RC框架-核心筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱性能研究

王 順 禮

(西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710055)

RC框架-核心筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱性能研究

王 順 禮

(西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710055)

通過對實(shí)際工程中的三個(gè)RC框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的彈塑性分析，研究了框筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱與否對其抗震性能的影響，分析了彈性階段和塑性階段外框架與核心筒剪力、傾覆彎矩的分配規(guī)律，對比了不同構(gòu)件的內(nèi)力大小及分布。研究表明：框筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱減小了邊柱柱底軸力，降低了核心筒豎向承載力的設(shè)計(jì)要求，減輕了外框架和核心筒底層塑性鉸的發(fā)展程度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)耗能能力，提高了抗震水平，但同時(shí)也可能無法滿足建筑空間的要求。據(jù)此提出了框筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱的設(shè)計(jì)建議，并相應(yīng)給出了降低框架梁高度的有效措施。

框架核心筒；增設(shè)內(nèi)柱；彈塑性分析；內(nèi)力分布

框架-核心筒結(jié)構(gòu)由于其具有較強(qiáng)的抗側(cè)向剛度，能有效控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，并具有良好的空間使用性能，在高層和超高層建筑中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)外眾多學(xué)者采用結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)[2-6]和數(shù)值分析[7-11]等方法對框架-核心筒結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的破壞機(jī)理、承載能力、延性和耗能能力進(jìn)行了較為詳盡的研究，得出了該類結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)影響下的抗震性能。而對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[12](JGJ3—2010)(以下簡稱《高規(guī)2010》)規(guī)定：核心筒或內(nèi)筒的外墻與外框柱間的中距，非抗震設(shè)計(jì)大于15 m，抗震設(shè)計(jì)大于12 m時(shí)，宜采取增設(shè)內(nèi)柱等措施。同時(shí)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[13](JGJ3—2002)(以下簡稱《高規(guī)2002》)也規(guī)定：外框架與內(nèi)筒中距抗震設(shè)計(jì)大于10 m時(shí)，宜采取增設(shè)內(nèi)柱等措施。。但國內(nèi)外對框架-核心筒結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱的研究卻幾乎沒有涉足，因此工程設(shè)計(jì)人員在遇到是否增設(shè)內(nèi)柱以及如何合理的增設(shè)內(nèi)柱時(shí)，有以下問題亟待解決：

(1) 當(dāng)核心筒與外框柱間跨度較大時(shí)，設(shè)計(jì)中往往通過增大框架梁截面高度的方法來緩解剪滯效應(yīng)，但此舉會降低樓層高度，不易滿足建筑空間的要求。

(2) 實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，增設(shè)內(nèi)柱通常與建筑師和業(yè)主對結(jié)構(gòu)空間的需求相沖突，但不按規(guī)范要求增設(shè)內(nèi)柱又會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不合理，導(dǎo)致造價(jià)過高。

(3) 結(jié)構(gòu)工程師通常不了解增設(shè)內(nèi)柱對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件內(nèi)力大小及分布的影響，無法根據(jù)實(shí)際工程情況作出合理的選擇。

因此本文依據(jù)上述情況，結(jié)合一實(shí)際工程案例，采用彈性分析與動力彈塑性分析相結(jié)合的方法，研究按規(guī)范設(shè)計(jì)要求增設(shè)內(nèi)柱的框架-核心筒結(jié)構(gòu)與不設(shè)內(nèi)柱結(jié)構(gòu)的性能差異，分析彈性階段和塑性階段外框架與內(nèi)核心筒剪力、傾覆彎矩的分配規(guī)律及損傷情況，對比不同構(gòu)件的內(nèi)力大小及分布，據(jù)此提出結(jié)構(gòu)增設(shè)內(nèi)柱的設(shè)計(jì)建議及減小框架梁高度的有效方法。

1 模型的建立

1.1 方案描述

本文結(jié)合一實(shí)際工程，通過對比3個(gè)不同設(shè)計(jì)方案來分析增設(shè)內(nèi)柱對框架-核心筒結(jié)構(gòu)整體及局部構(gòu)件受力性能的影響。該項(xiàng)目為某基地辦公樓，結(jié)構(gòu)主體選取框筒結(jié)構(gòu)，地上25層，總高度98.75 m。初定的三個(gè)方案的結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場地基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，混凝土強(qiáng)度等級自下而上從C50過渡至C30。

