中在型钢端柱与钢板组合墙、带钢斜撑混凝土剪力墙[3-4],钢管混凝土端柱与钢板剪力墙的组合形式[5-7];对于本工程采用的大含钢率、钢管混凝土端柱-带钢斜撑(尤其是仅单向布置钢斜撑的情况)混凝土剪力墙的受力性能、设计方法以及构造措施等都有必要进行进一步的研究。

2 试验研究

2.1 试件设计

为保证工程安全,针对项目中采用的高含钢率新型钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙,进行了缩尺构件拟静力试验研究。设计并制作了1∶6缩尺钢管混凝土端柱-带单向钢斜撑混凝土剪力墙试件Q1,并根据斜撑轴向刚度等效原则,设置了钢管混凝土端柱-带双向钢斜撑混凝土剪力墙试件Q2以及一般钢筋混凝土端柱-混凝土剪力墙对照试件Q3,依据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[8],进行了低周往复加载拟静力试验。

试件Q1～Q3墙厚166mm,墙长1 750mm,端柱截面250mm×250mm。试件Q1、Q2截面设计如图2所示,试件Q3截面尺寸同试件Q1、Q2,试件参数如表1所示。试件所用钢材为Q355B,钢筋为HRB400级,混凝土强度等级为C50,三组试件墙身水平分布筋均为10@110(双排),墙身竖向分布筋均为10@150(双排)。

表1 试件型钢设置及配筋参数

图2 试件截面设计

2.2 加载制度

试验采用低周往复拟静力加载方式开展,采用分级加载制度。试验时首先施加竖向荷载500kN,保持轴压力稳定,然后进行水平低周反复加载。采用位移指标控制水平荷载加载进程,当位移角达到1/50后结束;当滞回曲线出现明显拐点时,认定试件屈服;屈服前试件在弹性阶段按照每级荷载循环2次;直到加载至试件不能维持施加的轴压力或水平力下降到峰值水平力的85%以下时,停止试验。

2.3 试验结果

试件Q1加载至位移s=7.5mm时,墙体上部出现数条弯剪斜裂缝,加载至s=10mm时,墙体与端柱连接处产生斜向裂缝,墙体斜裂缝向下延伸,并且在墙体中部交汇。随着继续加载,钢横梁首先屈服,随后钢斜撑屈服,墙身混凝土外鼓剥落,钢管混凝土端柱与墙身混凝土交界处混凝土逐步压酥。加载至s=40mm时,达到极限荷载3 143kN,钢管混凝土端柱与混凝土底座交界处出现明显裂缝,左侧端柱一侧达到屈服应变,右侧端柱未屈服。试件最终破坏形态为剪切破坏,单向钢斜撑和水平钢横梁处混凝土外鼓剥落,墙体混凝土裂缝分布如图3(a)所示。

图3 试件破坏形态

试件Q2加载前期裂缝开展情况与试件Q1基本一致。随着继续加载,受拉钢斜撑及受拉端柱首先屈服,随后受压钢斜撑及受压端柱屈服。当加载至s=40mm时,达到极限荷载3 197kN,钢横梁屈服,钢横梁处混凝土剥落。试件最终破坏形态为剪切破坏,端柱、钢暗梁及钢斜撑均屈服,墙体混凝土裂缝分布如图3(b)所示。

对照试件Q3端柱钢筋拉、压均达到极限应变,端柱混凝土达到极限压应变并伴随大面积压溃,试件最终破坏形态为弯曲型破坏。墙体混凝土裂缝分布如图3(c)所示。三组试件骨架曲线如图4所示。

图4 试件Q1～Q3试件骨架曲线

与对照试件Q3相比,试件Q1、Q2的水平承载力均显著提高;由于含钢率较高,试件Q1、Q2的刚度明显提高,说明型钢与混凝土组合作用明显,有利于实现工程中加强底部转换结构抗侧刚度的目标,避免形成软弱层,对于高含钢率情况,在整体计算中应考虑钢斜撑对试件Q1、Q2刚度贡献;最终破坏形态下,试件Q1、Q2墙体裂缝较多,分布范围较广,几乎布满整个墙体,裂缝角度有向钢横梁及钢斜撑布置方向靠拢的趋势,主斜裂缝出现较晚且发展缓慢,说明了钢斜撑的存在可以延缓裂缝的发展,避免水平贯通裂缝过早出现;钢管混凝土边柱与混凝土墙体之间基本没有出现滑移错动现象;试件Q1与试件Q2,正向加载工况极限承载力相当,在反向加载工况下,试件Q1由于仅布置单向钢斜撑,极限承载力有所降低。试件Q1骨架曲线呈现拉压不对称性,且仅单侧端柱达到屈服,在设计中应予以充分考虑,以保证承载安全。

