安东亚;周德源;李亚明
【摘 要】为保证框架-核心筒结构双重抗震防线的安全,中国规范对外框架按照刚度分担的剪力比例进行了限制,实际设计过程中,很多工程很难满足规范限值要求.对该体系双重抗震防线的相关研究进行了梳理总结,分别从震害、振动台试验和数值分析角度进行了阐述,指明不同研究方法在该问题上存在的不足和局限性.讨论了当前研究中存在的问题和对执行规范过程中的不同理解;从基于性能抗震设计的角度,提出双重抗震防线应达到的合理目标,并对今后应开展的研究和主要焦点进行了展望.
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2015(031)001
【总页数】9页(P191-199)
【关键词】框架-核心筒;二道防线;性能设计;剪力分担比阻燃双面胶
【作 者】安东亚;周德源;李亚明
【作者单位】同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;华东建筑设计研究院有限公司,上海200041;同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;上海建筑设计研究院有限公司,上海200041
【正文语种】中 文
框架-核心筒结构体系是目前高层建筑最常用的一种双重抗侧力结构形式，该体系由框架和核心筒两个系统组成，并由它们协同工作来抵抗外力作用。为确保大震下多道防线，不少国家的抗震规范做出框架部分承担剪力的量化规定。美国International Building Code 2000[1]中提出，框架-核心筒(框架-剪力墙) 结构在地震作用下，当框架部分的设计层剪力不小于该层总剪力的25% 时作为双重抗侧力体系。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[2]规定:“钢框架-钢筋混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的 25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。” 《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]第6.7.1条规定：框架-核心筒结构中，除加强层及其相邻上下层外，按框架-核心筒计算分析的框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部总地
震剪力的10%。而实际设计当中大部分超高层框架-核心筒结构很难满足该规定，很多工程中框架承担的地震剪力仅为结构总剪力的4%～5%，与规范要求有较大差距，但是为了满足规范要求，必须不断加大构件截面尺寸，不仅使设计不合理，并且付出很大的经济成本。如何通过合理设计确保框架-核心筒结构双重防线在地震中的预期性能，成为当前业界讨论的热点。本文从震害、振动台试验、数值分析等角度，对框架-核心筒结构双重防线的相关研究进行综述和分析，并提出存在的主要问题和今后的研究方向。
关于框架-核心筒结构在水平力作用下弹性阶段协同受力的基本规律特征，在相关的教科书上已经有简化的理论计算方法[4-5]，一般借助框架-剪力墙协同受力的分析方法，采用连续化的思想进行研究，将一个方向的框架合并成总框架，该方向的墙体合并成总剪力墙，连梁合并成总连梁，最终给出在特定侧向力模式下框架和剪力墙的刚度比例和剪力分配规律。这些研究成果对于框架-核心筒结构抗震防线及破坏机制的研究具有最为基础的指导意义。另外，从已发表的文献资料来看，主要是基于震害、振动台模型试验以及数值分析的研究，下面从这几个角度进行总结。
2.1 基于震害的研究
对实际地震中建筑物震害的研究是建筑结构抗震研究的最直接途径。国内外学者十分重视对实际结构震害的调查研究，目前已经积累了一定的震害原始资料，其中就包括框架-核心筒结构的震害研究。
