淺談鋼筋-砼核心筒發展前景

孫 健/華北理工大學建筑與土木工程

淺談鋼筋-砼核心筒發展前景

孫 健/華北理工大學建筑與土木工程

本文介紹了鋼筋混凝土核心筒的研究現狀、研究成果、取得的成就，以及存在的不足，還有個人的一些看法。

鋼筋混凝土核心筒； 滯變模型； 非線性； 地震反應分析

一、鋼筋-混凝土核心筒研究現狀

最近幾十年來，隨著國民經濟的發展和綜合實力的增強,土木工程得到了前所未有的發展。由于建筑物高度的增加,單抗側力體系不能滿足抗側剛度的要求，而其中的鋼框架與砼核心筒相結合的雙重抗側力體系是一種比較理想的抗側力體系,它具有鋼框架和核心筒二者的優點：一方面,砼核心筒具有很強的抗側剛度,在地震和風荷載的影響下對整個結構的側向變形能產生很好的控制作用,同時還能防止柱上發生塑性鉸;另一方面,因為鋼框架柱自重輕,所以可減輕整個結構的重量,能有效降低地震作用產生的影響；還有一點,就是在各個樓層部位,尤其是比較高的樓層部位,鋼框架柱與砼筒體相互作用,能產生有效的能量消耗作用。同時這種結構體系具有鋼結構施工速度快和砼結構生產成本低的優點,現在已經在我國的高層建筑特別是超高層建筑結構中得到了廣泛的應用。

二、鋼筋-混凝土核心筒研究成果

Franklin.Y.Cheng用桿系一層模型對鋼-砼混合體系進行了彈塑性地震反應分析,考慮到不同桿件的特點,對砼柱和梁、鋼柱和梁、砼剪力墻分別采取不同的單元模型;他是按照桿系組成的層間剛度和總剛度矩陣,然后將質量集中于樓層處的層間模型進行地震反應分析。程紹革是對一幢鋼-砼筒結構體系做了一次在罕遇大震下的彈塑性時程分析,在對該體系進行彈塑性地震反應分析的時候,采用的也是桿系模型,把砼核心筒體系的抗側剛度等效成為寬柱框架,等效框架再與外圍鋼框架用不計軸向變形的二力桿相連,進而組成了混合體系的計算模型。劉英、蔡益燕等在做鋼-砼核心筒混合結構的抗震性能研究時,運用SAP84有限元分析程序進行了水平地震作用下的結構反應分析,把四周的鋼框架梁柱假設為三維的空間桿系單元,砼核心筒運用的是墻單元;如果鋼結構部分一直處于彈性階段,那么砼核心筒就需要考慮其彈塑性性能。李國強、姜麗人等在做鋼-砼混合結構彈塑性地震反應研究時,是把它分為外鋼框架和內砼核心筒兩個部分：外部鋼框架再進一步簡化為半剛架,內砼核心筒再進一步簡化為一根箱型截面的豎向懸臂桿;考慮到了非線性因素,再用一根豎向的受荷載的桿與其相并聯,從而形成了簡化計算模型。后來李國強、丁翔等又把混合體系分解成鋼框架和剪力墻兩部分,鋼框架也是運用的桿系模型,砼剪力墻運用的是墻元與條元耦合,最后再采用體系的各樓層水平位移協調來求解。周向明、李國強、丁翔又采用以層模型為基礎的結構彈塑性地震反應分析法,把鋼筋-砼核心筒周邊的空間框架看成是由一榀榀平行于地震荷載作用方向的平面框架并聯組成,每榀框架通過樓板的連接一同抵抗水平地震荷載的作用:而砼核心筒被看作是由開洞剪力墻組成的筒體,簡化為平行于地震荷載方向的抗震墻。廖曉璐等運用的是等效結構法來計算鋼框架-砼核心筒結構彈性階段和彈塑性階段的振型阻尼比,進而分析看在不同的阻尼比取值下的地震反應現象。除此之外,也有學者對結構的布置和剛度進行了分析研究,如阮永輝對結構加強層的鋼框架-砼核心筒結構進行分析研究。

