天津津塔：336.9米超高层建筑，全球最高钢板剪力墙结构

工程概况

天津津塔处在天津市兴安路的北侧，并且位于海河岸边。其办公楼一共有 75 层，高度达到了 336.9m。建成之后，它会成为天津最高的建筑（如图 1 所示），同时也会成为世界上高度最高的钢板剪力墙结构。津塔项目是由金融街控股股份有限公司进行投资开发的，设计单位分别是美国 SOM 公司和华东建筑设计研究院有限公司。

天津津塔项目的基地面积为 22257.9m2 。该项目由一幢 75 层的塔楼以及一幢 30 层的公寓楼构成。所有的单体建筑下部都设置了 4 层地下室，并且它们共享同一个基础层。

1 结构体系

天津津塔主楼的房屋高度为 336.9m（从室外地面到主要屋面），它属于超高层建筑。该建筑采用“钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系”的结构体系标准层。其设备结构平面图以及钢板剪力墙局部立面图见图 2 至图 5。其中，钢板剪力墙作为抗侧力体系的重要部分，在中国高层建筑中的应用较为稀少，中国规范并未规定此体系的高度限制值。该建筑的最大高宽比为 7.88，超出规范要求较多，超出了 6。楼板存在局部不连续的情况。在第 15、30、45、60 层设置了伸臂桁架和腰桁架加强层，导致上下楼层间的侧向刚度和楼层承载力出现突变。

塔楼的外框部分由钢管混凝土柱以及宽翼缘钢梁构成。其周边典型柱距大概是 6.5m，外框柱为刚接。钢板剪力墙核心筒由钢管混凝土柱和内填结构钢板的宽翼缘钢梁组成。钢板剪力墙处在结构的核芯筒区域，并且在载客与服务电梯以及楼梯和设备室的周围。第 15 层设置了伸臂桁架加强层，同时在钢板剪力墙核心筒与外框之间布置了大型钢桁架，并且在外框内布置了腰桁架。第 30 层也设置了伸臂桁架加强层，同样在相应位置布置了大型钢桁架和腰桁架。第 45 层如此，第 60 层也是这样。根据分析结果可知，不同位置的钢板剪力墙单元在不同高度会变成钢框架+钢支撑体系。

图1 工程效果图

图2 主楼结构体系示意图

还会覆盖 150mm 厚的钢筋混凝土顶板。

塔楼的重力系统包含传统的宽翼缘钢框架以及组合楼板。其中，典型的组合楼板是 65mm 闭口型压型钢板，并且带有 55mm 混凝土面层，总的板厚为 120mm。大部分宽翼缘组合钢梁的高度为 450mm，从核心筒钢板剪力墙一直延伸到周边延性抗弯框架。典型的梁跨中板跨为 3.25m。在钢板剪力墙和周边延性抗弯框架处的钢管混凝土柱也被用于承受重力荷载。

上部结构的侧力系统一般向下延伸到基础结构，重力系统也一般向下延伸到基础结构。钢管混凝土柱的最大直径为 1700mm。框架结构由传统的结构宽翼缘钢框架和组合楼板组成。宽翼缘钢组合梁通常 450mm 高，从钢板剪力墙核心筒一直延伸到周边延性抗弯框架，梁一般位于中央 3.25m 处。

2 结构计算分析

2.1 结构设计依据及基本设计参数

结构设计时，一方面要满足国内的规范、规程和标准，另一方面参考了加拿大的《钢结构极限状态设计》(CANCSA S16201)，还有美国的《新建建筑与其他结构的推荐做法》2003 NEHRP (FEMA 450)以及《钢结构建筑的抗震做法》(A ISC2341 2005)来进行钢板剪力墙设计。

