钢筋混凝土框架_核心筒结构抗震性能研究_胡妤
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floor system
本文按照我国现行规范设计了一典型钢筋混凝土框架-核心筒结构，在此结构模型基础上，研究了内部 隔墙面积的变化、新型结构构件如型钢混凝土柱等的使用对整体结构层间位移角、地震作用力等的影响。 利用非线性分析软件 Perform 3D[1]对该结构进行了静力弹塑性推覆分析并进行性能评估。建议采用新型水
利用 2010 版 Satwe 软件[3]对 6 个模型进行了振型分解反应谱分析，主要计算结果见表 2。层间位移角 及层剪力沿层高的变化分别见图 2、图 3。
40800 9600 7200 7200 7200 9600
表 1 各层主要结构构件的截面尺寸/mm
40800 9600 7200 7200 7200 9600
1/1531 1/1411
基底剪力/kN 14033 13738
底层剪重比/% 1.57 1.53
模型 2 82535 3.22，2.71，2.58 0.80 角柱：0.81 边柱：0.88 0.42 1.38 X向 Y向
1/1845 1/1395
16043 14643 1.75 1.53
模型 3 75255 4.06，3.60，3.19 0.79 角柱：0.87 边柱：0.92 0.64 1.26 X向 Y向
文章编号：CSTAM2013-P28-E0098
钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震性能研究
胡 妤 1，*赵作周 1，贺小岗 2，纪晓东 1，钱稼茹 1
(1. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084；2. 清华大学建筑设计研究院，北京 100084)
摘 要：按照我国现行规范对钢筋混凝土框架-核心筒结构进行设计，经过多方案比较，研究了结构楼盖自重、 内筒内墙以及使用轻质楼盖系统、型钢混凝土柱等新型构件形式对整体结构质量、抗侧刚度等的影响，提出减 轻结构自重是改善结构抗震能力的一个有效途径。采用 Perform 3D 分析软件完成了该框架-核心筒结构的静力弹 塑性推覆分析，研究了构件的塑性发展历程、构件变形和核心筒钢筋及混凝土纤维应变变化情况。结果表明： 内筒连梁是框架-核心筒结构地震作用下的第一道抗震防线，内筒内墙的布置可增加结构的刚度并具有一定的耗 能作用。 关键词：框架-核心筒结构；抗震性能；静力弹塑性分析；型钢混凝土柱；轻质楼盖系统
模型1、4、5、6
模型2
图 1 模型标准层结构平面图
层号
筒体墙肢厚
框架柱 框架梁
1~3 X：外 400；内 300； 1100×1100 4~15 Y：外 500；内 400。 1000×1000 500×900
X：外 300；内 200； 16~28 Y：外 400；内 300。
X：外 300；内 200； 29~36
1/1116 1/930
11442 11150 1.36 1.44
Baidu Nhomakorabea
模型 4 79975 3.21，3.08，2.83 0.88 角柱：0.74 边柱：0.80 0.45 1.33 X向 Y向
1/1521 1/1400
13928 13634 1.57 1.53
模型 5 71657 3.02，2.91，2.66 0.88 角柱：0.75 边柱：0.80 0.40 1.20 X向 Y向
1/1719 1/1582
表 2 多遇地震作用下振型分解反应谱分析的各结构反应
结构模型
模型 1
结构总质量/t
80646
周期 Ty，Tx，Tr/s 3.20，3.07，2.81
周期比
0.88
首层柱轴压比
角柱：0.82 边柱：0.88
首层墙墙压比
0.45
折算恒载/t/m2
1.35
地震作用方向 X 向 Y 向
最大层间 位移角/rad
框架-核心筒结构中，核心筒内至少需要布置多部电梯、1 个楼梯间以及卫生间、强弱电机房、通风井 道等，内墙较多。通过对多个 7 度、8 度区钢筋混凝土框架-核心筒实际工程的参数统计发现，内筒内墙面 积与内筒外壁面积之比均在 60%以上，部分超过 100％。为了考虑内筒电梯墙的影响，设计了模型 2 与模 型 3。模型 2 在模型 1 核心筒内布置了 6 部电梯，电梯间洞口宽 1100mm，洞口高 2200mm，相对模型 1 增加了 6 个跨度 1100mm、高度 1300mm 的连梁。模型 3 中删除了模型 1 中的所有内筒内墙，只剩内筒外 墙，是这类结构简化计算分析中普遍采用的形式。两个模型的其他参数与模型 1 相同。
