基于構件性能的RC框架-核心筒結構抗震性能研究

季 靜， 羅 煜， 韓小雷

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510640)

基于構件性能的RC框架-核心筒結構抗震性能研究

季 靜1,2， 羅 煜1， 韓小雷1,2

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510640)

鋼筋混凝土框架-核心筒結構是目前我國超高層建筑中廣泛采用的一種結構體系。以18個滿足我國現行規范的典型鋼筋混凝土框架-核心筒結構為例，利用Perform-3D軟件對模型進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，并采用基于構件性能的結構抗震評估方法判斷結構安全性。結果表明,對于不同設防烈度的地震，7度設防的結構安全度最高，7.5度與8度設防次之。將該評估結果與基于層間位移角的評估結果進行對比分析，進一步論證了基于層間位移角的評估方法尚存在不足之處。

框架-核心筒結構；構件性能；層間位移角

我國現行規范采用“三水準，兩階段”的抗震設計方法實現抗震設防要求。然而由于超高層建筑的結構高度在不同程度上超過現行規范的適用范圍，導致結構工程師在運用傳統設計方法對其進行抗震設計時，缺少明確的設計依據，并且難以準確把握結構在大震作用下的損傷情況和整體性能。因此，尋求一種更為合適的設計方法勢在必行。隨著性能化抗震理論的發展，基于構件性能的抗震設計方法越來越得到人們的關注和認可。同時，如何將該方法正確地運用在超高層建筑的結構設計中已經成為了工程界與學術界的熱點問題。

本文提出基于構件性能的結構安全性判別標準與評估方法，并采用該方法評估了18個滿足我國規范且具有代表性的鋼筋混凝土框架-核心筒結構，通過評估結構構件的性能狀態，直觀地掌握結構在大震作用下的損傷程度并判別結構的整體安全性，以此檢驗按現行規范設計的結構能否滿足抗震設防目標，為工程實踐提供理論依據和參考建議。

1 基于構件性能的安全性判別標準與評估方法1.1 基于構件變形的性能指標

基于構件性能的結構抗震評估方法取決于合理的構件性能指標與可靠的結構大震彈塑性分析結果。我國學者一直致力于構件變形指標的研究工作，并取得了一系列研究成果[1-6]：根據鋼筋混凝土構件的破壞機理和變形能力，將構件的破壞類型劃分為“彎曲破壞”、“彎剪破壞”和“剪切破壞”，并明確了劃分標準；將各類鋼筋混凝土構件的性能狀態劃分為“完好”、“輕微損壞”、“輕中等破壞”、“中等破壞”、“不嚴重破壞”和“嚴重破壞”六個性能狀態。戚永樂通過分析統計試驗數據與有限元計算結果，得出鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻在不同破壞形態下各個性能水準的構件塑性轉角限值，其中：梁構件的變形限值與剪跨比(λ=M/Vh0)、彎剪比(m=Mu/VuH)以及名義剪應力水平(ν=Mu/Hbh0)相關；柱構件的變形指標與軸壓比、剪跨比以及彎剪比有關；而剪力墻構件的性能指標與軸壓比、彎剪比、剪跨比以及約束區豎向鋼筋配筋率相關。構件破壞判別標準如下：對于受力狀態為彎曲或彎剪的構件，當構件的塑性轉角超過了“不嚴重破壞”狀態的變形限值時，表明構件已經進入“嚴重破壞”狀態，此時構件的承載能力下降超過15%，已不適合繼續承載，即判定構件失效。為了方便使用，本文采用“性能1”～“性能6”來表示構件的各個性能狀態，如圖 1所示。

圖1 構件性能劃分示意圖Fig.1 Component performance levels and deformation limits

對于受力狀態為剪切的構件，采用承載力控制原則，即采用《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[7]中公式(3.11.3-4)和公式(3.11.3-5)來驗算構件是否滿足最小抗剪截面，以此判別構件的安全性。當構件滿足最小抗剪截面要求時，表示構件未發生剪切破壞。