3 钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙设计方法

《组合结构设计规范》(GJ 138—2016)[9](简称《组合规》)第9章、第11章分别对带型钢暗柱、型钢端柱的型钢混凝土剪力墙、型钢暗柱与墙体内藏钢斜撑组成的带钢斜撑混凝土剪力墙的计算假定和分析方法及构件设计做出了规定;《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159∶2004)[10](简称《矩形钢管规》)第8章中对采用矩形钢管混凝土柱作为混凝土剪力墙边框的带框混凝土剪力墙的计算假定和设计方法作出了规定。现行规范缺乏针对钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙组合构件的相关规定及设计方法。基于《组合规》及《矩形钢管规》的计算假定和设计方法,结合试验研究,提出了适用于本工程新型钢管混凝土端柱-带钢斜撑剪力墙(简称新型组合剪力墙)的简化设计方法。

3.1 基本计算假定

刚度计算假定:截面轴向及抗弯刚度考虑混凝土墙及钢管混凝土端柱作用;截面抗剪刚度考虑钢筋混凝土剪力墙、钢管混凝土端柱、钢斜撑作用。

本文介绍了PRB技术的反应原理和结构类型，着重介绍目前研究和应用最多的以零价铁(Fe0)为反应介质的Fe0-PRB技术在含铀废水处理方面的应用，以期促进Fe0-PRB在我国铀尾矿库区地下水污染原位处理的研究与应用，为铀尾矿地区地下水污染原位修复方法提供理论依据和技术指导.

构件承载力计算假定:新型组合剪力墙整体弯矩由钢管混凝土端柱中产生的轴向拉力和压力承担,不考虑剪力墙的局部弯矩;水平剪力由混凝土墙、钢斜撑及端柱型钢共同承担;竖向荷载由钢管混凝土端柱、混凝土墙按实际刚度分担。

3.2 持久、短暂设计状况下新型组合剪力墙构件设计方法

选取标准计算单元,假定钢管混凝土端柱、钢斜撑均对称布置,新型组合剪力墙构件计算简图及几何尺寸如图5所示。

图5 新型组合剪力墙计算简图

(1)根据《组合规》相关规定,推定偏心受压新型组合剪力墙,正截面受压承载力如下:

(1)

(2)

(2)根据《组合规》相关规定,结合试验研究,推定新型组合剪力墙偏心受压斜截面受剪承载力如下:

(3)

(4)

(3)抗剪截面控制条件:保留《组合规》中对墙肢混凝土截面部分剪压比限值要求,根据试验结果,增加新型组合剪力墙名义剪压比限值。

Vcw≤0.25fcbwhw

(5)

双向钢斜撑名义剪压比:

V≤0.4fcbwhw

(6)

单向钢斜撑名义剪压比:

V≤0.35fcbwhw

(7)

3.3 试验数据拟合分析

采用3.2节所提出的修正系数,根据试件材性试验强度实测值,由承载力计算公式式(3)、式(4),截面控制条件式(6)、式(7)计算所得新型组合剪力墙受剪承载力极限值及其与试验实测数据的对比如表2所示。

表2 新型组合剪力墙受剪承载力对比

由表2可见,既有《组合规》中充分考虑端柱型钢及墙内钢斜撑对组合剪力墙抗剪承载力的贡献,仅控制墙体混凝土部分剪压比的设计方法,对于本文所述的高含钢率钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土组合墙构件设计是偏于不安全的,需对高含钢率端柱及斜撑构件的抗剪承载力贡献值予以折减,对于单向布置钢斜撑的情况,应考虑考虑拉压不对称性的不利影响,同时有必要对组合剪力墙名义剪压比进行控制。

