超高層核心筒結(jié)構(gòu)震后損傷優(yōu)化方法研究的總結(jié)與展望

王俊然

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 511400)

超高層核心筒結(jié)構(gòu)震后損傷優(yōu)化方法研究的總結(jié)與展望

王俊然

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 511400)

核心筒是超高層結(jié)構(gòu)里面重要的抗側(cè)力構(gòu)件，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震作用后，核心筒底部墻體在強(qiáng)震作用下易發(fā)生脆性剪切或壓潰破壞，造成災(zāi)難性的破壞，危及生命財(cái)產(chǎn)安全，震后難以修復(fù)。因此，分析研究超高層核心筒損傷優(yōu)化顯得尤為重要。本文從從強(qiáng)化控制、弱化控制、耗能技術(shù)控制、改變體系控制等方式回顧核心筒剪力墻的研究進(jìn)展，總結(jié)優(yōu)化核心筒損傷的概況，指出現(xiàn)今研究存在的不足。并指出對(duì)于體系方面的研究尚有較大的空缺，進(jìn)一步進(jìn)行體系的研究在高層建筑領(lǐng)域應(yīng)用有著重要的意義。

超高層;筒結(jié)構(gòu);優(yōu)化

一、引言

隨著城市的快速發(fā)展，超高層建筑越來(lái)越多，對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)注度越來(lái)越高，而作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的核心筒剪力墻的損傷研究是非常重要的。目前超高層結(jié)構(gòu)遭遇地震作用后核心筒部分損壞嚴(yán)重，為了減輕底部核心筒剪力墻損傷，許多學(xué)者從強(qiáng)化、弱化、耗能等方面進(jìn)行研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化、弱化、耗能等方面的優(yōu)化均能，但從體系方面的研究卻比較少。

二、強(qiáng)化控制

近年來(lái)許多學(xué)者通過(guò)強(qiáng)化剪力墻的方式來(lái)改善其抗震性能。從材料方面，有學(xué)者提出了在剪力墻中配置高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)混凝土的方法，結(jié)果表明在高強(qiáng)混凝土中合理適當(dāng)?shù)嘏渲酶邚?qiáng)鋼筋，可增強(qiáng)其變形能力。同時(shí)可以顯著提高結(jié)構(gòu)的承載力，減小構(gòu)件截面的尺寸和用鋼量，減輕結(jié)構(gòu)的重量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震作用，節(jié)約建筑材料，降低工程造價(jià)。但由目前強(qiáng)化墻體的研究現(xiàn)狀可知，在地震作用下強(qiáng)化剪力墻體裂縫分布域廣且密而且裂縫寬度小，但是不能明顯減少裂縫的產(chǎn)生，無(wú)法有效減少?gòu)?qiáng)震作用下底部混凝土墻體的損傷。

三、弱化控制

為了控制剪力墻的損傷，有學(xué)者提出了帶豎縫剪力墻的概念，在墻中以一定間距設(shè)置多條豎向縫，并把墻嵌在框架中。帶豎縫剪力墻改變了剪力墻傳統(tǒng)受力模式，使剪力墻由受剪切為主轉(zhuǎn)變?yōu)閴χ軓潪橹鳎康氖菑母旧献柚辜羟辛芽p的發(fā)展，提高了剪力墻的延性。近年來(lái)更多的學(xué)者在此概念基礎(chǔ)上提出了帶不同數(shù)目豎縫的剪力墻、帶縫空心剪力墻、鋼框架內(nèi)嵌帶豎縫剪力墻等各種形式的帶豎縫剪力墻，結(jié)果表明豎縫的設(shè)立使墻體高寬比增大，在地震作用下墻體的破壞由受剪切為主轉(zhuǎn)為受彎為主，具有良好的耗能性能，從而提高了剪力墻的延性且保證了墻體整體性。但是豎縫削弱了剪力墻的抗側(cè)剛度與強(qiáng)度，阻止了帶豎縫剪力墻的實(shí)際應(yīng)用。

四、耗能控制

為了解決設(shè)置豎向縫對(duì)剪力墻帶來(lái)的抗側(cè)剛度與強(qiáng)度降低的問(wèn)題，不少學(xué)者提出耗能剪力墻的概念，在剪力墻設(shè)置耗能裝置來(lái)消耗或吸收地震作用輸入結(jié)構(gòu)中的能量。有學(xué)者通過(guò)在分縫剪力墻的豎縫間布置粘彈性材料元件、剪切連接鍵、軟鋼耗能器、金屬阻尼器等耗能構(gòu)件，通過(guò)耗能裝置之間產(chǎn)生摩擦或彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等彈塑性滯回變形來(lái)消耗或吸收由地震作用輸入結(jié)構(gòu)中的能量。結(jié)果表明在地震作用下豎縫剪力墻中耗能元件能有效吸收能量。

五、體系控制

除了針對(duì)改善剪力墻構(gòu)件抗震性能研究以外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)體系，如通過(guò)平面布置形式的改變、增設(shè)支撐體系、建立可恢復(fù)結(jié)構(gòu)體系等方法，通過(guò)改善整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，達(dá)到改善剪力墻 (尤其是底部剪力墻)的損傷。迪拜塔、俄羅斯塔都采用了扶壁支撐體系，利用鋼管混凝土柱支撐等抗側(cè)力構(gòu)件將側(cè)向力轉(zhuǎn)化為軸向力，降低剪力墻的壓彎受力，減輕剪力墻的損傷。

由上述對(duì)于改變結(jié)構(gòu)體系的研究現(xiàn)狀來(lái)看，從體系的角度去改善剪力墻抗震性能能更加直觀的觀察底部剪力墻在整體結(jié)構(gòu)中的損傷情況，更加主動(dòng)地減少剪力墻的不利受力。但由于體系的研究并不深入，大部分研究?jī)H限于模擬多遇地震和設(shè)防地震的級(jí)別下結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，在罕遇地震下改變后體系的表現(xiàn)與原體系的對(duì)比尚未有深入研究，且大部分研究局限在數(shù)值模擬，缺少實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

六、結(jié)論

綜上所述，目前改善剪力墻的方向主要有構(gòu)件方面和體系方面。構(gòu)件的角度去改善不可避免的出現(xiàn)不足之處，是一種被動(dòng)的改善行為。而體系方面則是從整體結(jié)構(gòu)的角度去研究，為的是改善整體結(jié)構(gòu)受力，在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下，改變結(jié)構(gòu)布置或增設(shè)抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)主動(dòng)減少剪力墻單元的不利受力，達(dá)到減少地震作用下剪力墻的損傷。并且從體系角度去研究，能避免了單一構(gòu)件實(shí)驗(yàn)與在體系中性能表現(xiàn)不同的差異，現(xiàn)實(shí)建筑的建立也證明了改變體系方法的可行性。但從研究現(xiàn)狀來(lái)看，體系的研究并不深入，大部分研究?jī)H限于模擬多遇地震和設(shè)防地震的級(jí)別下結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，在罕遇地震下改變后體系的表現(xiàn)與原體系的對(duì)比尚未有深入研究。而且國(guó)內(nèi)改善體系方面的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究尚見(jiàn)不多，對(duì)于體系方面的研究尚有較大的空缺，因此進(jìn)一步進(jìn)行體系的研究在高層建筑領(lǐng)域應(yīng)用有著重要的意義。

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王俊然 (1993－)，男，廣東佛山，碩士，廣州大學(xué)，組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)。