1.2 基于構件性能的結構安全性判別標準

由于地震波具有很大的隨機性，并且彈塑性分析結果與輸入的地震波時程密切相關，導致不同地震工況下的分析結果存在差異。當選取的地震波數量足夠多且合理可靠時，結構在大震作用下的計算結果就具有一定的代表性。本文基于概率統計的原理，采用結構安全保證率來評估結構大震作用下的安全性，具體定義如式(1)[8]

(1)

式中：P為多條地震波作用下的結構安全保證率；n為滿足結構安全的地震波數量；N為時程分析的地震波總數量；[P]為結構安全保證率限值。結構安全保證率限值一般由業主根據自身需求確定。本文結合我國實際情況，將安全保證率統一取值為95%。如果存在兩條來自同一地震事件但屬于不同測站記錄的地震波導致結構發生破壞，仍然可以認為不能滿足安全性要求的地震波只有一條。

結合上述構件性能評估方法與結構安全性判別標準，本文制定了一套基于構件性能的結構大震作用下的安全性評估流程，如圖2所示。

圖2 結構大震作用下的安全性評估流程圖Fig.2 Flow chart of safety assessmenton structures under severe earthquake

2 分析模型的建立

2.1 模型概況

本文依據我國現行規范與規程，設計了一系列具有代表性的框架-核心筒結構。結構標準層平面布置圖如圖3所示。

圖3 結構標準層平面布置圖Fig.3 Plan layout of structure

18個模型主要從不同的結構高度、抗震設防烈度、場地類別進行考慮。其中，樓層高度分為150 m和200 m，抗震設防烈度分為7度(0.1 g)、7.5度(0.15 g)、8度(0.2 g)，場地類別分為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。設計地震動分組均為第一組。 結構首層層高5 m，其余層層高4 m。

模型設計主要遵循下列原則：①為了使結構軸壓比與層間位移角貼近規范限值，不同模型的結構布置根據彈性計算結果進行相應調整；②模型不考慮次梁，將其自重和梁上荷載等效為樓面均布荷載,標準層樓面附加恒載統一取值4.5 kN/m2；核心筒外部區域樓面活載取2.0 kN/m2；核心筒內部區域樓面活載取3.5 kN/m2；邊梁上線荷載取值15.0 kN/m；③沿樓層高度變換混凝土等級、構件截面等信息，力求與工程實際相符；④為了使地震起控制作用，風荷載統一取值0.35 kN/m2;⑤所有模型的彈性計算結果滿足現行規范要

表1 結構彈性計算結果

求，模型的部分分析結果如表 1所示。(為了方便研究，本文采用“設防烈度-場地特征周期-結構高度”形式對模型進行編號。例如：“7d0.35s150”表示設防烈度為7度，場地特征周期為0.35 s，結構高度為150 m，其余模型以此類推。)

2.2 地震波的選取

針對每個模型選取20條地震波進行彈塑性時程分析，并采用14條天然波和6條人工波的組合方式。其中，實際地震動數據均來自美國太平洋地震工程研究中心PEER的地震波數據庫，人工波數據由SIMQKE_GR軟件生成。為了減小彈塑性時程分析結果對于地震事件的依賴性，規定來自同一事件的天然波數量不超過2條。所選地震波的頻譜特性、有效峰值以及持續時間均滿足現行規范[9]的要求。7d0.35s150模型的天然地震波信息見表2，20條地震波的反應譜與規范反應譜的對比情況如圖4。

表2 7d0.35s150模型天然地震波信息表

圖4 7d0.35s150模型20條地震波反應譜與規范譜對比Fig.4 Response spectrum curves of code and earthquake waves of model 7d0.35s150

