鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構的協同工作性能分析

■徐應全 ■云南 昆明 650000

鋼框架-鋼筋混凝土核心筒是將鋼框架結構與混凝土核心筒的特點進行有效結合而形成的，鋼框架結構具有施工速度快、且強度高的特點，而鋼筋混凝土核心筒本身具有較強的抗壓能力和防火性能，因此這種鋼框架-鋼筋混凝土核心筒在當前的高層建筑結構中已經有廣泛的應用。鋼筋混凝土核心筒在剛度方面較強，但是在強度方面卻相對較為薄弱，而鋼框架則正好相反，所以這兩種結構在抗震性能上存在著一定的不協調之處，使得鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構無法對地震作用力進行合理的分配。為了增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒的協同能力，對豎向荷載作用引起的變形進行有效的控制，需要采用在框架結構上安裝斜撐框架和增加大型斜撐設備等，增強高層建筑的抗震能力。

1 鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構在強震作用下的性能

本文選取層數為30 層的高層建筑鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構為研究對象，建筑物高度為120m，層高為4m，結構平面尺寸為24*24m。鋼框架結構采用Q345，鋼筋混凝土核心筒應用的混凝土強度等級為C40。對該建筑結構的性能評價，可以根究不同結構性能參數的要求，將鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構分為三類，即生命安全、不倒塌和倒塌。本文的分析是建立在強震作用下，所以對于最大層間位移角小于1/200 的性能指標不予考慮。以最大層間位移角作為本次研究目標的量值，在分析過程中發現不同的地震波對于結構有著不同的影響。因此，在強震作用下，鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構能夠滿足建筑物基本的強度要求。對于高層建筑結構來說，僅僅依靠層間位移角來判斷結構是否失效，缺乏有效的論據，因此需要結合結構的破壞機制與性能目標進行詳細的判斷。第一，生命安全標準。當高層建筑結構最大的層間位移角不超過1/200 時，鋼結構中的部分鋼筋會出現屈服，這時鋼筋混凝土核心筒體就會發生開裂，形成很多水平的裂縫，鋼筋處在部分屈服的狀態;第二，不倒塌標準。當鋼框架處在彈性階段時，較少的鋼筋會出現屈服，當連續的鋼筋屈服時就會導致筒體發生大面積的開裂，形成更大的裂縫，對結構造成嚴重的破壞;第三，整體坍塌失效。鋼框架失去彈性，鋼筋屈服，筒體出現更大裂縫，結構底部被壓碎，結構剛度出現嚴重下降，整體結構失效。

2 鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構地震作用下的協同工作性能分析

為了對鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構地震作用下的協同工作性能進行分析，本次采用振型分解反應譜法對四種模型進行詳細的分析，設置了A、B、C、D 四個作用力模型，并且對它們在地震作用力下的結構內力和位移進行對比，以此來獲得不同結構的鋼框架與核心筒之間的協同性能結果。

2.1 模態分析

針對本文設置的A、B、C、D 四個模型的前6 階振型對應的周期進行了詳細的研究。雖然本次建筑結構的平面是方形，但是核心筒剪力結構的布置卻并不是完全對稱的，所以結構不同的方向上所形成的剛度也是存在一定差異的。根據分析，模型A 的周期遠遠大于模型B 的周期，這與模型B 在鋼框架結構上增加大型斜撐有著一定的關系，因為大型斜撐的應用使得鋼框架的剛度增加，從而使其與核心筒的剛度更加匹配，也可以增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構整體的剛度。而通過模型B 和模型D 的比較也可以看出，當鋼結構的外部框架強度增加以后，再次設置伸臂桁架時，不會對整體結構的剛度產生較大的影響。

2.2 結構側移

圖1 和圖2 分別表示的是不同模型的樓層位移和間層位移角的對比，通過對比圖可以看出，模型B 和D 在鋼框架結構上設置了大型斜撐，其層間位移明顯比其他模型小;而模型C 和D 設置了伸臂桁架，其層間位移角也產生了明顯的突變，這與伸臂桁架的設置導致了樓層剛度突變有著密切的關系，同時也增強了整體的抗彎能力。

3 豎向荷載作用下的變形差異

當前，我國國內在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構的豎向變形差異作用研究的尚不夠深入。在高層建筑結構的常規研究中，一般是通過計算模型和施加荷載的方式來對整個結構進行計算，針對施工順序以及其在結建筑結構中形成的結構自重的變化卻沒有進行詳細的計算。結構自重隨著施工的開展而逐層增加，從而導致柱、墻體都發生壓縮變形。本文利用ETABS 對結構加載的順序進行模擬，并且對各種結構模型在豎向作用下的變形差異進行計算，豎向變形為鋼柱12 個計算點和筒體8 個計算點的平均結果。一次性加載與施工順序加載產生的豎向荷載變形作用存在著較大的差異，所以這種變形差異結果的真實性無法得到有效保證。在鋼框架中設置大型斜撐設備對于減少建筑結構的豎向荷載并沒有產生較大的影響，而在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構中設置加強層則可以有效的增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構的協調工作性能，使得鋼框架的豎向變形得到有效的控制，同時也增加了筒體的變形，減少鋼框架與鋼筋混凝土筒體之間的豎向位移差。這種結合方式既可以提高鋼框架的強度，有可以增強結構整體的協調工作性能，可以達到很好的控制豎向變形差異的目的。

4 結論

綜上所述，本文主要利用結構模型對鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構中的周期位移以及底部剪力等因素進行了分析和計算，根據計算結果可以得到以下的結論:首先，在鋼框架設備上加裝一個大型的斜撐結構，可以使鋼礦A 級的外框和核心筒的剛度達到更加匹配的程度，這樣便可以增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構的協同工作能力，促進鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構整體剛度的增強，而如果在鋼框架結構與鋼筋混凝土核心筒之間加裝伸臂桁架對于結構整體的剛度影響則不大。其次，在鋼框架結構上安裝大型斜撐比增加伸臂桁架具有對結構位移更好的控制效果，而且增加大型斜撐可以促進鋼框架結構的剛度顯著提高，使得鋼框架結構承擔的剪力更容易滿足標準的要求。最后，在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構中設置加強層，對于筒體底部的彎矩會產生一定的降低作用，也可以減少結構豎向變形差異，但是對于筒體整體的剪力影響不大，因為及加強層的高度會發生突變而形成一個薄弱層，這時就會由于外力的加載作用和施工順序的影響而使得其本身產生較大的差異，無法保證加強層真實的結構作用。

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