场地特征周期 Tg 等于 0.5 s。

津塔主体结构的风荷载确定，在强度控制方面，按照 100 年规范风速进行风洞试验荷载；在位移控制方面，按照 50 年规范风速进行风洞试验荷载。

2.2 结构分析主要结果

计算分析使用了多种软件和自编程序。整体结构的弹性分析主要以 ETABS 为主，同时以 MIDAS 为辅来完成。这其中包括恒活载的施工模拟分析、反应谱分析和风荷载分析等。另外，还采用 ABAQUS 和 SAP2000 进行弹塑性时程分析，目的是验证结构在中震和大震下的性能。

两种软件的分析结果显示，ETABS 和 MIDAS 这两种软件，其一，分析结果基本吻合；其二，所有结果都能够满足规范的要求；其三，结构是安全可靠的。

2.3 钢板剪力墙设计

钢板剪力墙（简称“SPSW”）结构在 20 世纪 70 年代得以发展。它是一种新型的抗侧力结构体系。钢板剪力墙单元由内嵌钢板以及竖向边缘构件（柱或竖向加劲肋）、水平边缘构件（梁或水平加劲肋）所构成。若钢板沿结构某跨从顶部至底部连续进行布置，那么就会形成钢板剪力墙体系。钢板剪力墙是新型抗侧力构件。它具有较大的弹性初始刚度。它具有大变形能力。它具有良好的塑性性能。它具有稳定的滞回特性。

到目前这个阶段，有数十幢建筑采用了钢板剪力墙作为抗侧力结构。这些建筑主要分布在北美以及日本等地震烈度较高的地区。我国《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—98)的附录四对钢板剪力墙的计算准则和方法进行了明确。从设计角度来看，是从避免钢板出现屈曲破坏入手的，是以弹性屈曲强度当作钢板剪力墙的设计极限状态，并未利用钢板弹性局部屈曲后的强度，通常将其称为厚钢板剪力墙。并且厚钢板剪力墙用钢量较大，成本较高，所以其发展受到了一定的限制。

津塔办公楼的核心筒开间比较大，其钢板剪力墙的宽厚比也比较大。若采用厚钢板剪力墙理念进行设计，成本将会大幅上升。而津塔办公楼采用的是当下国际上较为流行的薄钢板剪力墙设计理念，也就是允许钢板在水平力的作用下出现局部屈曲，并且借助钢板屈曲后强度所产生的张力场效应，继续抵抗水平力的作用。总结起来，具有以下 5 点特征：

原则上钢板剪力墙不承担竖向荷载。然而在实际中，不可避免地会承受诸如楼面活荷载等竖向荷载作用的影响，从而产生竖向压应力。

常遇地震作用与风荷载组合设计值起作用时，钢板剪力墙的设计符合规范（JGJ 99—98）附录四的要求。这意味着只会发生弹性变形，不会出现屈曲的情况（如图 6a 所示）。与此同时，钢板的屈曲验算应当满足薄板的三向应力稳定验算公式。

在中震以及罕遇地震的情况下，是允许钢板出现局部屈曲的。并且，当钢板发生屈曲之后，其所产生的张力场效应会成为结构抵抗侧向力的主要机制，就如同图 6b 所展示的那样。

中震作用下，水平向边界单元（梁）的端部可以出现塑性铰；罕遇地震作用下，水平向边界单元（梁）的端部也可以出现塑性铰。并且在这两种地震作用下，水平向边界单元（梁）的端部不得出现破坏，也不得丧失强度。

中震作用时，竖向边界单元（柱）的端部不可以出现塑性铰。罕遇地震作用下，16 层以下的竖向边界单元不能屈服，除此之外的其他柱端部可以出现塑性铰，但不能出现破坏或者丧失强度。