2.3 彈塑性模型的建立

選用三維非線性分析程序Perform-3D對結構進行大震分析，同時利用林哲開發的PPP軟件(Perform-3D Pre/Post Program)對計算結果進行后處理。PPP是一款基于AutoCAD平臺的Perform-3D輔助軟件，其主要功能包括：①提取Perform-3D分析結果，主要包括層間位移角、樓層剪力、傾覆彎矩等;②根據計算結果繪制圖像(如層間位移角曲線)，直觀地反映結構彈塑性分析結果;③根據構件的截面信息、配筋信息、內力與變形，結合構件性能的變形指標，對不同工況下各個構件進行性能評估。本文對18個框架-核心筒結構進行彈塑性時程分析，Perform-3D中的梁柱單元采用基于纖維單元的塑性區模型，核心筒則采用分層的剪力墻纖維單元模型進行模擬[10]。

在確定混凝土的本構模型時，分別考慮了約束混凝土和非約束混凝土的不同受力特性。約束混凝土的本構模型采用基于我國試驗數據的CEB FIB MC90模型[11]，而非約束混凝土則采用《混凝土結構設計規范》[12]附錄C中的混凝土本構模型，經過擬合后的多折線如圖 5(a)所示。計算模型統一采用HRB400鋼筋，鋼筋本構采用三線性且不考慮強度損失的骨架曲線，如圖 5(b)所示。

圖5 Perform-3D材料本構示意圖Fig.5 Constitutive curve of materials of Perform-3D

3 基于構件性能的結構安全性評估結果

3.1 核心筒性能評估結果

通過對剪力墻的性能水準統計后發現：結構底層以上的剪力墻性能基本保持在“完好”狀態，而首層的剪力墻出現了多個性能水準，原因是結構剛度沿樓層均勻變化且不存在剛度突變，所以首層作為結構的嵌固端，豎向構件在地震作用下會首先出現損壞。本文對所有模型在全部地震工況下的底層剪力墻性能狀態進行匯總，如表3所示。

表3 所有模型首層剪力墻進入各性能狀態的比例

對底層核心筒達到“嚴重破壞”狀態的地震波數量進行統計，如表4所示。并將各個工況下底層剪力墻達到“性能6”所占比例與該工況下的底層層間位移角進行對比分析，如圖6所示。

表4 核心筒達到“嚴重破壞”狀態的地震波數量匯總表

圖6 底層剪力墻性能水準與層間位移角關系圖Fig.6 Relationship between story drift and performance state of shear wall in first story

由圖6可知，底層層間位移角與達到“性能6”剪力墻的比例呈正相關性，即底層層間位移角越大，底層剪力墻破壞程度越嚴重。當層間位移角在1/300～1/200時，達到“性能6”剪力墻所占比例在10%～20%；當層間位移角達到1/140時，已經有超95%的剪力墻進入“性能6”。

3.2 框架柱性能評估結果

通過對框架柱的性能水準統計后發現：①對于核心筒未達到“嚴重破壞”狀態的模型，其底層框架柱全部為處于“完好”狀態,主要原因是在強震作用下核心筒依然保持了較好的工作性能，故作為第二道防線的框架柱的性能狀態均處在“完好”狀態;②對于核心筒達到“嚴重破壞”狀態的地震工況，底層框架柱性能水準存在一定差異，但均處于“性能1”～“性能3”范圍內，所有底層框架柱均未達到“嚴重破壞”狀態，受損程度較輕。值得注意的是，破壞狀態判定為剪切的框架柱數量有所增多，并且與底層層間位移角呈正相關性，如圖7所示。但所受剪力滿足最小抗剪截面要求，構件仍處在安全范圍內。

圖7 底層框架性能水準與底層層間位移角關系圖Fig.1 Relationship between story drift and performance state of column in first story

3.3 結構安全評估結果

根據上述結構安全性評別標準與評估流程，18個框架-核心筒結構模型的性能評估結果如表 5所示。

表5 結構安全性評估結果

Tab.5 The results of structural safety assessment

設防烈度7度7．5度8度結構高150mII類場地安全(100%)安全(95%)不安全(90%)III類場地安全(100%)安全(95%)不安全(90%)IV類場地安全(100%)不安全(90%)安全(95%)結構高200mII類場地安全(100%)安全(100%)安全(100%)III類場地安全(100%)安全(100%)安全(95%)IV類場地安全(100%)安全(100%)安全(100%)注：括號內數值為結構安全保證率