1.2 方案分析

方案1為結(jié)構(gòu)的初選方案，方案中核心筒與外框架的跨度為11.2 m，并增設(shè)了內(nèi)柱。該方案同時(shí)滿足《高規(guī)2002》和《高規(guī)2010》對于增設(shè)內(nèi)柱的要求。

方案2為建筑方給出的方案，方案中核心筒與外框架的跨度為11.2 m，并未增設(shè)內(nèi)柱。此方案滿足《高規(guī)2010》的要求，但未滿足《高規(guī)2002》的要求。同時(shí)由于框梁跨度較大，導(dǎo)致框梁截面高度也較大，外圍框架柱與內(nèi)筒剪力墻相互錯(cuò)開，剪力墻局部使用加強(qiáng)措施。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)

方案3為標(biāo)準(zhǔn)框筒結(jié)構(gòu)，方案中核心筒與外框架的跨度為11.2 m，并未增設(shè)內(nèi)柱。此方案滿足《高規(guī)2010》的要求，但未滿足《高規(guī)2002》的要求。外圍框架柱與內(nèi)筒剪力墻在同一平面內(nèi)。

1.3 計(jì)算模型的建立

本文采用PKPM程序建模，用其自帶的SATWE進(jìn)行彈性階段計(jì)算，采用三維結(jié)構(gòu)非線性分析軟件MIDAS進(jìn)行彈塑性動力分析。鋼筋采用雙線性強(qiáng)化模型，強(qiáng)化段彈性模型取初始彈性模量的0.01倍?；炷敛捎谩痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14](GB 5001—2010)中提供的本構(gòu)關(guān)系。對于單元的選取，剪力墻采用分層纖維模型，并通過添加剪切單元來考慮剪切特性。板采用博板單元，框梁與框柱采用帶有非線性鉸特性的多彈簧單元。

1.4 地震波的選取

時(shí)程分析時(shí)，采用單向波沿X向輸入?？紤]到地震動參數(shù)(地震動峰值、頻譜特性、持時(shí))的選取對計(jì)算結(jié)果影響較大，本文依據(jù)結(jié)構(gòu)所在場地的特征周期(0.35 s)，遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](GB 50011—2010)的建議，選取了4條地震記錄波，表1列出了這4條地震波的相關(guān)參數(shù)信息。

表1 地震動參數(shù)及調(diào)整系數(shù)

2 模型分析

2.1 水平剪力及分配結(jié)果對比

框架核心筒結(jié)構(gòu)的剪力由框架與核心筒共同承擔(dān)，從兩者的剪力分配關(guān)系上可以判斷結(jié)構(gòu)的整體工作性能。圖2給出了彈性階段三個(gè)方案模型各層剪力的分布圖。

圖2 三個(gè)方案各層X向剪力分布圖

從圖2可以看出，樓層總剪力在結(jié)構(gòu)底部達(dá)到最大并沿高度方向呈不斷減小的趨勢，其中框架層剪力沿高度方向先增大后減小，但總體變化不大，而核心筒層剪力沿高度方向單調(diào)遞減，減小幅度較大。在結(jié)構(gòu)中下部，樓層剪力主要由核心筒來承擔(dān)，而在結(jié)構(gòu)頂部樓層剪力則主要由外框架承擔(dān)，甚至出現(xiàn)了框架層剪力超過該層總剪力的情況。這是因?yàn)橥饪蚣艿膫?cè)移模式主要呈剪切型，而核心筒剪力墻的側(cè)移模式主要呈彎曲型，在結(jié)構(gòu)中下部，外框架的側(cè)移大于核心筒，因此核心筒分擔(dān)了大部分的剪力，而結(jié)構(gòu)頂部核心筒的側(cè)移明顯大于外框架，迫使外框架需要扶持核心筒以滿足變形協(xié)調(diào)，因此出現(xiàn)了框架層剪力大于樓層總剪力的現(xiàn)象。

對比三個(gè)方案的剪力分布可以發(fā)現(xiàn)，增設(shè)內(nèi)柱與否對剪力分配影響甚微，各方案外框架與核心筒分擔(dān)的剪力相差不大。

