鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

摘要：以實(shí)際工程為例，主要闡述鋼框架－砼核心筒結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、計(jì)算要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋼框架－混凝土核心筒、抗震設(shè)計(jì)、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。

1 工程簡(jiǎn)介

某工程，地上主體25層，地下2層，主體高度96米。工程所在地地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，場(chǎng)地類別Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)形式

①根據(jù)建筑的平面功能，接合結(jié)構(gòu)受力特性，以及經(jīng)濟(jì)、工期等因素，本工程采用鋼框架－砼核心筒結(jié)構(gòu)。

②鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)與混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的比較見表一。

說明抗震設(shè)防烈度7度，多遇地震下計(jì)算。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98)，結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)可采用彈性方法計(jì)算。抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)除進(jìn)行地震作用下的彈性效應(yīng)計(jì)算外，尚應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)的變形。因此，本工程采用兩介段設(shè)計(jì)法。第一階段為多遇地震作用下的彈生分析，驗(yàn)算構(gòu)件的承載力、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的層間位移；第二階段為罕遇地震作用下的彈塑性分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的層間位移和層間延性

比，找出結(jié)構(gòu)的薄弱層位置，防止在水平地震作用下，由于局部先形成破壞機(jī)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)整體失效。

①進(jìn)行結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)計(jì)算時(shí)，遵循樓面在其自身平面內(nèi)為絕對(duì)剛性的假定。

②在進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性分析時(shí)，考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作，梁的剛度根據(jù)具體情況可取鋼梁剛度的1.5－2倍；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析時(shí)，不考慮樓板與鋼梁的共同工作。

③抗震設(shè)計(jì)時(shí)，鋼框架一砼核心筒結(jié)構(gòu)各層框架柱所承擔(dān)的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小值。因?yàn)樵阡摽蚣芤豁藕诵耐步Y(jié)構(gòu)中，砼核心筒承擔(dān)了絕大部分的地震力，鋼筋混凝土抗震墻的彈性極限變形值很小，約為1/3000，在達(dá)到規(guī)范規(guī)定的變形時(shí)，鋼筋混凝土抗震墻已開裂，此時(shí)鋼框架尚處于彈性階段，地震力在抗震墻和鋼框架之間實(shí)行再分配，鋼框架承受的地震力增加，而鋼框架作為主要的承重構(gòu)件，它的破壞和豎向承載力的降低，將危及房屋的安全，因此對(duì)鋼框架承

受的地震力作更嚴(yán)的要求。

④本工程結(jié)構(gòu)分別采用《高層建筑空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE》和《ETABS中文版》進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)果見附表二。

說明地震剪力與地震傾覆力矩均為嵌固端的。

計(jì)算控制的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造

4.1 混凝土核心筒的抗震設(shè)計(jì)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第11.2.19條，本工程鋼框架一砼核心筒結(jié)構(gòu)的砼核心筒抗震等級(jí)為一級(jí)，按特一級(jí)采取抗震構(gòu)造措施。若為相同規(guī)模的鋼筋混凝土框架一核心筒，則核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)，按一級(jí)采取抗震構(gòu)造措施。這是因?yàn)樵阡摽蚣芤豁藕诵耐步Y(jié)構(gòu)中，砼核心筒承擔(dān)更大的地震力和地震傾覆荷載，抗震措施相應(yīng)提高。

4.2 鋼框架的抗震設(shè)計(jì)

多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣遵守。

強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)基本原則，而現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》未完全貫徹這一基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況采取相應(yīng)措施。

①強(qiáng)柱弱梁

根據(jù)《抗震規(guī)范》第8.2.5條，鋼框架梁、柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足下式要求：

∑Wpc(fyc－N/Ac)≥η∑Wphfyb(4－1)

式中η－強(qiáng)柱系數(shù)，超過6層的鋼框架，6度Ⅳ類場(chǎng)地和7度時(shí)可取1.0，8度時(shí)可取1.05，9度時(shí)可取1.15。

而根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.2.2條，鋼筋混凝土梁、柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足下式要求：

∑Ec≥ηc∑Mh(4－2)

式中ηc—柱端彎矩增大系數(shù)，一級(jí)取1.4，二級(jí)取1.2，三級(jí)取1.1。

對(duì)比(4－1)式和(4－2)式，對(duì)于相同規(guī)模的鋼框架和鋼筋混凝土框架，鋼框架的強(qiáng)柱系數(shù)均低于鋼筋混凝土框架，設(shè)計(jì)上應(yīng)根據(jù)情況予以加強(qiáng)。因此，鋼框架雖不分抗震等級(jí)，應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度提高和考慮強(qiáng)柱系數(shù)n，建議：6度和7度時(shí)取1.1，8度時(shí)取1.2，9度時(shí)取1.4。本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，IⅡ類場(chǎng)地，強(qiáng)柱系數(shù)n

取為1.15。

②強(qiáng)剪弱彎

《抗震規(guī)范》第6.2.4條，鋼筋混凝土框架粱應(yīng)滿足下式要求：

V=ηvb(Mb1+Mbr)／1b+VGb(4－3)

式中ηvb為粱端剪力增大系數(shù)，抗震等級(jí)一級(jí)取1.3，二級(jí)取1.2，三級(jí)取1.1。

《抗震規(guī)范》第6.2.5條，鋼筋混凝土框架柱應(yīng)滿足下式要求：

V=ηvc(Mcb+Mcr)/Hn(4－4)

式中ηvc為柱剪力增大系數(shù)，抗震等級(jí)一級(jí)取1.4，二級(jí)取1.2，三級(jí)取1.1。

《抗震規(guī)范》未對(duì)鋼框架強(qiáng)剪作具體要求，彈性設(shè)計(jì)時(shí)分別按下式計(jì)算梁、柱剪力：

V=(Mb1+Mbr)／1n+VGb(4－5)

V=(Mcb+Mcr)/Hn(4－6)

對(duì)比(4－3)、(4－4)和(4－5)、(4－6)式，可知《抗震規(guī)范》對(duì)于鋼框架基本未考慮強(qiáng)剪，對(duì)于鋼筋混凝土框架考慮了強(qiáng)剪，強(qiáng)剪系數(shù)為1.1～1.4。因此在設(shè)計(jì)鋼框架時(shí)，應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別、

結(jié)構(gòu)類型及規(guī)模等適當(dāng)提高強(qiáng)剪系數(shù)。

③強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

《抗震規(guī)范》主要從構(gòu)造和計(jì)算兩方面采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，來實(shí)現(xiàn)鋼框架的強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，詳見《抗震規(guī)范》第8.2.8條規(guī)定。

5 結(jié)語

①鋼框架一砼核心筒結(jié)構(gòu)體系能夠充分利用鋼結(jié)構(gòu)和凝土結(jié)構(gòu)各自的特長(zhǎng)，具有施工速度快、成本低、自重輕、節(jié)省建筑面積等

諸多優(yōu)點(diǎn)。

②現(xiàn)行《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》對(duì)于鋼框架一砼核心筒結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定，有部分不是非常明確，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

參考文獻(xiàn)

[1]《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99－98)

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2001)