三、研究鋼筋-混凝土核心筒取得的成就

由于在國外很少將鋼-砼混合結構運用在地震區,而且所持看法不一。所以,在這方面的抗震性能與震害資料比較缺乏。目前，在中國對鋼-砼混合結構的抗震性能研究還是比較滯后的，最近這幾年才開始研究分析,而且在試驗方面和計算方面獲得了一定的成果。

在九十年代初中國建筑科學研究院結構所曾對一座23層的鋼-砼混合結構模型展開了一系列研究分析,其動力試驗采用的是錘擊法、脈動法和自由振動法,獲得了結構的柔度、頻率、阻尼等動力特性。

李國強等對鋼-砼混合結構進行了1:20的縮尺模型模擬地震振動臺試驗,他們測試的主要是加速度的反應、模型的位移、砼核心筒的底層和鋼框架柱的豎向動應變,而且也觀察了砼核心筒裂縫發生、開展的過程,鋼框架梁和砼核心筒連接位置砼開裂、破壞的過程，核心筒角柱和暗柱縱筋屈曲外鼓的情況,還有砼核心筒和鋼框架共同工作發揮的性能等。實驗得出的結論是,隨著地震強度的加大,混合體系的破壞加劇,隨著阻尼的增大,結構自振頻率下降;而且結構毀壞大部分是集中于砼核心筒,出現了核心筒砼底層受壓破壞、角柱與暗柱縱筋壓屈,然而鋼框架是處于彈性階段,破壞現象不明顯，結構整體破壞是屬于彎曲型。

呂西林等開展了抗震性能試驗研究來分析鋼筋-砼核心筒,一共做了兩組五個鋼筋砼筒體試件的低周期反復加載試驗。主要研究的是軸壓比和核心筒延性性能相關程度，還有在軸壓比和高軸壓下鋼筋-砼核心筒體的承載力、破壞形態、層間剪力對核心筒受力和抗震性能的影響。實驗研究發現，隨著軸壓比增加，在變形能力方面,位移延性系數隨著軸壓比的增大而下降，筒體表現出了很強的“剪力滯后”作用，對筒體連梁的開裂和破壞影響不大,但是對核心筒體的承載能力、延性、破壞模式、耗能能力等抗震性能影響還是比較大的。

以上的研究成果能夠看出,在對鋼-砼核心筒結構體系進行研究分析時,一部分運用的是彈性分析方法;另一部分運用的是彈塑性分析方法。目前核心筒與核心筒特性相似的剪力墻的研究成果已經為核心筒的非線性分析模型奠定了基礎。

四、鋼筋-混凝土核心筒研究的不足

現在的鋼-砼核心筒混合結構應用比較廣泛，然而我們對其非線性分析模型的抗震性能的研究還是很缺乏的，盡管已經有學者提出了一些核心筒宏觀非線性分析模型,但它們都比較簡單,不能真實的地反映核心筒在地震作用下特性。

五、個人的看法淺談

我們在分析鋼筋-砼核心筒受力性能的基礎上,確定一個合理的核心筒非線性分析模型和相應的滯變模型,然后運用相應的鋼筋-砼核心筒的動力非線性分析方法,結合現有鋼筋砼剪力墻宏觀分析模型來處理鋼筋-砼核心筒結構非線性問題。

[1]陳云濤、呂西林,聯肢剪力墻抗震性能研究-試驗和理論分析,建筑結構學報,第24卷第4期,2003年8月。

[2]丁翔,高層建筑鋼-砼混合結構非線性抗震性能理論與試驗研究,同濟大學博士學位論文,2001年。

[3]黃海、閻興華、張艷霞,鋼-砼混合結構在我國超高層建筑中的應用與研究,北京建筑工程學院學報,第18卷第4期,2000年12月。

[4]蔣歡軍、呂西林,一種宏觀剪力墻單元模型應用研究,地震工程與工程振動,第23卷第l期,2003年2月。