分別對三個(gè)方案模型進(jìn)行動力彈塑性分析，計(jì)算各模型在小震、中震、大震作用下框架層剪力最大值，限于篇幅本節(jié)只選取地震反應(yīng)最顯著的Hollywood波的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，其余地震波的計(jì)算結(jié)果與其一致。圖3給出了三個(gè)方案模型大震、中震與小震作用下的剪力大小比。

圖3 大(中)震與小震框架層剪力比

從圖3可以看出，中震作用下，各模型中震與小震框架層剪力比沿高度方向保持一定值，說明各模型均未產(chǎn)生塑性鉸，同時(shí)各模型剪力比基本相同，其值在2.3左右。而在大震作用下，各模型大震與小震框架層剪力比沿高度方向呈非均勻分布，3個(gè)模型在結(jié)構(gòu)底部均存在內(nèi)力重分布現(xiàn)象，其中模型2和模型3較為明顯，而模型1塑性發(fā)展程度相對較輕。對比3個(gè)模型的塑性鉸圖不難發(fā)現(xiàn)，增設(shè)內(nèi)柱的模型1雖然各柱鉸耗散的能量小于模型2和模型3，但模型1的整體耗能能力更強(qiáng)，同時(shí)各框架柱以及核心筒的屈服較為一致，能量分布也更均勻，結(jié)構(gòu)的整體性更好。各模型大震與小震框架層剪力比相差不大，其中模型1最大，在4.0左右，模型2稍小于模型3，這是因?yàn)槟Ｐ?外框架與核心筒剪力墻在同一平面內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體性較好，而模型2外圍框架柱與核心筒剪力墻相互錯(cuò)開，平面外框架梁會對墻體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，故而其彈塑性性能較差。

2.2 傾覆彎矩及分配結(jié)果對比

框架-核心筒結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求必須設(shè)置成雙重抗側(cè)力體系，這樣就要求外框架承受的傾覆彎矩比必須處在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，圖4給出了彈性階段三個(gè)方案模型各層傾覆彎矩值及外框架與總傾覆彎矩的比值。

圖4 三個(gè)方案各層X向傾覆彎矩圖

從圖4可以看出，各模型外框架所分擔(dān)的傾覆彎矩可達(dá)到總傾覆彎矩的10%到50%，同時(shí)各層框架所分擔(dān)的傾覆彎矩比也基本控制在這一范圍內(nèi)，符合《高規(guī)2010》關(guān)于框架-剪力墻(筒體)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)定。因此三個(gè)方案都可以保證結(jié)構(gòu)形成雙重抗側(cè)力體系，達(dá)到增強(qiáng)抗震延性的目的，有效控制了結(jié)構(gòu)的總體性能。

從三個(gè)方案傾覆彎矩對比結(jié)果可以看出，模型1外框架分擔(dān)的傾覆彎矩比小于模型2和模型3，說明各模型在滿足于規(guī)范的前提下，增設(shè)內(nèi)柱并未增大外框架剛度，這是由于模型1的柱截面相對模型2、模型3較小，同時(shí)外框架抗傾覆力的合力點(diǎn)也更靠近核心筒。

提取三個(gè)方案模型在大震、中震、小震作用下框架層傾覆彎矩最大值，選取Hollywood波的計(jì)算結(jié)果，圖5給出了三個(gè)方案模型大震、中震與小震作用下的傾覆彎矩比。

從圖5可以看出，中震作用下，各模型中震與小震框架層傾覆彎矩比沿高度方向保持一定值，同樣說明各模型均未產(chǎn)生塑性鉸，同時(shí)各模型傾覆彎矩比也基本相同，其值在2.3左右。大震作用下，各模型大震與小震框架層傾覆彎矩比沿高度方向呈非均勻分布，3個(gè)模型在結(jié)構(gòu)中部均存在內(nèi)力重分布現(xiàn)象，這是由結(jié)構(gòu)中部連梁屈服導(dǎo)致的。對比可以發(fā)現(xiàn)，模型1外框架承擔(dān)的傾覆彎矩比略大于模型2和模型3，同時(shí)模型2和模型3底部框架層的傾覆彎矩比有一明顯突增，說明模型2和模型3核心筒底部塑性鉸發(fā)展程度較深，其原本承擔(dān)的傾覆彎矩轉(zhuǎn)由外框架承擔(dān)，但總體來看各模型傾覆彎矩重分布并不顯著。