根据试验数据拟合引入修正系数后,计算值与试验数据吻合较好,可为本项目工程设计提供依据及验证。对于不同含钢率与修正系数及名义剪压比限值的相关性,还需要进一步试验研究。

4 工程构件设计

4.1 组合剪力墙截面选取及承载要求

图6为国家会议中心二期项目新型组合剪力墙构件立面图,墙厚1m(C50),钢管混凝土端柱截面□1 500×60(Q390GJ),墙内钢斜撑、钢横梁均采用横放H形截面(Q345GJ、390GJ)。

图6 新型组合剪力墙及其内藏钢支撑立面布置图示

从上述新型组合剪力墙构件布置及截面选取可见,钢管混凝土端柱面积含钢率达11.7%,墙内钢斜撑、钢横梁体积含钢率达2.95%以上,这主要是由于本工程新型组合剪力墙除作为主体结构抗侧力构件外,同时也是转换桁架支承构件,钢管混凝土端柱、内部钢斜撑、钢横梁的截面需要与转换桁架杆件截面匹配,以提供有效约束刚度、保证结构传力可靠。

在地震作用下,端柱及墙身整体受弯参与抗侧,倾覆力矩占比约为80%。作为主要抗侧力构件,新型组合剪力墙需满足大震抗剪不屈服的性能目标要求。在多遇地震作用下,新型组合剪力墙整体受压,最大剪力设计值约为12 000kN;在罕遇地震下,新型组合剪力墙整体受压,最大剪力标准值约为35 000kN。

4.2 新型组合剪力墙构件承载力验算

根据本工程新型组合剪力墙设计情况(图6),取转换桁架以下(-0.15～14.2m)墙段进行水平承载力复核。按新型组合剪力墙整体受弯承载力上限,即式(2),确定的水平承载力设计值为99 119kN,标准值为121 064kN;按试验修正后的新型组合剪力墙抗剪承载力,即式(3)～式(7)确定的水平承载力设计值为48 443kN,标准值为56 232kN。由上述分析可见,新型组合剪力墙抗弯及水平承载力远大于多遇地震及罕遇地震性能目标需求。

4.3 构造与加强措施

新型组合剪力墙典型洞口补强构造及现场照片如图7、8所示。工程设计阶段,对新型组合剪力墙采取了如下构造加强措施:1)适当加大墙身水平及竖向钢筋配筋量;2)斜撑及暗梁采用横放H形截面,腹板开混凝土流淌孔,以保证混凝土连续,浇筑质量可靠;3)根据性能目标要求,结合剪力墙开洞情况,配置型钢暗柱、型钢暗梁,型钢暗柱优先上下层对位布置或设置搭接段,保证可靠传力和锚固;4)避免同一截面开设多处洞口,尽量控制洞口上下对位等。

图8 新型组合剪力墙内钢斜撑及补强型钢暗柱现场照片

5 结语

本文针对国家会议中心二期项目采用的高含钢率新型钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙构件进行了缩尺模型拟静力试验研究。研究显示,项目所用的新型钢管混凝土端柱-带钢斜撑混凝土剪力墙具有良好的组合受力性能,承载力及刚度均大幅提高。现行规范算法中型钢、钢管端柱对组合墙受剪承载力贡献的算法,对端柱高含钢率情况是不适用的,根据试验结果,结合现行规范要求,提出了适用于本项目实际情况的组合剪力墙简化设计方法及截面控制要求,在设计中有针对性的采取了构造加强措施,保证组合剪力墙构件设计安全可靠,满足工程实际需求。

本项目采用的组合剪力墙试件主要基于大跨转换的高承载力需求(而非高延性或整体抗侧需求)进行设计,这使得本项目组合剪力墙含钢率较常规以抗侧力需求为主的组合剪力墙高出很多;受限于建筑功能需求,组合剪力墙内钢斜撑只能沿单向布置。上述两点,使得本项目组合剪力墙在工程设计中较为罕见,这也使得本文提出的组合剪力墙设计拟合公式具有一定局限性,作为本项目的设计验证尚可,但用于拟合一般设计公式,其统计意义尚偏小。对于不同含钢率与拟合参数及名义剪压比限值的相关性,还需要进一步试验及理论研究。