鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能分析

■徐應(yīng)全 ■云南 昆明 650000

鋼框架-鋼筋混凝土核心筒是將鋼框架結(jié)構(gòu)與混凝土核心筒的特點進行有效結(jié)合而形成的，鋼框架結(jié)構(gòu)具有施工速度快、且強度高的特點，而鋼筋混凝土核心筒本身具有較強的抗壓能力和防火性能，因此這種鋼框架-鋼筋混凝土核心筒在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。鋼筋混凝土核心筒在剛度方面較強，但是在強度方面卻相對較為薄弱，而鋼框架則正好相反，所以這兩種結(jié)構(gòu)在抗震性能上存在著一定的不協(xié)調(diào)之處，使得鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)無法對地震作用力進行合理的分配。為了增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒的協(xié)同能力，對豎向荷載作用引起的變形進行有效的控制，需要采用在框架結(jié)構(gòu)上安裝斜撐框架和增加大型斜撐設(shè)備等，增強高層建筑的抗震能力。

1 鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在強震作用下的性能

本文選取層數(shù)為30 層的高層建筑鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)為研究對象，建筑物高度為120m，層高為4m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為24*24m。鋼框架結(jié)構(gòu)采用Q345，鋼筋混凝土核心筒應(yīng)用的混凝土強度等級為C40。對該建筑結(jié)構(gòu)的性能評價，可以根究不同結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的要求，將鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)分為三類，即生命安全、不倒塌和倒塌。本文的分析是建立在強震作用下，所以對于最大層間位移角小于1/200 的性能指標(biāo)不予考慮。以最大層間位移角作為本次研究目標(biāo)的量值，在分析過程中發(fā)現(xiàn)不同的地震波對于結(jié)構(gòu)有著不同的影響。因此，在強震作用下，鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)能夠滿足建筑物基本的強度要求。對于高層建筑結(jié)構(gòu)來說，僅僅依靠層間位移角來判斷結(jié)構(gòu)是否失效，缺乏有效的論據(jù)，因此需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的破壞機制與性能目標(biāo)進行詳細(xì)的判斷。第一，生命安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)最大的層間位移角不超過1/200 時，鋼結(jié)構(gòu)中的部分鋼筋會出現(xiàn)屈服，這時鋼筋混凝土核心筒體就會發(fā)生開裂，形成很多水平的裂縫，鋼筋處在部分屈服的狀態(tài);第二，不倒塌標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)鋼框架處在彈性階段時，較少的鋼筋會出現(xiàn)屈服，當(dāng)連續(xù)的鋼筋屈服時就會導(dǎo)致筒體發(fā)生大面積的開裂，形成更大的裂縫，對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞;第三，整體坍塌失效。鋼框架失去彈性，鋼筋屈服，筒體出現(xiàn)更大裂縫，結(jié)構(gòu)底部被壓碎，結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)嚴(yán)重下降，整體結(jié)構(gòu)失效。

2 鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)地震作用下的協(xié)同工作性能分析

為了對鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)地震作用下的協(xié)同工作性能進行分析，本次采用振型分解反應(yīng)譜法對四種模型進行詳細(xì)的分析，設(shè)置了A、B、C、D 四個作用力模型，并且對它們在地震作用力下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移進行對比，以此來獲得不同結(jié)構(gòu)的鋼框架與核心筒之間的協(xié)同性能結(jié)果。

2.1 模態(tài)分析

針對本文設(shè)置的A、B、C、D 四個模型的前6 階振型對應(yīng)的周期進行了詳細(xì)的研究。雖然本次建筑結(jié)構(gòu)的平面是方形，但是核心筒剪力結(jié)構(gòu)的布置卻并不是完全對稱的，所以結(jié)構(gòu)不同的方向上所形成的剛度也是存在一定差異的。根據(jù)分析，模型A 的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模型B 的周期，這與模型B 在鋼框架結(jié)構(gòu)上增加大型斜撐有著一定的關(guān)系，因為大型斜撐的應(yīng)用使得鋼框架的剛度增加，從而使其與核心筒的剛度更加匹配，也可以增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)整體的剛度。而通過模型B 和模型D 的比較也可以看出，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的外部框架強度增加以后，再次設(shè)置伸臂桁架時，不會對整體結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生較大的影響。

2.2 結(jié)構(gòu)側(cè)移

圖1 和圖2 分別表示的是不同模型的樓層位移和間層位移角的對比，通過對比圖可以看出，模型B 和D 在鋼框架結(jié)構(gòu)上設(shè)置了大型斜撐，其層間位移明顯比其他模型小;而模型C 和D 設(shè)置了伸臂桁架，其層間位移角也產(chǎn)生了明顯的突變，這與伸臂桁架的設(shè)置導(dǎo)致了樓層剛度突變有著密切的關(guān)系，同時也增強了整體的抗彎能力。

3 豎向荷載作用下的變形差異

當(dāng)前，我國國內(nèi)在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的豎向變形差異作用研究的尚不夠深入。在高層建筑結(jié)構(gòu)的常規(guī)研究中，一般是通過計算模型和施加荷載的方式來對整個結(jié)構(gòu)進行計算，針對施工順序以及其在結(jié)建筑結(jié)構(gòu)中形成的結(jié)構(gòu)自重的變化卻沒有進行詳細(xì)的計算。結(jié)構(gòu)自重隨著施工的開展而逐層增加，從而導(dǎo)致柱、墻體都發(fā)生壓縮變形。本文利用ETABS 對結(jié)構(gòu)加載的順序進行模擬，并且對各種結(jié)構(gòu)模型在豎向作用下的變形差異進行計算，豎向變形為鋼柱12 個計算點和筒體8 個計算點的平均結(jié)果。一次性加載與施工順序加載產(chǎn)生的豎向荷載變形作用存在著較大的差異，所以這種變形差異結(jié)果的真實性無法得到有效保證。在鋼框架中設(shè)置大型斜撐設(shè)備對于減少建筑結(jié)構(gòu)的豎向荷載并沒有產(chǎn)生較大的影響，而在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置加強層則可以有效的增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作性能，使得鋼框架的豎向變形得到有效的控制，同時也增加了筒體的變形，減少鋼框架與鋼筋混凝土筒體之間的豎向位移差。這種結(jié)合方式既可以提高鋼框架的強度，有可以增強結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)工作性能，可以達(dá)到很好的控制豎向變形差異的目的。

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要利用結(jié)構(gòu)模型對鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中的周期位移以及底部剪力等因素進行了分析和計算，根據(jù)計算結(jié)果可以得到以下的結(jié)論:首先，在鋼框架設(shè)備上加裝一個大型的斜撐結(jié)構(gòu)，可以使鋼礦A 級的外框和核心筒的剛度達(dá)到更加匹配的程度，這樣便可以增強鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作能力，促進鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)整體剛度的增強，而如果在鋼框架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土核心筒之間加裝伸臂桁架對于結(jié)構(gòu)整體的剛度影響則不大。其次，在鋼框架結(jié)構(gòu)上安裝大型斜撐比增加伸臂桁架具有對結(jié)構(gòu)位移更好的控制效果，而且增加大型斜撐可以促進鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度顯著提高，使得鋼框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)的剪力更容易滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。最后，在鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置加強層，對于筒體底部的彎矩會產(chǎn)生一定的降低作用，也可以減少結(jié)構(gòu)豎向變形差異，但是對于筒體整體的剪力影響不大，因為及加強層的高度會發(fā)生突變而形成一個薄弱層，這時就會由于外力的加載作用和施工順序的影響而使得其本身產(chǎn)生較大的差異，無法保證加強層真實的結(jié)構(gòu)作用。

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