圖5 大(中)震與小震框架層傾覆彎矩比

2.3 構(gòu)件內(nèi)力對比分析

表2列出了3個(gè)方案各柱底軸力的大小。從表2可以看出，各模型角部框柱KZ1、KZ2的柱底軸力差異在20%以內(nèi)，說明增設(shè)內(nèi)柱對角柱軸力的影響較小。對于邊柱KZ3，模型2與模型3的柱底軸力以及截面面積遠(yuǎn)大于模型1，這主要是因?yàn)榉桨?框柱個(gè)數(shù)較多，KZ3的一部分的柱底軸力分配給了KZ4、KZ5，而模型2和模型3的框柱個(gè)數(shù)相對較少，KZ3承受了更大的傾覆彎矩所產(chǎn)生的軸力。因此，增設(shè)內(nèi)柱可有效分擔(dān)邊柱所承受的軸向力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。

表3列出了3個(gè)模型底層核心筒剪力墻軸力的大小。從表3可以看出，模型2和模型3底層剪力墻的最大軸力均大于模型1，說明內(nèi)柱的存在分擔(dān)了核心筒所承擔(dān)的軸向力，降低了核心筒的豎向承載力要求，有利于第二道抗震防線的發(fā)揮。

表2 底層柱軸力對比

表3 底層剪力墻軸力對比

對比3個(gè)方案模型的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，可以看出增設(shè)內(nèi)柱不但影響建筑美觀和對空間的需求，同時(shí)會在核心筒附近的框梁上產(chǎn)生較大剪力，并在核心筒剪力墻上產(chǎn)生拉力，將降低核心筒的抗剪承載力。但其優(yōu)點(diǎn)在于，增設(shè)內(nèi)柱可有效分擔(dān)外框柱和核心筒的豎向荷載，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，同時(shí)梁柱截面也較小。

3 方案總結(jié)與建議

3.1 方案總結(jié)

考慮到方案2和方案3沒有滿足《高規(guī)2002》的規(guī)定，方案1成為了最終選取的方案。方案2和方案3的主要問題在于框梁截面高度過大，一種解決方法是增加梁的寬度，但該方法并不能有效提高粱的抗彎能力，同時(shí)會導(dǎo)致自重過大等問題。采用增加斜梁和次梁的方法可有效減小粱截面高度，但采取哪種措施更合理還需根據(jù)具體的問題來確定。對于方案2，采用斜梁的方法可使原本400 mm×850 mm的梁截面減小到350 mm×800 mm，但對于方案3卻不再適用，因此加斜梁會導(dǎo)致核心筒角部附近粱布置過于密集，不便于施工，因此采用增加次梁更為合理。此外，還可采用預(yù)應(yīng)力粱來控制梁截面高度，同時(shí)也能達(dá)到減輕自重的效果。

從以上方案比較可以看出，增設(shè)內(nèi)柱對結(jié)構(gòu)整體所承受的傾覆彎矩和剪力影響較小，但增設(shè)內(nèi)柱減緩了外框架和核心筒底層塑性鉸的發(fā)展程度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的耗能能力和整體性。增設(shè)內(nèi)柱后邊柱柱底軸力減小且軸力分布均勻，角柱軸力基本不變，同時(shí)降低了對核心筒豎向承載力的設(shè)計(jì)要求?？傊?，增設(shè)內(nèi)柱后梁柱截面更小，抗震性能更優(yōu)，結(jié)構(gòu)整體性較好。但結(jié)構(gòu)內(nèi)部多了圍繞核心筒的一圈柱子，不能滿足建筑的大空間要求；不增設(shè)內(nèi)柱則梁柱截面大，但外框架相對于增設(shè)內(nèi)柱的結(jié)構(gòu)不一定弱，同時(shí)外觀上也一定程度影響了建筑使用要求，所以各有利弊。

