鋼筋混凝土筒體結構的發展及抗震特點

李 新 馬奎升 劉煥磊

(山東科技大學，山東青島 266590)

在經濟高速發展和城鎮化建設不斷發展的同時，從建筑形式上來說，現代建筑有很大的變化和創新;從功能上來看，多樣化以及綜合化的特點越來越明顯，所以筒體結構在高層建筑結構體系中的比重越來越大。隨著建筑結構層數的增多，水平的風荷載以及豎向荷載和地震對它們的影響越來越大，由平面抗側力結構所構成常規的框架、剪力墻和框架—剪力墻結構僅僅是一種平面抗側力結構，已不能滿足現在高層建筑結構的功能要求。隨之出現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抵抗水平力的筒體結構。

1 鋼筋混凝土筒體結構的發展

從20世紀70年代開始高層建筑進入快速發展時期，由于常規體系(如剪力墻、框架和框架—剪力墻結構)已不能滿足建筑和結構的強度、剛度和延性的要求，筒體結構隨之出現。美國的坎恩(Fazler R.Khan)第一次在框架結構中采用密柱深梁結構。

我國對框筒及筒中筒結構的研究從20世紀70年代開始進行，并建造一批筒中筒結構，如50層的深圳國貿中心大廈和63層的廣州國際大廈。近年來，由于經濟實力增強和城市建設步伐的加快，出現了很多鋼筋混凝土核心筒結構的超高層建筑，如上海的金茂大廈和廣西南寧的地王大廈?？傊?，鋼筋混凝土筒體結構因其內外筒之間形成了大面積的無柱空間，從而具有很大的承載力和抗側力剛度，以及很好的抗扭剛度。因此，筒體結構在各類高層建筑中得到了廣泛的應用。

2 鋼筋混凝土筒體結構的抗震特點

鋼筋混凝土筒體結構包括筒中筒結構、框筒結構以及框架—核心筒結構等(見圖1)。對于常規的建筑結構起決定作用的是豎向荷載，而在高層筒體結構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構的關鍵性因素。

如圖2所示，豎向構件受到豎向荷載時，其軸力N與結構高度H呈線性關系，N隨著H的增加而增加。而構件受到水平荷載時其底部的彎矩M與高度H的關系式為:M=f(H2);結構的側向位移Δ隨著建筑高度H的增大而增大，建筑結構頂點的側移Δ與高度H的關系式:Δ=f(H4)。綜上所述，鋼筋混凝土筒體結構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構的受力特點。

對于鋼筋混凝土筒體結構來說，實際工程中常見的形式是框架—核心筒結構和筒中筒結構，下面就僅這兩種結構的抗震特點進行總結分析。

鋼框架—核心筒體系是一種服務性設施，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構體系。這種結構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性豎井外圍，并將剪力墻核心筒設置于服務性設施周圍。理論分析和試驗研究表明，這種核心筒整個截面變形基本符合平截面假定，當受到水平地震作用力時，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—核心筒結構可能會發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。前四種破壞全部都屬于脆性破壞，當結構發生破壞時，結構的強度會急劇下降。此外當結構發生破壞時如果在連續梁的墻體根部和端頭產生塑性鉸，核心筒甚至會發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，此時結構中由于地震所產生的能量可以以某種穩定的形式耗散掉。分析結構的破壞過程可知，該結構處于彈性階段時，絕大部分的水平力由芯筒承擔，但是芯筒底部在地震荷載的往復作用下首先開裂，于是框架承受了大部分的水平力，且隨著結構破壞程度的加強，框架部分承擔的荷載比例逐漸加大，隨著破壞程度的繼續增加，樓板四周的中部出現了開裂，且底層部分幾乎全部開裂，但是結構的承載力沒有明顯下降，直到內部配筋屈服后承載力才開始下降并發生脆性破壞，則框架部分成為了第二道抗震防線，所以此類結構稱為雙重抗震結構。

水平荷載作用產生的變形對于框架—核心筒結構產生不利影響。那么如何限制結構的側向位移就成為結構抗震研究的重點，目前有兩種比較常用的限制側向位移的方法:設置水平加強層以及設置耗能減震層。設置加強層會使結構發生剛度和內力突變從而容易形成薄弱層，并且這與“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的延性設計概念不符。而設置耗能減震層會使框架柱的軸力變化比較緩和且對結構底部的剪力和彎矩影響不大。因此，從對結構的整體控制效果上來考慮，設置耗能減震層的抗震效果要優于設置加強層。

框筒的翼緣和腹板框架部分在中間部分的應力大于框筒結構，而在角區附近實腹筒體的應力要大于框筒的，這種現象稱為剪力滯后(見圖3)。此效應會產生較大的層間剪切變形，是因為結構不能充分發揮整體抗彎性能。外框筒在水平地震荷載作用下會產生較大比重的剪彎變形，內筒在水平地震荷載作用下會產生彎曲變形，其層間剪切變形較小。筒中筒結構外筒和內筒的剪彎變形與彎曲變形位移相反，結構底層的層間最大位移角和頂點水平位移均減小。內筒結構具有較強的水平承載力，則外框筒柱發生脆性剪切破壞。筒中筒結構的空間承載力減弱，為了消除剪力滯后效應帶來的不利影響，應當采取限制框筒結構的柱距、控制框筒結構的長寬比等措施來緩和剪力滯后效應。

3 結語

經過分析，我們可以看出鋼筋混凝土筒體結構抗側移剛度大，且具有多道抗震設防體系，雖然框架—核心筒結構會產生較大的頂點側移，其結構的剪力滯后效應比較顯著，但相對來說筒體具有較強的抵抗水平荷載的能力。值得注意的是關于結構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一步的研究。

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