徐培福等[6]对1964年3月27日发生在美国阿拉斯加的强烈地震震害情况进行了简要介绍。部分高层混合结构出现破坏，其中Hill Building为8层办公楼。该建筑中央设置了一个钢筋棍凝土筒，外框架采用钢框架。设计时框架只承受竖向荷载，核心筒承担全部水平荷载。钢梁与钢柱间采用高强或普通螺栓的铰连接。地震中少数螺栓剪坏，大部分节点和钢构件保持完好。钢筋混凝土筒体刚度较大，承担了主要的地震作用。核心筒因底部混凝土破坏，一角下沉13 mm，另一角下沉8 mm。底层核心筒剪力墙开裂，筒体连梁各层都产生破坏。
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傅学怡[7]对台湾921集集地震、331花莲地震、日本阪神地震、美国阿拉斯加地震震害进行调查研究，发现整浇钢筋混凝土多、高层建筑结构在大震作用下破坏受损乃至倒塌的主要表现是柱、墙的脆性剪切破坏或压屈破坏, 严重者裂缝贯穿, 墙柱折断、压屈、房屋倒塌, 而与此同时, 整浇钢筋混凝土楼盖的框架梁未见正截面裂缝、钢筋屈服, 未形成塑性铰, 仅
有未配置箍筋或箍筋极少的个别连梁及梁柱节点出现脆性剪切斜裂缝破坏。梁兴文等[8]对汶川地震中的高层结构震害进行了调查，发现远震区高层建筑比多层建筑的震害严重。高层建筑的震害主要表现为砌体填充墙和隔墙普遍出现裂缝；房屋顶部附近防震缝两侧的装饰材料震损，部分混凝土构件被撞坏；楼梯间的填充墙普遍开裂等。主体结构中的混凝土梁、柱和剪力墙等承重构件一般没有可见裂缝，部分剪力墙洞口连梁及框架-剪力墙结构中的连梁出现剪切斜裂缝或弯曲裂缝。周颖和吕西林[9]以智利高层建筑结构体系特点入手，分别研究了智利地震中钢筋混凝土剪力墙高层建筑、立面收进复杂高层建筑、连体复杂高层建筑、带消能减震支撑超高层建筑、带金属球颗粒阻尼器高层建筑的震害现象。钢筋混凝土高层结构的普遍震害现象主要表现为剪力墙混凝土受压破坏和剪力墙钢筋的外鼓屈曲与拉断破坏两种。研究表明: 智利高层结构剪力墙厚度与中低层结构剪力墙厚度相近[10]，造成剪力墙轴压比过大，在此次地震中发生严重破坏；智利国家规范在钢筋混凝土剪力墙设计中参考美国规范ACI 318[11]，但允许对边缘约束构件设计予以放松，是造成剪力墙破坏的另一原因。
目前国内已有的震害资料多为不发达地区的低矮房屋结构，然而，由于我国近年来对高层建筑造型的需求，复杂超限高层结构层出不穷，且普遍未经历过大地震考验，因此在典型
蛋托
高层、超高层结构震害资料的积累上非常匮乏，特别是对高度较高的框架-核心筒结构的抗震防线研究还不能形成有力的支撑。
2.2 基于振动台试验的研究
在缺乏充分的震害资料的情况下，振动台模型试验成为研究高层、超高层结构抗震问题的重要手段。
为研究钢-混凝土混合结构的共同受力特征，龚炳年等[12-13]对一个23层钢-混凝土混合结构1/20模型进行了动力特性试验和六点单调加载弹性阶段试验及二点、一点反复加载弹塑性性能试验。试验结果表明,即使在模型加载后期，钢筋混凝土芯筒与钢框架之间仍保持共同工作,钢框架给钢筋混凝土芯筒提供了附加的保护。为保证钢-混凝土混合结构的整体工作, 钢梁与钢筋混凝土墙体的有效连接是至关重要的,应采取可靠措施, 确保在强震作用下, 梁与墙之间亦有可靠连接。
李国强等[14]对一典型的高层建筑钢-混凝土混合结构缩尺模型进行了模拟地震振动台试验研究，进行了6度、8度、9度不同强度水平的地震力试验，比较全面地揭示了该结构体系
的整体破坏模式。结果显示，结构破坏主要集中于混凝土芯筒，表现为底层芯筒混凝土受压破坏，暗柱和角柱纵筋压屈，而钢框架处于弹性阶段，没有明显的破坏现象。结构整体破坏属于弯曲型。
储德文等[15]通过一个振动台试验研究了钢框架-混凝土筒体混合结构抗震性能和地震剪力在钢框架和混凝土筒体之间的分配比例。振动台试验表明, 该结构体系的破坏集中于混凝土筒体, 钢框架没有出现明显的破坏现象, 结构整体的延性较好，而混凝土筒体结构承担了绝大部分的地震剪力。
徐培福等[16]进行了一个30 层型钢混凝土框架-核心筒结构模型的拟静力试验。试验发现: 型钢混凝土框架与核心筒的协同作用, 使整体结构有较高的承载力, 也具有一定的延性, 抗震性能较好；结构未发生层剪切破坏,最终破坏模式是在倾覆力矩作用下底部核心筒受拉墙肢及受拉侧外框柱拉断。
