鋼筋混凝土核心筒結構抗震性能分析和設計方法研究

杜勇

（中國十九冶集團有限公司勘察設計公司，四川 成都 611730）

隨著社會經濟與科技水平穩步提高，超高層建筑數量增多，工程建設期間的鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒混合結構抗震性能已然成為社會關注的重點。為確保編制出的設計方案能夠使核心筒結構抗震性能與設計目標相符，需要采用更加先進科學的設計方式，明確鋼筋混凝土核心筒結構細節與參數數值，使設計方案能夠為鋼筋混凝土核心筒結構后期施工提供重要理論依據。

1 鋼筋混凝土核心筒結構抗震性能理論研究

1.1 鋼筋混凝土核心筒結構形式

現階段我國鋼結構年產量逐步增加，預計到2023年將達到13000千萬t。與傳統單一結構相比，鋼筋混凝土使用性能更高，可進一步提升建筑工程的穩定性，控制工程后期維護成本。由于鋼結構自身高度較小、抗側移性能較弱，在增加支撐系統或減震系統后，會在地震或強風的作用下產生較大搖擺，難以滿足高層建筑用戶舒適度要求。同時，鋼結構自身的防火以及防腐蝕性能不高，在將其用在建筑工程中，需要與混凝土共同組成鋼管混凝土、鋼筋混凝土等復合結構。

鋼筋混凝土核心筒結構由兩種不同性能的材料構成，被使用在組合樓板、組合梁、組合柱中，可進一步提升結構承載力。由于兩種材料共同受力，能夠傳遞變形作用，保障建筑結構完整。

1.2 鋼筋混凝土核心筒結構特征

鋼筋混凝土核心筒位于建筑平面布置中心，包括電梯井道、樓梯、通風井及電纜井，與外部框架共同形成外框內筒結構形式，以鋼筋混凝土材料為主。鋼筋混凝土核心筒結構是當前超高層建筑中的主流結構形式之一，可以切實提升建筑內部空間利用率，使其他輔助性服務空間功能集聚在一起，為主功能空間提供最佳采光位置。

鋼筋混凝土核心筒結構主要分為束筒空腹式與鋼筋混凝土剪力墻下實腹式核心筒兩種類型。在該結構實際使用期間，混凝土筒心肩負起抵抗建筑整體水平側力的重要職責。由于鋼結構及混凝土材料存在較大性能差異，兩種構件的截面差距較大，可進一步提升建筑整體承載力。核心筒內部鋼框架需要承擔最大的豎向荷載與小部分水平荷載，在高層或超高層建筑工程中，鋼框架承擔的水平荷載比重更小，相應的柱體截面被控制在合理范圍之內，進一步擴大了建筑工程內部的可利用空間。

經過實際調查研究發現，過于注重提升鋼筋混凝土核心筒剛度，弱化鋼框架結構體系，會導致建筑結構整體難以承擔起強震作用。在地震工況下，鋼框架結構需要承擔的水平荷載將進一步增大，嚴重則會超過鋼框架設計承載能力，導致建筑傾斜甚至倒塌的問題出現。下圖1為鋼筋混凝土核心筒結構。

圖1 鋼筋混凝土核心筒結構

2 鋼筋混凝土核心筒結構受力

在高層或超高層建筑結構設計期間，不僅需要使用單一框架、剪力墻結構，還應當設計出合理的核心筒、筒中筒等結構形式。在部分地震災害頻發地區，為確保建筑工程能夠更好抵御地震作用，還應當配合使用雙重或多重抗側力體系結構形式。具體而言，設置第一道結構體系承載地震力。在地震力不斷增大情況下，結構體系變形作用增大，構件變形程度不斷累加。為確保建筑結構體系內部的塑性內力分布更加合理，需要采用第二或第三道結構體系承載地震作用。

鋼筋混凝土核心筒屬于多重防線結構體系，其內部核心筒主要由剪力墻組成，可以有效提升建筑工程的整體性能和抗側力剛度。核心筒外圍主要是框架柱，可以在地震作用下與內部核心筒結構協同受力，保障建筑總體結構的穩定性。

在不同連接形式下，鋼筋混凝土核心筒結構也可分為剛接框架核心筒、鉸接框架核心筒兩種類型。其中，鉸接框架核心筒主要被應用在以鋼結構為主的水平梁連接過程中，通過將鉸接點與混凝土緊密連接在一起，增強建筑承載力。在此種結構體系下，建筑節點難以承擔彎矩，無法在水平力作用下提供抗彎剛度，致使建筑柱腳應力較為集中；鋼筋框架核心筒主要作用是將樓面梁與外圍框架柱的核心筒整澆在一起，形成剛接節點，以更好承擔起框架柱與核心筒之間的框架變形差異，切實提升建筑結構整體側向承載力。