3.2 設(shè)計(jì)建議

從前述分析可以看出，增設(shè)內(nèi)柱減小了邊柱柱底軸力且豎向荷載分布更均勻，降低了對核心筒豎向承載力的設(shè)計(jì)要求，減輕了外框架和核心筒底層塑性鉸的發(fā)展程度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)耗能能力和整體性，但同時(shí)也可能無法滿足建筑空間的要求。因此建議在設(shè)計(jì)時(shí)，對于建筑空間要求不高且外框架與核心筒跨度超過12 m的框筒結(jié)構(gòu)宜增設(shè)內(nèi)柱，當(dāng)無法滿足建筑空間需求時(shí)，可通過增加斜梁和次梁，以解決梁跨度過大導(dǎo)致截面過高的問題。

4 結(jié) 論

(1) 彈性分析結(jié)果得出，增設(shè)內(nèi)柱可有效分擔(dān)邊柱和核心筒所承受的軸向力，降低核心筒的豎向承載力要求，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，有利于第二道抗震防線的發(fā)揮。增設(shè)內(nèi)柱對剪力分配的影響甚微，但減小了外框架分擔(dān)的傾覆彎矩比。

(2) 彈塑性分析結(jié)果得出，增設(shè)內(nèi)柱減輕了外框架和核心筒底層塑性鉸的發(fā)展程度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)耗能能力和整體性。

(3) 增設(shè)內(nèi)柱有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，但需要考慮建筑布局。因此建議對于建筑空間要求不高且外框架與核心筒跨度超過12 m的框筒結(jié)構(gòu)宜增設(shè)內(nèi)柱，當(dāng)無法滿足建筑空間需求時(shí)，可通過增加斜梁和次梁，以解決梁跨度過大導(dǎo)致截面過高的問題。

[1] 史慶軒,梁興文.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2] 侯 煒.鋼筋混凝土核心筒抗震性能及其設(shè)計(jì)理論研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2011.

[3] 史慶軒,門進(jìn)杰,王 偉,等.基于纖維模型的鋼筋混凝土核心筒彈塑性分析[J].工程抗震與加固改造,2009,31(6):5-9．

[4] 趙 均,徐金蓓.混凝土核心筒改善抗震性能的試驗(yàn)研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué), 2013.

[5] 杜修力,賈 鵬,趙 均.不同連梁跨高比混凝土核心筒抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,35(S1):5-9.

[6] 賈 鵬,杜修力,趙 均.不同軸壓比鋼筋混凝土核心筒抗震性能[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(1):124-125.

[7] 周忠發(fā),趙 均.混凝土核心筒的有限元模擬及若干參數(shù)的影響分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010,30(6):660-666.

[8] 楚留聲.高烈度區(qū)型鋼混凝土框架-核心混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2008.

[9] 委 旭.鋼筋混凝土核心筒抗側(cè)力性能的非線性數(shù)值模擬分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2009.

[10] 冷 斌,鄧 揚(yáng).斜交網(wǎng)格外支撐超高層結(jié)構(gòu)罕遇地震動力彈塑性時(shí)程分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,13(6):58-64.

[11] 孫敬明,陳紅鳥,馬克儉,等.高烈度區(qū)新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)性能對比分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,13(6):226-230.

[12] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[13] 中華人民共和國建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2002[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[14] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[15] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

The Performance of RC Frame-core Wall Structures with Additional Inner Columns

WANG Shunli

(DesignInstituteofXi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shaanxi710055,China)

Elasto-plastic analyses of three design schemes of reinforced concrete frame-core wall structures were performed based on a practical engineering. The influence of adding inner columns for frame-core wall structure on its seismic performance was analyzed. The distribution regularity of shear force and overturning moment between frame and core tube was analyzed in the elastic and plastic stages, the values and distribution of internal forces for different members were also compared. The result shows that for frame-core wall structures with additional inner columns, the bottom axial forces of side columns are decreased, and the design requirements of the vertical bearing capacity of the core are also reduced, the development of the plastic hinge for frame and core tube is alleviated, while the energy dissipation capacity of the structure is enhanced, thus the seismic level is improved. However the requirements of building space may not be able to meet. Finally several design suggestions on frame-core wall structures with additional inner columns and the effective method to reduce the height of the frame beams are proposed.

frame-core wall structures; additional inner columns; elastio-plastic analyses; distribution of internal forces

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.014

2017-01-09

2017-02-28

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2016JZ015)

王順禮(1960—)，男，陜西扶風(fēng)人，高級工程師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面的工作。E-mail:shannxiwangbin@126.com

TU398

A

1672—1144(2017)03—0072—05