從評價結果可以得出，15個模型為安全，3個模型為不安全。其中： ①從結構高度方面，所有高度為200 m的模型均為安全，9個高度為150 m模型中有3個模型被判定為不安全；②從設防烈度方面，當模型為7度設防時，均處在安全范圍內且安全保證率為100%，當設防烈度為7.5度和8度時存在不安全的模型；③從場地類別方面，不同場地類別對結果影響較小，三種場地都出現了不安全的模型；④從安全保證率方面，各個模型均具有較高的保證率,即便是被判定為不安全的模型，保證率也達到90%。

3.4 基于構件性能的結構層間位移角分析

我國現行規范采用限制薄弱層(部位)層間彈塑性位移來控制結構在大震下的整體宏觀變形，并且給出了確定薄弱層所在位置的判別標準。根據該標準，本文可以確定各模型的首層為結構薄弱層。然而由計算結果可知，當底層層間位移角未達到規范限值(1/100)時，底層核心筒已經發生嚴重的破壞。若依照規范限值進行結構安全性評估，則結構仍可認為處于安全狀態。基于底層層間位移角的評價方法雖然操作簡單高效，但由于層間位移角限值過于寬松，將會導致評價結果偏于不安全。

在實際工程中，工程師通常將最大層間位移角作為評價結構安全性的變形指標。對于以剪切型變形為主的框架結構，采用基于最大層間位移角的評價方法是可行的，但對于以彎曲型變形為主的剪力墻結構和以彎剪型變形為主的框筒結構，最大層間位移角并不能真實地反映構件實際的受力狀況和破壞情況。

為了說明基于最大層間位移角的評估方法存在不足，本文將18個計算模型中所有最大層間位移角貼近或稍微超出規范限值(1/100)的地震波工況進行匯總，結構樓層層間位移角曲線如圖8所示。

圖8 結構層間位移角曲線Fig.8 Curves of structure story drift

為了考察結構的層間位移角與構件性能之間的關系，現將圖8中各個地震工況下的首層剪力墻性能評估結果進行匯總，并與該地震工況下的底層層間位移角和最大層間位移角分別進行對比分析，如圖 9所示。

注：圖中“Ⅰ”代表“性能1”，以此類推圖9 底層剪力墻性能狀態與層間位移角對比圖Fig.9 Comparison between story drift and performance states of shear wall in first story

由圖9可知,對于彎曲型或彎剪型變形為主的框架-核心筒結構，最大層間位移角并不能直接地反映結構的受力與破壞情況，所有模型的最大層間位移角都在規范限值附近，若依照基于最大層間位移角的評估方法可以認為結構已經接近安全臨界狀態。但通過對豎向構件的性能評估后發現結構的性能狀態相去甚遠。大多數地震工況下，結構破壞程度仍較為輕微。故采用最大層間位移角作為判別結構安全性的控制指標，可能導致評價結果過于保守。

4 結 論

(1)對18個滿足我國現行規范的典型鋼筋混凝土框架-核心筒結構采用基于構件性能的結構安全性評估方法判別其安全性，結果表明,全部模型的安全保證率均在90%～100%。其中，7度設防模型的安全保證率均為100%，說明依照7度設防標準設計的結構在大震作用下安全性較好，7.5度設防和8度設防的個別模型未能達到安全標準，未發現結構安全保證率與場地類別和結構高度存在明顯規律。

(2)現行規范對于薄弱層的變形控制偏于寬松，剪力墻的性能評估結果表明，當底層層間位移角達到1/300～1/200時，底層剪力墻開始出現“嚴重破壞”狀態；當底層層間位移角達到1/140時，95%的底層剪力墻已經進入“嚴重破壞”狀態。若將薄弱層的層間位移角作為評價指標，可能導致結構安全性評估結果偏于不安全。