津塔办公楼的钢板剪力墙凭借上述的设计理念及方法，能够满足承载力极限状态的要求，同时也能够满足正常使用状态的要求。

2.4 施工模拟分析

津塔是具有伸臂桁架和钢板剪力墙的超高层复杂建筑结构体系。其结构力学特征具有高度的施工相关性。在不同的施工工况下，钢管柱和钢板墙等构件的内力存在很大差异。而且因为钢板墙的施工进度不同，在施工过程中钢板会产生不同程度的压应力，这对钢板的屈曲分析有着十分重要的影响。所以在津塔的设计过程中，必须进行施工模拟分析，如图 7 所示。在分析过程中，主要考虑了以下几个方面的因素：

钢板剪力墙较早进行安装，这样做有利于在施工过程中确保不同阶段结构的整体刚度，也有利于施工进度。然而，其缺点是容易使钢板剪力墙自身承担较大的竖向荷载，并且会导致核芯筒内外柱的竖向力差别较大。而如果较晚安装钢板剪力墙，情况则与之相反。

伸臂桁架较早安装。这样做有利于提高施工过程中不同阶段的结构刚度以及整体性。有利于施工进度。同时还能够将更多的内部荷载通过伸臂桁架卸载到外筒柱上，从而减小内筒柱在恒载下的压力值。然而，这不利于内筒柱在大震下的抗拉设计。

施工模拟分析运用 ETABS 软件。将全部安装过程划分成 21 个阶段。每个阶段都有不同的结构状态和荷载状态。在施工过程中会考虑 P-Δ效应。施工模拟完成后的状态能够反映结构在恒载作用下的状态。在后续设计中，此状态会与活载、风载、地震组合（小震设计阶段）相结合。或者将其作为中、大震弹塑性分析的起始状态。

在设计过程中，对上述的各个因素进行了对比和分析。最终，确定了这样一个施工方案，即“钢板剪力墙系统及伸臂桁架滞后 15 层进行安装”。具体的情况如下：

伸臂桁架的斜杆是在主体结构（柱、梁、楼板混凝土）之后 15 层安装的，而水平杆则是按顺序进行安装的。

2. 伸臂桁架滞后一定楼层安装，能够在内外筒柱的压力之间获得平衡，从而使大震情况下内筒柱脚的拉力设计更为合理。

2.5 柱脚设计

因为津塔工程很重要，所以专家给津塔钢管柱提出了“大震不屈服”的设计要求。通过弹塑性分析发现，柱脚在大震工况下会出现较大拉力。在设计中，对于要承受拉力的柱脚，采用了“埋入式拉压双底板柱脚”（图 8）。当柱脚受拉时，拉力会经由柱脚埋入段柱传递到柱脚下底板，并且要满足下底板与筏板之间的抗冲切要求。柱脚受压时，压力经由柱脚上底板传递至筏板面。此压力依靠筏板顶面的局部承压作用，向整个筏板进行扩散。并且要满足筏板的抗冲切要求。

为方便施工，对于柱脚反力不出现拉力的柱脚，采取的方式是钢管不插入基础底板，而是采用承台式柱脚；对于柱脚反力出现拉力的柱脚，采取埋入式柱脚。钢管混凝土柱脚的设计遵循以下原则：

(1)柱脚按刚性柱脚设计;

柱脚按照基本组合以及小震组合进行设计，同时也按照大震（不乘调整系数）进行设计，然后取这两种设计结果中的大值。

先依据钢管 - 混凝土柱中钢骨的抗压承载力与柱底混凝土抗压（因为柱底板顶面存在混凝土压应力，所以柱底板底面按照混凝土抗压承载力而非混凝土承压承载力来计算）相等这一原则，把柱脚底板尺寸确定下来；接着再依据柱脚反力对底板进行验算。

柱脚剪力由柱底的抗剪键来承受。由于考虑到结构在中震至大震的情况下，很难确保水平摩擦力，所以柱脚底板上的压力所产生的水平摩擦力不被考虑。对于外框架柱以及内筒外周的柱脚剪力较小的钢管混凝土柱，其柱脚剪力全部由抗剪键承担；而核心筒中部的柱脚是按照墙来设计的，剪力较大，其柱脚剪力由埋入的钢骨承受。