统计模型 1 的总恒载构成发现，楼屋盖结构的自重与楼面附加质量之和占结构总恒载的 60%以上，从 社会可持续发展与低碳生态的发展需求特别是结构抗震的发展趋势看，选择合理的结构体系与轻质高强的 材料，充分发挥材料作用，减轻结构自重，减小对竖向结构及地基基础的要求。以模型 1 为参考，又设计 了模型 4~6。模型 4 中将模型 1 中钢筋混凝土框架柱按照轴向刚度等效的原则替换为十字型钢骨混凝土柱， 含钢率按照 5%考虑，钢筋混凝土柱截面面积减小约 20%，表 4 列出了柱尺寸变化及十字型钢骨的尺寸。 现浇预应力空心楼板[2]可以显著提高板的刚度，而板的空心率在 40%以上，大大降低楼盖结构自重。模型 5 中将模型 1 的楼屋盖换为 200mm 厚预应力空心楼板，楼面梁截面高度从 750mm 降低到 500mm，楼屋面 结构自重减小 20%以上，计算中按照减小 20%计算（楼屋面恒载为 6kN/m2）。模型 6 综合采用了模型 4 中 SRC 柱及模型 5 中预应力空心楼板，楼屋面恒载为 6kN/m2，楼面梁高 500mm，宽 450mm；1~15 层 X、Y 方向内筒内墙厚度分别减小至 200mm 与 300mm，设计目标为最大层间位移角与模型 1 的接近。
Abstract: To study the effects of the floor system, the inner core walls, the applications of the steel reinforced concrete (SRC) columns on behavior of RC frame-core wall structures, several RC frame-core wall structure models were designed according to the China in-force design codes and comparisons among the different designed structure models were carried out. It is proposed that reducing the weight of structures is an efficient way to improve the seismic performance of structures. Nonlinear behavior of the designed structures was analyzed by Push-over method using Perform 3D. The components’ plastic hinge development histories, plastic deformation levels, the strains of the concrete and the reinforcement fibers were carefully checked. The predicted results indicate that the coupling beams in the inner core walls are the first yielding and energy-dissipating elements in the system. The inner core walls can increase the structure lateral stiffness and the energy dissipation capacity. Key words: frame-core wall structures; seismic performance; Push-over method; SRC columns; light-weight
·Ⅱ-046·
平结构体系与新型组合构件及高性能连梁，降低结构自重，提高结构的承载力与耗能能力，降低地震灾害 带来的损失，实现建筑功能可恢复的要求。
1 框架-核心筒结构设计
1.1 计算模型 框架-核心筒结构的平面布置如图 1 所示，以此为基础，分别设计了 6 个不同的框架-核心筒结构模型，
命名为模型 1～模型 6。以模型 1 为例，结构共 36 层，首层、2~3 层、4~36 层的层高分别为 5.1m、4.5m 与 3.5m，结构总高度 129.6m，接近 7 度区该类结构的最大适用高度 130m。核心筒平面尺寸 18m×18m， 外框架平面尺寸 40.8m×40.8m，核心筒内面积/总面积=19.5%。7 度设防，III 类场地，设计地震分组为第一 组，外框架与剪力墙抗震等级为二级。各层主要结构构件的截面参数见表 1。楼面梁截面为 350mm×750mm， 楼面板厚 100 mm。X 方向内筒外壁连梁跨度 3600mm，高度 600mm；Y 方向内筒外壁连梁跨度 2900mm， 高度 600mm。X 方向内筒内墙连梁跨度 2500mm，高度 1000mm。柱与剪力墙混凝土强度等级：1~10 层为 C60，11~18 层为 C50，19~25 层为 C40，26~36 层为 C30，梁板混凝土强度等级取 C30。楼屋面恒载 7.5kN/m2， 楼屋面活载 3.0kN/m2，外框架梁上线荷载取 10kN/m。
基金项目：国家十二五科技支撑计划课题“超高层建筑结构与基础安全保障技术研究”(2012BAJ07B01) 作者简介：胡 妤(1988—)，女，湖南人，硕士生，主要从事结构抗震研究；