在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構中，核心筒與框架結構剛度差異較大，外圍框架成為抗震第二防線，使框架結構的承載力與高層建筑混凝土設計規范、建筑抗震設計要求相符。不僅如此，在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構設計期間，需要保證外圍框架柱的截面尺寸適宜，增強框架柱的剛度，并使用適宜的設計方式提高核心筒墻體的延性。

3 鋼管混凝土框架——鋼筋混凝土核心筒結構設計參數

本文以某市一建筑工程為例，分析該建筑工程結構構件尺寸，制定出專項合理的鋼筋混凝土核心筒抗震性能設計目標，確保后期抗震設計的計算工作能夠高效高質開展。

3.1 工程概況

建筑工程占地總面積共71250m2，共41層，屬于高層建筑形式。從功能上劃分，建筑主要分為交易場所、辦公場所以及酒店場所三部分。依照當地頒布的建筑結構荷載規范，發現當地計算位移基本風壓為0.65 kN/m2，地面粗糙度為A類。場地設計年限50年，超越概率為63%，水平向地震峰值加速度為43cm/s2。經實地勘察發現，建筑工程地震動峰值加速度是當前設計規范的1.2倍，因此需要在實際驗算過程中，采用多遇地震驗算方式，地震作用參數取抗震設計規范值。

3.2 工程抗震結構材料與平面布局

該建筑工程整體抗震設防烈度為7度，結構形式為鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒。為充分發揮混凝土及鋼材的使用性能，柱體結構需要采用矩形鋼管混凝土柱，核心筒的外梁應當為鋼梁，內部應當為混凝土梁，樓面整體采用壓型鋼板現澆混凝土組合樓板。

在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒抗震性能設計過程中，由于建筑結構整體為豎向不規則形式，因此需要采用更加精確的設計手段，確保建筑抗震性能能夠滿足相關標準，使建筑內部的墻肢在設防烈度下的整體抗剪承載力符合中震彈性指數。

4 鋼筋混凝土核心筒結構抗震設計方式

4.1 靜力彈塑性分析設計方式

借助靜力彈塑性分析方式設計鋼筋混凝土核心筒結構，確保建筑在多遇地震下的彈性設計更加合理，總結出潛在破壞機制，發現并加固核心筒內部存在的薄弱點。

在使用靜力彈塑性分析設計手段時，需要假設地震反應能夠受第一振型控制。使用相應設計軟件，沿結構高度施加水平作用力，并將其加至結構目標處。獲得目標位以下結構的基底剪力，繪制出相應的能量曲線。在同一坐標系中同時繪制能量曲線與需求曲線，將兩曲線的交點作為特定作用下結構承載力與變形性能點。

與其他設計手段相比，該設計方式可以更為直觀的找到鋼筋混凝土核心筒薄弱部位，如最大層間位移、結構變性較大或塑性反應突出部位，從根本上提升核心筒設計方案的合理性及可行性。

4.2 動力彈塑性設計方式

動力彈塑性設計方式主要是計算出鋼筋混凝土核心筒結構在地震波持續加長的情況下，結構對應地震加速度的結構彈塑性反應。有效運用此種設計方式，能夠充分考慮到不同因素對結構抗震性能的影響，如地震幅度、頻率特征、持續時長等，是當前分析地震波對鋼筋混凝土核心筒結構彈塑性反應的主要方式。在該設計方式使用期間，需要配合使用三維結構非線性分析與性能評估軟件，對結構變形及強度限制狀態進行非線性分析，使鋼筋混凝土核心筒抗震性能能夠得到精準評估。

5 結語

總而言之，在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構抗震性能設計過程中，需嚴格遵循國家及有關部門針對鋼筋混凝土核心筒結構設計工作發布的規定，細致分析不同施工場地條件、結構類型特征、工程實際建設要求等因素，借助先進的有限元分析軟件，對不同地震等級下鋼筋混凝土核心筒結構的狀態進行細致評估，確保所制定出的鋼筋混凝土核心筒結構設計方案既能滿足建筑功能需求，又能提升建筑工程整體穩定性，在延長工程全生命周期中發揮出重要作用。