柱脚的轴向压力由柱脚底板来承受，通过混凝土受压进行计算，柱脚锚栓不承担压力。在部分柱遭遇大震作用时，会出现较大的拉力和弯矩。对于那些无法按照地脚螺栓抗拉要求进行设计的外露柱脚，把钢管柱埋入到基础承台中，轴向拉力由埋入的钢管来承担。

柱脚弯矩由柱脚底板承受，若为承台式则由柱脚底板承受；柱脚弯矩由埋入钢管柱承压面承担，若为埋入式则由埋入钢管柱承压面承担。

(7)锚栓拉力由柱脚靴梁承担。

2.6 钢管混凝土柱设计

目前国内关于钢管混凝土柱的设计主要包括以下两种方法:

套箍指标设计法，例如遵循规范《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28∶90) ；

组合强度设计法包括《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13251—2003) ，也包括《钢 - 混凝土组合结构设计规程》(DL /T 5085—1999) 。

钢管(700×35)的验检计算分析呈现于图 9 。津塔外框柱的计算结果显示，DL /T 5085—1999 所得柱轴压承载力最大，CECS 28 ∶90 次之，随后是 DBJ 13251—2003 。DL /T 5085—1999 和 DBJ 13251—2003 计算出的 N -M 曲线相对较为接近，而 CECS 28 ∶90 差异较大。DL /T5085—1999 与 DBJ 13251—2003 提供了完整的轴压、轴拉、压弯、拉弯、受剪计算公式，CECS 28∶90 仅提供轴压承载力计算。

此外，对于津塔结构的内框柱，要考虑到水平拉力场的作用。这种作用会对钢管混凝土柱的“套箍作用”产生影响，从而削弱实际结构中钢管混凝土柱的承载力。在津塔结构设计中，为此进行了专门的试验研究。通过该试验研究，得到了在水平拉力作用下，钢管壁的应力应变分布规律。这些规律对钢管柱承载力的计算提供了帮助。

另外，津塔结构的外框柱均为斜柱。这就使得其平面外的计算长度系数取值成为工程设计中面临的一个重要问题。构件的计算长度系数与该构件所受周围构件的约束作用以及荷载分布模式相关。设计通过对整体结构进行线性屈曲分析，获取了斜柱的屈曲临界荷载。依据构件计算长度系数的物理意义，得到了斜柱的欧拉临界力 Ncr 。通过反算，得出了斜柱的计算长度系数。

设计在考虑这些因素影响的基础上，先对 ETABS 施工模拟进行分析，然后复核其中得到的钢管柱内力，以使其满足上述几种规范在承载力方面的要求。

3 试验研究

为了更好地了解钢板剪力墙抗侧力结构体系的受力特性，需要进行试验研究。同时，为了验证津塔结构的安全性和合理性，也需要进行试验研究。这些试验研究分别在清华大学试验室和中国建筑科学研究院试验室完成[3]。

3.1 钢板剪力墙局部模型试验研究

局部模型试验按照原结构中 4 层 2 跨的 SPSW 进行试验，比例为 1∶5 缩尺。一共进行了两个试件的试验。

试件一是螺栓连接。其钢板墙厚度为 5mm，钢材选用的是 Q235B 等级。在螺栓连接的试验模型中，螺栓孔采用的是与扩初设计相同的长圆孔，具体见图 12。

试验一完成后，鉴于试验和工程的实际状况，钢板剪力墙在整个施工及工作过程中会承受一定的竖向荷载。于是，对试件二进行了恰当的调整，将钢板与边缘构件进行焊接连接。并且，为提升钢板的临界屈曲应力，设计增添了槽型加劲肋，详见图 10。

试验研究的主要内容及需要达到的目标为:

SPSW 不会承受除自身重量之外的其他重力荷载，这样就能保证 SPSW 不会因为竖向变形而发生屈曲。

大震作用下，钢板墙的拉力场效应较为明显，结构具有良好的延性，而钢板不会发生受拉破坏，能够满足“大震不倒”的要求。

中震作用时，水平边缘构件能够出现塑性铰，然而不可以出现破坏或者严重的强度损失；竖向边缘构件可以出现屈服现象，但是不可以出现塑性铰。大震作用下，竖向边缘构件能够出现塑性铰，不过不可以出现破坏或者严重的强度损失。

通过试验研究,我们得到了如下结论:

钢板墙结构的承载力较高。试件二的滞回性能较好，延性良好，耗能能力也较强，见图 11。

试件一的过程中，在弹性阶段，螺栓连接钢板墙就发出了较大且密集的噪声。这种噪声主要是由高强螺栓连接发生滑移所导致的。并且，该声响有可能会对结构的正常使用产生影响。

试件二的过程里，焊接连接钢板墙在弹性阶段几乎不产生噪声，并且能够满足正常使用的要求。

试件一在反复荷载作用下，其抗侧移刚度退化得比较快；试件二设置了加劲肋，这对提高结构在弹性阶段的刚度以及稳定性是有帮助的。

3.2 钢板墙的连接方式对比试验

目前，SPSW 与周边边缘构件的连接一般通过连接板来达成。其两侧的连接板与周边边缘构件通常采用焊缝连接这种方式。同时，SPSW 与两侧连接板之间能够采用高强螺栓连接或者焊接连接这两种方式，详见图 12 和图 13。

连接需满足“强连接，弱构件”的要求。在考虑到施工所导致的初始缺陷等因素的影响时，可靠、合理且经济的连接方式，对于充分发挥钢板屈曲后效应而言，具有极其重要的意义。通过试验研究，我们可以充分了解构件和节点的破坏形态。同时可以证明，在水平荷载作用下，当钢板进入屈曲甚至受拉断裂破坏时，SPSW 与边缘构件仍能保持较好的连接。此外，还能了解在水平拉力场作用下对钢管混凝土柱“套箍作用”的影响。图 14 为试验前后的对比照片。

3.3 复杂节点的试验研究

为保证节点能发挥钢板墙的拉力场效应，同时满足“强节点，弱构件”的要求，开展了伸臂桁架的复杂节点试验研究（图 15）。在节点设计方面，钢梁、斜撑以及伸臂桁架均使用 H 型钢截面，竖向构件则采用圆钢管截面。试件的破坏形式显示，节点符合“强节点，弱构件”的要求，并且节点区的结构设计是安全且合理的；有限元分析所得结果与试验结果大致相同。这意味着试验结果是合理的，同时也表明分析方法是合理的，能够用于其他类似节点的计算分析。

4 结论

设计薄钢板剪力墙时，首先要依据钢板在小震和风荷载作用下的三向应力状况，来确定相应的钢板板厚，这样能保证在正常使用状态下钢板不会屈曲，满足使用功能的需求；接着通过弹塑性分析，确保在中震时钢板墙能出现拉力场效应，同时钢板在大震下不会出现受拉破坏；只有经过这两阶段的分析方法，才能使结构在各种工况下满足既定的性能目标。

比较分析后可以发现，在不同的施工顺序下，钢板剪力墙和内外柱的内力差异是很大的。所以，对于这类超高层复杂试件，无论是在试验前还是试验后进行结构设计，都必须进行施工模拟分析，只有这样才能确保结构的安全可靠。

不同工况下，柱脚会呈现出不同的拉压受力状况。针对这种状况，设计的“埋入式拉压双底板柱脚”，能够对柱底的拉压力问题进行有效解决。

考虑了规范计算的差异等因素后，考虑了钢板拉力场对核心筒柱承载力的影响后，考虑了计算长度确定对外框斜柱承载力的影响后，得到的津塔钢管柱设计方法是比较全面可靠的。