*赵作周(1967—)，男，甘肃人，副教授，博士，主要从事结构抗震研究(Email：zzzhao@tsinghua.edu.cn)； 贺小岗(1968－)，男，陕西人，高级工程师，主要从事结构工程设计与研究； 纪晓东(1979—)，男，山西人，副教授，主要从事结构抗震研究； 钱稼茹(1946—)，男，江苏人，教授，主要从事结构抗震研究。
STUDY ON SEISMIC BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE FRAME-CORE WALL STRUCTURES
HU Yu1 , *ZHAO Zuo-zhou1 , HE Xiao-gang2 , JI Xiao-dong1 , QIAN Jiaru1
(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Architectural Design and Research Institute, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Y：外 400；内 200。
900×900 800×800
400×900
·Ⅱ-047·
1.2 内筒内墙的影响 相对模型 1，模型 2 总质量增加 2%，X 方向第一周期减小 12%、第一扭转周期减小 8%、基底剪力增
加 14%、最大层间位移角减小 17%，Y 方向各参数无明显变化。模型 3 总质量减小 7%，X 方向第一周期 增加 17%、第一扭转周期增加 14%、基底剪力减小 18%、最大层间位移角增加 37%，Y 方向第一周期增加 29%、基底剪力减小 19%、最大层间位移角增加 52%，底层墙柱轴压比超限。内部隔墙的存在对结构抗侧 刚度影响较大，连接内部隔墙的连梁跨高比较小，是主要的耗能构件。对框架-核心筒结构进行抗震性能分 析时，不可忽略内部隔墙的作用。
本文按照我国现行规范设计了一典型钢筋混凝土框架-核心筒结构，在此结构模型基础上，研究了内部 隔墙面积的变化、新型结构构件如型钢混凝土柱等的使用对整体结构层间位移角、地震作用力等的影响。 利用非线性分析软件 Perform 3D[1]对该结构进行了静力弹塑性推覆分析并进行性能评估。建议采用新型水
利用 2010 版 Satwe 软件[3]对 6 个模型进行了振型分解反应谱分析，主要计算结果见表 2。层间位移角 及层剪力沿层高的变化分别见图 2、图 3。
40800 9600 7200 7200 7200 9600
表 1 各层主要结构构件的截面尺寸/mm
40800 9600 7200 7200 7200 9600
1/1531 1/1411
基底剪力/kN 14033 13738
底层剪重比/% 1.57 1.53
模型 2 82535 3.22，2.71，2.58 0.80 角柱：0.81 边柱：0.88 0.42 1.38 X向 Y向
1/1845 1/1395
16043 14643 1.75 1.53
模型 3 75255 4.06，3.60，3.19 0.79 角柱：0.87 边柱：0.92 0.64 1.26 X向 Y向
文章编号：CSTAM2013-P28-E0098
钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震性能研究
胡 妤 1，*赵作周 1，贺小岗 2，纪晓东 1，钱稼茹 1
(1. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084；2. 清华大学建筑设计研究院，北京 100084)
摘 要：按照我国现行规范对钢筋混凝土框架-核心筒结构进行设计，经过多方案比较，研究了结构楼盖自重、 内筒内墙以及使用轻质楼盖系统、型钢混凝土柱等新型构件形式对整体结构质量、抗侧刚度等的影响，提出减 轻结构自重是改善结构抗震能力的一个有效途径。采用 Perform 3D 分析软件完成了该框架-核心筒结构的静力弹 塑性推覆分析，研究了构件的塑性发展历程、构件变形和核心筒钢筋及混凝土纤维应变变化情况。结果表明： 内筒连梁是框架-核心筒结构地震作用下的第一道抗震防线，内筒内墙的布置可增加结构的刚度并具有一定的耗 能作用。 关键词：框架-核心筒结构；抗震性能；静力弹塑性分析；型钢混凝土柱；轻质楼盖系统
模型1、4、5、6
模型2
图 1 模型标准层结构平面图
层号
筒体墙肢厚
框架柱 框架梁
1~3 X：外 400；内 300； 1100×1100 4~15 Y：外 500；内 400。 1000×1000 500×900
X：外 300；内 200； 16~28 Y：外 400；内 300。
X：外 300；内 200； 29~36
1/1116 1/930
11442 11150 1.36 1.44
Baidu Nhomakorabea
模型 4 79975 3.21，3.08，2.83 0.88 角柱：0.74 边柱：0.80 0.45 1.33 X向 Y向
1/1521 1/1400
