剛度比對框架-核心筒體結構抗震性能的影響

阮左正

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

0 引 言

框架核心筒中的外框架部分采用型鋼砼柱和H型鋼梁，內部筒體部分采用鋼筋混凝土剪力墻結構。H型鋼梁與內部筒體采用鉸接連接，與型鋼砼柱剛性連接。由于軟件的局限性，殼單元不能設置塑性鉸，因此對于筒體進入塑性階段的性能需要考慮采用等效轉化的方法，通常的做法是采用將剪力墻簡化成框架斜支撐的宏模型，結構簡化模型見圖1。

圖1 框架-筒體簡化計算模型示意圖Fig.1 Simplified calculation model of a frame-cylinder structure

1 框架與筒體剛度比對結構受力性能的影響分析

1.1 分析方案

按照上節介紹的簡化方法將剪力墻等效成斜支撐結構，采用振型分布的形式，對該結構進行空間計算分析并得到前三階振型模態分析結果。并采用如下2種方案進行對比分析。方案1：主要構件截面尺寸見表1。為了改變框架部分與筒體部分的剛度比，先保證筒體剛度不變即剪力墻厚度不變，通過調整框架柱截面尺寸來改變外部框架部分的剛度。

表1 方案1模型主要參數Tab.1 Main model parameters for scheme 1

方案2：主要構件截面尺寸見表2。保證外部框架剛度不變即框架柱截面尺寸不變，通過調整核心筒體的剪力墻厚度改變筒體部分的剛度。

表2 方案2模型主要參數Tab.2 Main model parameters for scheme 2

1.2 計算結果分析

1.2.1 樓層剪力

為分析剛度比對各層剪力值分配情況的影響，對上述分析模型進行push-over分析，能夠得出各個樓層剪力值在多遇地震和罕遇地震的變化情況。

(1)方案1樓層剪力

不同框架柱截面尺寸下的各樓層剪力占總基底剪力的百分比見圖2，圖中即包含多遇地震也給出了罕遇地震情況下百分比。圖中Ⅰ～Ⅳ代表表2中的4種不同模型。

通過對圖2的分析，可以得出如下結論：各樓層剪力值得變化趨勢變化不大，并不受多遇地震或者罕遇地震的影響。①當筒體剪力墻厚度不變，即核心筒剛度相同的條件下，框架部分所承擔剪力隨柱截面尺寸的加大而增加，相應的筒體所承擔剪力減小。②層數越高，框架部分所承擔剪力的百分比越大，當筒體剪力墻進入屈服階段后，框架剪力百分比變大的趨勢更加明顯，而底層框架所承擔剪力百分比是最小。

圖2 方案1各模型剪力分配Fig.2 Shear force distributions in models for scheme 1

(2)方案2模型樓層剪力

不同筒體剪力墻厚度下的各樓層剪力占總基底剪力的百分比見圖3，圖中即包含多遇地震也給出了罕遇地震情況下百分比。

圖3 方案2各模型剪力分配Fig.3 Shear force distributions in models for scheme 2

通過對圖3的分析，可以得出如下結論：①罕遇地震情況下，隨著筒體剪力墻厚度的變大，20層以下的框架所承擔的剪力所占百分比相對較小，而20層以上，各樓層框架承擔剪力所占百分比趨于相同。從而可得出，框架部分承擔剪力所占百分比受筒體剪力墻厚度影響很小。②多遇地震情況下，結構仍然在彈性范圍內，框架承擔剪力占比沿層高分布趨勢與理論模型基本一致，即最下部趨于零，向上逐漸增加，大概在20層附近達到極值，之后減小，然后在頂層會有明顯加大。筒體剪力墻厚度的變化對剪力占比影響不大。

1.2.2 樓層傾覆力矩

(1)方案1樓層彎矩

對于高層結構，在計算分析過程中，傾覆力矩必須作為一項重要指標得到檢驗。圖4、圖5示意出了方案1中不同模型的外部框架和內部筒體彎矩以及總彎矩沿樓層高度的變化情況，既包含多遇地震也包含罕遇地震下的情況。

(a)模型Ⅰ

圖5 方案1各模型各樓層彎矩所占百分比Fig.5 Bending moment shares in stories of each model for scheme 1

(2)方案2樓層彎矩

不同筒體剪力墻厚度下，框架和筒體部分各樓層彎矩以及彎矩沿樓層所占百分比的變化情況見圖6、圖7。

(a)模型t300層彎矩

圖7 方案2各模型各樓層彎矩所占百分比Fig.7 Bending moment shares in stories of each model for scheme 2

通過圖6、圖7的分析可知：框架部分和筒體部分所承擔的彎矩及所占總彎矩百分比分別隨著框架柱截面和筒壁剪力墻厚度的增大而增加，這一趨勢并不隨著多遇地震和罕遇地震而變化。從圖中可以看出，10層以下，彎矩值和所占百分比的變化趨勢更加明顯，而10層以上變化趨勢減弱，即高層結構的底部彎矩值對構件截面尺寸的變化更加敏感。

1.2.3 結構側向變形

(1)方案1模型位移分析

多遇地震和罕遇地震情況下，框架柱截面尺寸的變化對層位移和層間位移角的變化趨勢見圖8。

(a)層位移

通過圖8的分析可知：①層位移、層間位移角隨著框架柱截面尺寸的增大而減小。而且層間位移和位移角在20層以上的變化很小，在20層附近最大；②表3給出了多遇地震和罕遇地震情況下的最大層間位移角，同時給出了相應的樓層位置；③層間位移隨著層數變化呈彎曲型；④多遇地震條件下，隨著框架柱截面尺寸的減小，層間位移角最大值所在樓層位置明顯上移，而罕遇地震則趨勢相反。

表3 最大層間位移角及其位置Tab.3 Stories and the maximum inter displacement angles

(1)方案2模型位移分析

筒體剛度變化的4種模型在多遇地震和罕遇地震作用下的位移值見圖9。

通過對圖9的分析可知：①層位移、層間位移角隨著筒體剪力墻厚度的增大而減小。而且層間位移和位移角在15層以上的變化幅度很小，在15層附近最大；②表4給出了多遇地震和罕遇地震情況下的最大層間位移角，同時給出了相應的樓層位置；③層間位移隨著層數變化亦呈彎曲型；④多遇地震條件下，隨著筒體剪力墻厚度的增加，層間位移角最大值所在樓層位置明顯上移，而罕遇地震則趨勢相反。

(a)層位移

表4 最大層間位移角及其發生的位置Tab.4 Stories and the maximum inter displacement angles

2 結 語

通過改變外部框架與內部核心筒間的相對剛度，對比分析了剛度比對抗震性能的影響，經計算和對比分析得出以下結論：

(1)對于鋼筋砼-核心筒這種結構，框架部分所承擔剪力占總剪力的百分比隨著框架與筒體剛度比的增大而增加，尤其在彈塑性階段，所占百分比加大的更加明顯；

(2)框架所承擔的樓層彎矩占總彎矩的百分比隨著剛度比的增加而加大，但增加的并不明顯；

(3)無論是多遇地震還是罕遇地震，框架核心筒結構的整體變形趨勢都是彎曲型，而這種趨勢受剛度比的影響并不大；

(4)外部框架與內部筒體的剛度比對結構側向變形和層間位移角的影響很小，隨剛度比的增加，結構變形稍有增大。