同济大学土木工程防灾国家重点实验室近些年完成了一大批不同结构体系的复杂高层结构模型振动台试验，为复杂结构的抗震研究积累了丰富的试验资料。
龚治国等[17]以上海世茂国际广场为对象，进行了一个模型比例为1/35的振动台模型试验。试验原形结构为巨形型钢混凝土柱框架+混凝土芯筒结构体系，框架梁采用型钢梁。塔楼结构共60层，总高度333.0 m。模型破坏特征为: 7度多遇地震作用下，模型表面未发现明显裂缝，自振频率略有下降，模型基本处于弹性状态；7度基本烈度作用下，塔楼9～13层外框架角柱根部、裙房出屋面机房柱根部等局部出现可见裂缝，塔楼与裙房、广场之间的连杆破坏；7度罕遇地震作用下结构破坏比较明显，塔楼9～13层外框架柱柱端部裂缝继续开展，裙房3～7层框架柱端部或者中部出现明显裂缝，部分位置混凝土压碎、剥落，裂缝贯穿，塔楼与裙房、广场之间连杆全部拉断或压曲，失去连接作用。
邹昀[18]在其博士研究期间，对上海环球金融中心结构进行了振动台模型试验，模型比例为1/50。试验结果显示:在7度多遇地震后，结构未出现裂缝；7度基本烈度地震试验结束后结构发生微小裂缝，基本处于弹性工作阶段；在7度罕遇地震试验阶段各地震波输入下，模型表面还未发现明显的破坏现象，模型结构的自振频率继续下降；8度罕遇(超烈度)地震试验后，部分楼层巨型柱出现混凝土被大片压碎，角部部分脱落，柱内纵筋外鼓。
吕西林等[19]对一个钢管混凝土框架-核心筒结构进行振动台模型试验，结构原型高264 m，
sis压片模型缩尺比例为1/30，分析了模型结构在8度多遇地震、基本地震、罕遇地震和9度罕遇地震作用下的动力特性，对模型结构和原型结构的破坏模式、层间位移、楼层剪力等动力反应进行研究。原型结构能够满足我国现行规范“小震不坏、大震不倒”的抗震设防标准。8度罕遇地震作用结束后，结构刚度仍无明显衰减，即使在9度罕遇特大地震作用下，仍然表现出优良的抗震性能。
周颖等[20]通过一个模型比例为1/15的20层钢框架-混凝土核心筒混合结构的缩尺模型试验，研究了该结构体系在不同地震水平下的破坏模式，结果显示结构破坏主要发生在核心筒的连梁端部以及外钢框架和核心筒连接节点处，外钢框架没有发生明显的破坏，基本处于弹性阶段，核心筒发挥了主要抗侧力构件的作用，连梁表现出了很好的耗能作用，节点的破坏表明外钢框架与核心筒具有协同工作的性能，此外结构的动力反应及破坏模式也证明了该结构形式具有良好的延性和变形能力。
尽管振动台模型试验是研究结构抗震性能的重要手段，但对于超高层框架-核心筒结构剪力分配问题的研究仍存在较大局限性，这主要是由于振动台模型试验较难给出外框架与核心筒实际分担的剪力数值及比例。尽管如此，试验给出的基本破坏模式和规律仍对该问题的
研究具有重要价值。通过对框架-核心筒结构振动台试验的破坏模式进行总结，可发现，在预期罕遇地震作用下，结构的破坏首先并主要发生在核心筒当中，外框架破坏相对较轻，甚至保持在弹性范围(尤其在外框采用钢框架的时候)。
2.3 基于数值分析的研究
智能筷子由于震害资料的不足以及振动台试验的局限性，在对框架-核心筒结构协同受力以及剪力分配的研究方面，数值分析方法特别是弹塑性分析方法是更好的定量化研究手段。
钱稼茹等[21]对20个钢框架混凝土核心筒结构模型进行了静力推覆分析，总结了混合结构受力全过程、变形能力及影响因素，框架剪力沿高度分布的规律，得到了框架剪力最大层的位置。其中非常重要的一个结论为：随着弹塑性的发展，框架分担的剪力增加，曲线向外鼓出的程度逐渐减小；极限状态时，框架的剪力基本程直线分布。根据推覆分析结果，提出了如下设计建议[22]:8度抗震设防时钢框架混凝土核心筒结构的刚度特征值大于0.65，各层框架的设计地震剪力标准值不小于本层总剪力的18%和不小于框架-核心筒结构计算得到的地震剪力的1.2倍(加强层和顶层的剪力可不小于框架-核心筒结构计算得到的地震剪力)，框架角柱轴压比不大于0.5。通过算例表明符合建议的钢框架-混凝土核心筒结构，在
地震作用时不会出现不合理的破坏形态。
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