杜勇

（中國十九冶集團有限公司勘察設(shè)計公司，四川 成都 611730）

隨著社會經(jīng)濟與科技水平穩(wěn)步提高，超高層建筑數(shù)量增多，工程建設(shè)期間的鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)抗震性能已然成為社會關(guān)注的重點。為確保編制出的設(shè)計方案能夠使核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計目標相符，需要采用更加先進科學(xué)的設(shè)計方式，明確鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)細節(jié)與參數(shù)數(shù)值，使設(shè)計方案能夠為鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)后期施工提供重要理論依據(jù)。

1 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能理論研究

1.1 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)年產(chǎn)量逐步增加，預(yù)計到2023年將達到13000千萬t。與傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，控制工程后期維護成本。由于鋼結(jié)構(gòu)自身高度較小、抗側(cè)移性能較弱，在增加支撐系統(tǒng)或減震系統(tǒng)后，會在地震或強風的作用下產(chǎn)生較大搖擺，難以滿足高層建筑用戶舒適度要求。同時，鋼結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)由兩種不同性能的材料構(gòu)成，被使用在組合樓板、組合梁、組合柱中，可進一步提升結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)完整。

1.2 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)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(nèi)筒結(jié)構(gòu)形式，以鋼筋混凝土材料為主。鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是當前超高層建筑中的主流結(jié)構(gòu)形式之一，可以切實提升建筑內(nèi)部空間利用率，使其他輔助性服務(wù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實際使用期間，混凝土筒心肩負起抵抗建筑整體水平側(cè)力的重要職責。由于鋼結(jié)構(gòu)及混凝土材料存在較大性能差異，兩種構(gòu)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(nèi)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(yīng)的柱體截面被控制在合理范圍之內(nèi)，進一步擴大了建筑工程內(nèi)部的可利用空間。

經(jīng)過實際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，過于注重提升鋼筋混凝土核心筒剛度，弱化鋼框架結(jié)構(gòu)體系，會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)整體難以承擔起強震作用。在地震工況下，鋼框架結(jié)構(gòu)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(shè)計承載能力，導(dǎo)致建筑傾斜甚至倒塌的問題出現(xiàn)。下圖1為鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

圖1 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)

2 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)受力

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

鋼筋混凝土核心筒屬于多重防線結(jié)構(gòu)體系，其內(nèi)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(cè)力剛度。核心筒外圍主要是框架柱，可以在地震作用下與內(nèi)部核心筒結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，保障建筑總體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在不同連接形式下，鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)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(yīng)用在以鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系下，建筑節(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)整體側(cè)向承載力。

在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中，核心筒與框架結(jié)構(gòu)剛度差異較大，外圍框架成為抗震第二防線，使框架結(jié)構(gòu)的承載力與高層建筑混凝土設(shè)計規(guī)范、建筑抗震設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

本文以某市一建筑工程為例，分析該建筑工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，制定出專項合理的鋼筋混凝土核心筒抗震性能設(shè)計目標，確保后期抗震設(shè)計的計算工作能夠高效高質(zhì)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?shù)仡C布的建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，發(fā)現(xiàn)當?shù)赜嬎阄灰苹撅L壓為0.65 kN/m2，地面粗糙度為A類。場地設(shè)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(jīng)實地勘察發(fā)現(xiàn)，建筑工程地震動峰值加速度是當前設(shè)計規(guī)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(shù)取抗震設(shè)計規(guī)范值。

3.2 工程抗震結(jié)構(gòu)材料與平面布局

該建筑工程整體抗震設(shè)防烈度為7度，結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒。為充分發(fā)揮混凝土及鋼材的使用性能，柱體結(jié)構(gòu)需要采用矩形鋼管混凝土柱，核心筒的外梁應(yīng)當為鋼梁，內(nèi)部應(yīng)當為混凝土梁，樓面整體采用壓型鋼板現(xiàn)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(shè)計過程中，由于建筑結(jié)構(gòu)整體為豎向不規(guī)則形式，因此需要采用更加精確的設(shè)計手段，確保建筑抗震性能能夠滿足相關(guān)標準，使建筑內(nèi)部的墻肢在設(shè)防烈度下的整體抗剪承載力符合中震彈性指數(shù)。

4 鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方式

4.1 靜力彈塑性分析設(shè)計方式

借助靜力彈塑性分析方式設(shè)計鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，確保建筑在多遇地震下的彈性設(shè)計更加合理，總結(jié)出潛在破壞機制，發(fā)現(xiàn)并加固核心筒內(nèi)部存在的薄弱點。

在使用靜力彈塑性分析設(shè)計手段時，需要假設(shè)地震反應(yīng)能夠受第一振型控制。使用相應(yīng)設(shè)計軟件，沿結(jié)構(gòu)高度施加水平作用力，并將其加至結(jié)構(gòu)目標處。獲得目標位以下結(jié)構(gòu)的基底剪力，繪制出相應(yīng)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(jié)構(gòu)承載力與變形性能點。

與其他設(shè)計手段相比，該設(shè)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(jié)構(gòu)變性較大或塑性反應(yīng)突出部位，從根本上提升核心筒設(shè)計方案的合理性及可行性。

4.2 動力彈塑性設(shè)計方式

動力彈塑性設(shè)計方式主要是計算出鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在地震波持續(xù)加長的情況下，結(jié)構(gòu)對應(yīng)地震加速度的結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)。有效運用此種設(shè)計方式，能夠充分考慮到不同因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，如地震幅度、頻率特征、持續(xù)時長等，是當前分析地震波對鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)的主要方式。在該設(shè)計方式使用期間，需要配合使用三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件，對結(jié)構(gòu)變形及強度限制狀態(tài)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(jié)語

總而言之，在鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計過程中，需嚴格遵循國家及有關(guān)部門針對鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計工作發(fā)布的規(guī)定，細致分析不同施工場地條件、結(jié)構(gòu)類型特征、工程實際建設(shè)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(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行細致評估，確保所制定出的鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計方案既能滿足建筑功能需求，又能提升建筑工程整體穩(wěn)定性，在延長工程全生命周期中發(fā)揮出重要作用。