李 新 馬奎升 劉煥磊

(山東科技大學(xué)，山東青島 266590)

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷發(fā)展的同時，從建筑形式上來說，現(xiàn)代建筑有很大的變化和創(chuàng)新;從功能上來看，多樣化以及綜合化的特點越來越明顯，所以筒體結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中的比重越來越大。隨著建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)的增多，水平的風(fēng)荷載以及豎向荷載和地震對它們的影響越來越大，由平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)所構(gòu)成常規(guī)的框架、剪力墻和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)僅僅是一種平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，已不能滿足現(xiàn)在高層建筑結(jié)構(gòu)的功能要求。隨之出現(xiàn)了由平面剪力墻可組成空間薄壁筒體或者由密柱深梁形成框筒來抵抗水平力的筒體結(jié)構(gòu)。

1 鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的發(fā)展

從20世紀(jì)70年代開始高層建筑進(jìn)入快速發(fā)展時期，由于常規(guī)體系(如剪力墻、框架和框架—剪力墻結(jié)構(gòu))已不能滿足建筑和結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性的要求，筒體結(jié)構(gòu)隨之出現(xiàn)。美國的坎恩(Fazler R.Khan)第一次在框架結(jié)構(gòu)中采用密柱深梁結(jié)構(gòu)。

我國對框筒及筒中筒結(jié)構(gòu)的研究從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行，并建造一批筒中筒結(jié)構(gòu)，如50層的深圳國貿(mào)中心大廈和63層的廣州國際大廈。近年來，由于經(jīng)濟(jì)實力增強和城市建設(shè)步伐的加快，出現(xiàn)了很多鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑，如上海的金茂大廈和廣西南寧的地王大廈?？傊?，鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)因其內(nèi)外筒之間形成了大面積的無柱空間，從而具有很大的承載力和抗側(cè)力剛度，以及很好的抗扭剛度。因此，筒體結(jié)構(gòu)在各類高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的抗震特點

鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)包括筒中筒結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)以及框架—核心筒結(jié)構(gòu)等(見圖1)。對于常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)起決定作用的是豎向荷載，而在高層筒體結(jié)構(gòu)中豎向荷載雖然仍起了重要作用，但是水平荷載已成為影響建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性因素。

如圖2所示，豎向構(gòu)件受到豎向荷載時，其軸力N與結(jié)構(gòu)高度H呈線性關(guān)系，N隨著H的增加而增加。而構(gòu)件受到水平荷載時其底部的彎矩M與高度H的關(guān)系式為:M=f(H2);結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移Δ隨著建筑高度H的增大而增大，建筑結(jié)構(gòu)頂點的側(cè)移Δ與高度H的關(guān)系式:Δ=f(H4)。綜上所述，鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)中起控制作用的是水平作用，因此，必然要研究水平地震作用下鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的受力特點。

對于鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)來說，實際工程中常見的形式是框架—核心筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)，下面就僅這兩種結(jié)構(gòu)的抗震特點進(jìn)行總結(jié)分析。

鋼框架—核心筒體系是一種服務(wù)性設(shè)施，是指剛接或鉸接的框架和鋼筋混凝土的芯筒所組成的一種混合的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系一般將鋼框架或型鋼混凝土框架布置于中心部位的服務(wù)性豎井外圍，并將剪力墻核心筒設(shè)置于服務(wù)性設(shè)施周圍。理論分析和試驗研究表明，這種核心筒整個截面變形基本符合平截面假定，當(dāng)受到水平地震作用力時，水平垂直的翼緣和水平方向的腹板均參與工作。在地震作用下這種框架—核心筒結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生以下幾種破壞形式:剪力引起的斜向受拉破壞及斜向受壓破壞、施工縫截面上的剪切滑移破壞或薄壁界面墻的壓屈失穩(wěn)。前四種破壞全部都屬于脆性破壞，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時，結(jié)構(gòu)的強度會急劇下降。此外當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時如果在連續(xù)梁的墻體根部和端頭產(chǎn)生塑性鉸，核心筒甚至?xí)l(fā)生連梁的彎曲剪切破壞以及墻體底部的受彎鋼筋屈服破壞，此時結(jié)構(gòu)中由于地震所產(chǎn)生的能量可以以某種穩(wěn)定的形式耗散掉。分析結(jié)構(gòu)的破壞過程可知，該結(jié)構(gòu)處于彈性階段時，絕大部分的水平力由芯筒承擔(dān)，但是芯筒底部在地震荷載的往復(fù)作用下首先開裂，于是框架承受了大部分的水平力，且隨著結(jié)構(gòu)破壞程度的加強，框架部分承擔(dān)的荷載比例逐漸加大，隨著破壞程度的繼續(xù)增加，樓板四周的中部出現(xiàn)了開裂，且底層部分幾乎全部開裂，但是結(jié)構(gòu)的承載力沒有明顯下降，直到內(nèi)部配筋屈服后承載力才開始下降并發(fā)生脆性破壞，則框架部分成為了第二道抗震防線，所以此類結(jié)構(gòu)稱為雙重抗震結(jié)構(gòu)。

水平荷載作用產(chǎn)生的變形對于框架—核心筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。那么如何限制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移就成為結(jié)構(gòu)抗震研究的重點，目前有兩種比較常用的限制側(cè)向位移的方法:設(shè)置水平加強層以及設(shè)置耗能減震層。設(shè)置加強層會使結(jié)構(gòu)發(fā)生剛度和內(nèi)力突變從而容易形成薄弱層，并且這與“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的延性設(shè)計概念不符。而設(shè)置耗能減震層會使框架柱的軸力變化比較緩和且對結(jié)構(gòu)底部的剪力和彎矩影響不大。因此，從對結(jié)構(gòu)的整體控制效果上來考慮，設(shè)置耗能減震層的抗震效果要優(yōu)于設(shè)置加強層。

框筒的翼緣和腹板框架部分在中間部分的應(yīng)力大于框筒結(jié)構(gòu)，而在角區(qū)附近實腹筒體的應(yīng)力要大于框筒的，這種現(xiàn)象稱為剪力滯后(見圖3)。此效應(yīng)會產(chǎn)生較大的層間剪切變形，是因為結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮整體抗彎性能。外框筒在水平地震荷載作用下會產(chǎn)生較大比重的剪彎變形，內(nèi)筒在水平地震荷載作用下會產(chǎn)生彎曲變形，其層間剪切變形較小。筒中筒結(jié)構(gòu)外筒和內(nèi)筒的剪彎變形與彎曲變形位移相反，結(jié)構(gòu)底層的層間最大位移角和頂點水平位移均減小。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)具有較強的水平承載力，則外框筒柱發(fā)生脆性剪切破壞。筒中筒結(jié)構(gòu)的空間承載力減弱，為了消除剪力滯后效應(yīng)帶來的不利影響，應(yīng)當(dāng)采取限制框筒結(jié)構(gòu)的柱距、控制框筒結(jié)構(gòu)的長寬比等措施來緩和剪力滯后效應(yīng)。

3 結(jié)語

經(jīng)過分析，我們可以看出鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大，且具有多道抗震設(shè)防體系，雖然框架—核心筒結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的頂點側(cè)移，其結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)比較顯著，但相對來說筒體具有較強的抵抗水平荷載的能力。值得注意的是關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震方面的理論仍不完善，考慮的地震影響因素并不完全，在抗震性能方面依然需要進(jìn)一步的研究。

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