鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的發(fā)展及抗震特點(diǎn)

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(shí)，從建筑形式上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代建筑有很大的變化和創(chuàng)新;從功能上來(lái)看，多樣化以及綜合化的特點(diǎn)越來(lái)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(lái)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(duì)它們的影響越來(lái)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(lái)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(kāi)始高層建筑進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)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(qiáng)度、剛度和延性的要求，筒體結(jié)構(gòu)隨之出現(xiàn)。美國(guó)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(guó)對(duì)框筒及筒中筒結(jié)構(gòu)的研究從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行，并建造一批筒中筒結(jié)構(gòu)，如50層的深圳國(guó)貿(mào)中心大廈和63層的廣州國(guó)際大廈。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)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。總之，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(wú)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(diǎn)

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(jiàn)圖1)。對(duì)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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)。

對(duì)于鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，實(shí)際工程中常見(jiàn)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(diǎn)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(yàn)研究表明，這種核心筒整個(gè)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(shí)，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(huì)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(shí)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)急劇下降。此外當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)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(shí)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(guò)程可知，該結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí)，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(kāi)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(qiáng)，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(kāi)裂，且底層部分幾乎全部開(kāi)裂，但是結(jié)構(gòu)的承載力沒(méi)有明顯下降，直到內(nèi)部配筋屈服后承載力才開(kāi)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(duì)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(diǎn)，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(qiáng)層以及設(shè)置耗能減震層。設(shè)置加強(qiáng)層會(huì)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(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的延性設(shè)計(jì)概念不符。而設(shè)置耗能減震層會(huì)使框架柱的軸力變化比較緩和且對(duì)結(jié)構(gòu)底部的剪力和彎矩影響不大。因此，從對(duì)結(jié)構(gòu)的整體控制效果上來(lái)考慮，設(shè)置耗能減震層的抗震效果要優(yōu)于設(shè)置加強(qiáng)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(shí)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(jiàn)圖3)。此效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的層間剪切變形，是因?yàn)榻Y(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(huì)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(huì)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(diǎn)水平位移均減小。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)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(lái)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(zhǎng)寬比等措施來(lái)緩和剪力滯后效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)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(huì)產(chǎn)生較大的頂點(diǎn)側(cè)移，其結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)比較顯著，但相對(duì)來(lái)說(shuō)筒體具有較強(qiáng)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。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]白國(guó)良，楚留聲，李曉文.高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震防線問(wèn)題研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，39(4):445-450.

[4]朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010:153-163.

[5]鄧雪松，丁 鯤，周 云.耗能減震層對(duì)框架—核心筒結(jié)構(gòu)的減震效果及其影響分析[J].工程抗震與加固改造，2008，30(1):1-8.

[6]夏逸鳴，江世永，吳勝興.高層筒體結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析的樣條積層有限條法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2008，21(5):498-504.