孫 健/華北理工大學(xué)建筑與土木工程

淺談鋼筋-砼核心筒發(fā)展前景

孫 健/華北理工大學(xué)建筑與土木工程

本文介紹了鋼筋混凝土核心筒的研究現(xiàn)狀、研究成果、取得的成就，以及存在的不足，還有個(gè)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(yīng)分析

一、鋼筋-混凝土核心筒研究現(xiàn)狀

最近幾十年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合實(shí)力的增強(qiáng),土木工程得到了前所未有的發(fā)展。由于建筑物高度的增加,單抗側(cè)力體系不能滿足抗側(cè)剛度的要求，而其中的鋼框架與砼核心筒相結(jié)合的雙重抗側(cè)力體系是一種比較理想的抗側(cè)力體系,它具有鋼框架和核心筒二者的優(yōu)點(diǎn)：一方面,砼核心筒具有很強(qiáng)的抗側(cè)剛度,在地震和風(fēng)荷載的影響下對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能產(chǎn)生很好的控制作用,同時(shí)還能防止柱上發(fā)生塑性鉸;另一方面,因?yàn)殇摽蚣苤灾剌p,所以可減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量,能有效降低地震作用產(chǎn)生的影響；還有一點(diǎn),就是在各個(gè)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(chǎn)生有效的能量消耗作用。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)體系具有鋼結(jié)構(gòu)施工速度快和砼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在已經(jīng)在我國的高層建筑特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)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(duì)鋼-砼混合體系進(jìn)行了彈塑性地震反應(yīng)分析,考慮到不同桿件的特點(diǎn),對(duì)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(zhì)量集中于樓層處的層間模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析。程紹革是對(duì)一幢鋼-砼筒結(jié)構(gòu)體系做了一次在罕遇大震下的彈塑性時(shí)程分析,在對(duì)該體系進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析的時(shí)候,采用的也是桿系模型,把砼核心筒體系的抗側(cè)剛度等效成為寬柱框架,等效框架再與外圍鋼框架用不計(jì)軸向變形的二力桿相連,進(jìn)而組成了混合體系的計(jì)算模型。劉英、蔡益燕等在做鋼-砼核心筒混合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究時(shí),運(yùn)用SAP84有限元分析程序進(jìn)行了水平地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析,把四周的鋼框架梁柱假設(shè)為三維的空間桿系單元,砼核心筒運(yùn)用的是墻單元;如果鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)、姜麗人等在做鋼-砼混合結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)研究時(shí),是把它分為外鋼框架和內(nèi)砼核心筒兩個(gè)部分：外部鋼框架再進(jìn)一步簡(jiǎn)化為半剛架,內(nèi)砼核心筒再進(jìn)一步簡(jiǎn)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(lián),從而形成了簡(jiǎn)化計(jì)算模型。后來李國強(qiáng)、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(yùn)用的桿系模型,砼剪力墻運(yùn)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(xié)調(diào)來求解。周向明、李國強(qiáng)、丁翔又采用以層模型為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)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(lián)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(jiǎn)化為平行于地震荷載方向的抗震墻。廖曉璐等運(yùn)用的是等效結(jié)構(gòu)法來計(jì)算鋼框架-砼核心筒結(jié)構(gòu)彈性階段和彈塑性階段的振型阻尼比,進(jìn)而分析看在不同的阻尼比取值下的地震反應(yīng)現(xiàn)象。除此之外,也有學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)的布置和剛度進(jìn)行了分析研究,如阮永輝對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的鋼框架-砼核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)運(yùn)用在地震區(qū),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(duì)鋼-砼混合結(jié)構(gòu)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(yàn)方面和計(jì)算方面獲得了一定的成果。

在九十年代初中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所曾對(duì)一座23層的鋼-砼混合結(jié)構(gòu)模型展開了一系列研究分析,其動(dòng)力試驗(yàn)采用的是錘擊法、脈動(dòng)法和自由振動(dòng)法,獲得了結(jié)構(gòu)的柔度、頻率、阻尼等動(dòng)力特性。

李國強(qiáng)等對(duì)鋼-砼混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了1:20的縮尺模型模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),他們測(cè)試的主要是加速度的反應(yīng)、模型的位移、砼核心筒的底層和鋼框架柱的豎向動(dòng)應(yīng)變,而且也觀察了砼核心筒裂縫發(fā)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(fā)揮的性能等。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是,隨著地震強(qiáng)度的加大,混合體系的破壞加劇,隨著阻尼的增大,結(jié)構(gòu)自振頻率下降;而且結(jié)構(gòu)毀壞大部分是集中于砼核心筒,出現(xiàn)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(xiàn)象不明顯，結(jié)構(gòu)整體破壞是屬于彎曲型。

呂西林等開展了抗震性能試驗(yàn)研究來分析鋼筋-砼核心筒,一共做了兩組五個(gè)鋼筋砼筒體試件的低周期反復(fù)加載試驗(yàn)。主要研究的是軸壓比和核心筒延性性能相關(guān)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(tài)、層間剪力對(duì)核心筒受力和抗震性能的影響。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓比增加，在變形能力方面,位移延性系數(shù)隨著軸壓比的增大而下降，筒體表現(xiàn)出了很強(qiáng)的“剪力滯后”作用，對(duì)筒體連梁的開裂和破壞影響不大,但是對(duì)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(duì)鋼-砼核心筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究分析時(shí),一部分運(yùn)用的是彈性分析方法;另一部分運(yùn)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(jīng)為核心筒的非線性分析模型奠定了基礎(chǔ)。

四、鋼筋-混凝土核心筒研究的不足

現(xiàn)在的鋼-砼核心筒混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛，然而我們對(duì)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(jīng)有學(xué)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(jiǎn)單,不能真實(shí)的地反映核心筒在地震作用下特性。

五、個(gè)人的看法淺談

我們?cè)诜治鲣摻?砼核心筒受力性能的基礎(chǔ)上,確定一個(gè)合理的核心筒非線性分析模型和相應(yīng)的滯變模型,然后運(yùn)用相應(yīng)的鋼筋-砼核心筒的動(dòng)力非線性分析方法,結(jié)合現(xiàn)有鋼筋砼剪力墻宏觀分析模型來處理鋼筋-砼核心筒結(jié)構(gòu)非線性問題。

[1]陳云濤、呂西林,聯(lián)肢剪力墻抗震性能研究-試驗(yàn)和理論分析,建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),第24卷第4期,2003年8月。

[2]丁翔,高層建筑鋼-砼混合結(jié)構(gòu)非線性抗震性能理論與試驗(yàn)研究,同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2001年。

[3]黃海、閻興華、張艷霞,鋼-砼混合結(jié)構(gòu)在我國超高層建筑中的應(yīng)用與研究,北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),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(yīng)用研究,地震工程與工程振動(dòng),第23卷第l期,2003年2月。