(3)對于彎剪型變形為主的框架-核心筒結構體系，最大層間位移角無法準確地反映構件的損傷程度與結構的整體性能，依據最大層間位移角判別結構抗震性能的評估方法不合理，且評估結果偏于保守。

[ 1 ] 韓小雷，周新顯，季靜，等. 基于構件性能的鋼筋混凝土結構抗震評估方法研究[J]. 建筑結構學報,2014, 35(4): 177-184. HAN Xiaolei, ZHOU Xinxian, JI Jing, et al. Research on component-performance-based seismic assessment of RC structures[J]. Journal of Building Structures,2014, 35(4): 177-184.

[ 2 ] 戚永樂. 基于材料應變的RC梁、柱及剪力墻構件抗震性能指標限值研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.

[ 3 ] 韓小雷，季靜. 基于性能的超限高層建筑結構抗震設計:理論研究與工程應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社,2013.

[ 4 ] 勞曉春，韓小雷. 延性RC剪力墻構件的性能指標限值[J]. 工程力學,2011, 28(9): 157-164. LAO Xiaochun, HAN Xiaolei. The performanceindex limits for ductile RC shear wall components[J]. Engineering Mechanics,2011, 28(9): 157-164.

[ 5 ] 季靜，肖啟艷，黃超，等. 基于性能的鋼筋混凝土剪力墻受彎破壞變形限值的研究[J]. 建筑結構學報,2010, 31(9): 35-41. JI Jing, XIAO Qiyan, HUANG Chao, et al. Research on deformation limits of performance-based RC shear walls controlled by flexure[J]. Journal of Building Structures,2010, 31(9): 35-41.

[ 6 ] 林哲. 框架-剪力墻結構基于構件變形指標的抗震性能評估[D]. 廣州: 華南理工大學, 2013.

[ 7 ] 高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2010.

[ 8 ] 韓小雷，崔濟東，沈雪龍，等. 基于構件變形的鋼筋混凝土剪力墻結構抗震性能研究[J]. 建筑結構學報，2014, 35(增刊2): 67-75. HAN Xiaolei, CUI Jidong, SHEN Xuelong, et al. Research on seismic performance of RC shear wall structures based on member deformation[J]. Journal of Building Structures,2014, 35(Sup2): 67-75.

[ 9 ] 建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2010.

[10] POWELL G H. Perform components and elements for perform-3D and perform-collapse[M]. New York: Computers and Structures Inc., 2011.

[11] 過鎮海，時旭東. 鋼筋混凝土原理和分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[12] 混凝土結構設計規范:GB 50010—2010[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2010.

A seismic performance study of RC frame-core wall structures based on performance of components

JIJing1,2,LUOYu1,HANXiaolei1,2

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China； 2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

As a major structural system, the reinforced concrete frame-core wall structure is widely used in Chinese super high-rise buildings currently. Eighteen representative reinforced concrete frame-core wall structures meeting Chinese current codes were designed in this study. The Perform-3D program was used to make elastic-plastic time-history analyses for these structures under severe earthquakes and the structural safety was estimated with the structural seismic assessment method based on the performance of components. The result shows that for different levels of fortification intensity, the structural safety level corresponded to fortification intensity of 7 degrees is higher than that corresponded to fortification intensities of 7.5 degrees and 8 degrees. In this paper, a contrastive analysis between aforementioned assessment results and the assessment results with the method of story drift was also made to further demonstrate the deficiency of the assessment method based on story drift which may not be able to evaluate structural seismic performance sufficiently or accurately.

frame-core wall structure; performance of component; story drift

國家自然科學基金項目(51378221);亞熱帶建筑科學國家重點實驗室基金項目(2014ZC16)

2015-07-22 修改稿收到日期：2016-01-21

季靜 女，碩士，教授，1963年4月生

TU973.16

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.025