13928 13634 1.57 1.53
模型 5 71657 3.02，2.91，2.66 0.88 角柱：0.75 边柱：0.80 0.40 1.20 X向 Y向
1/1719 1/1582
表 2 多遇地震作用下振型分解反应谱分析的各结构反应
结构模型
模型 1
结构总质量/t
80646
周期 Ty，Tx，Tr/s 3.20，3.07，2.81
周期比
0.88
首层柱轴压比
角柱：0.82 边柱：0.88
首层墙墙压比
0.45
折算恒载/t/m2
1.35
地震作用方向 X 向 Y 向
最大层间 位移角/rad
框架-核心筒结构中，核心筒内至少需要布置多部电梯、1 个楼梯间以及卫生间、强弱电机房、通风井 道等，内墙较多。通过对多个 7 度、8 度区钢筋混凝土框架-核心筒实际工程的参数统计发现，内筒内墙面 积与内筒外壁面积之比均在 60%以上，部分超过 100％。为了考虑内筒电梯墙的影响，设计了模型 2 与模 型 3。模型 2 在模型 1 核心筒内布置了 6 部电梯，电梯间洞口宽 1100mm，洞口高 2200mm，相对模型 1 增加了 6 个跨度 1100mm、高度 1300mm 的连梁。模型 3 中删除了模型 1 中的所有内筒内墙，只剩内筒外 墙，是这类结构简化计算分析中普遍采用的形式。两个模型的其他参数与模型 1 相同。
统计模型 1 的总恒载构成发现，楼屋盖结构的自重与楼面附加质量之和占结构总恒载的 60%以上，从 社会可持续发展与低碳生态的发展需求特别是结构抗震的发展趋势看，选择合理的结构体系与轻质高强的 材料，充分发挥材料作用，减轻结构自重，减小对竖向结构及地基基础的要求。以模型 1 为参考，又设计 了模型 4~6。模型 4 中将模型 1 中钢筋混凝土框架柱按照轴向刚度等效的原则替换为十字型钢骨混凝土柱， 含钢率按照 5%考虑，钢筋混凝土柱截面面积减小约 20%，表 4 列出了柱尺寸变化及十字型钢骨的尺寸。 现浇预应力空心楼板[2]可以显著提高板的刚度，而板的空心率在 40%以上，大大降低楼盖结构自重。模型 5 中将模型 1 的楼屋盖换为 200mm 厚预应力空心楼板，楼面梁截面高度从 750mm 降低到 500mm，楼屋面 结构自重减小 20%以上，计算中按照减小 20%计算（楼屋面恒载为 6kN/m2）。模型 6 综合采用了模型 4 中 SRC 柱及模型 5 中预应力空心楼板，楼屋面恒载为 6kN/m2，楼面梁高 500mm，宽 450mm；1~15 层 X、Y 方向内筒内墙厚度分别减小至 200mm 与 300mm，设计目标为最大层间位移角与模型 1 的接近。
Abstract: To study the effects of the floor system, the inner core walls, the applications of the steel reinforced concrete (SRC) columns on behavior of RC frame-core wall structures, several RC frame-core wall structure models were designed according to the China in-force design codes and comparisons among the different designed structure models were carried out. It is proposed that reducing the weight of structures is an efficient way to improve the seismic performance of structures. Nonlinear behavior of the designed structures was analyzed by Push-over method using Perform 3D. The components’ plastic hinge development histories, plastic deformation levels, the strains of the concrete and the reinforcement fibers were carefully checked. The predicted results indicate that the coupling beams in the inner core walls are the first yielding and energy-dissipating elements in the system. The inner core walls can increase the structure lateral stiffness and the energy dissipation capacity. Key words: frame-core wall structures; seismic performance; Push-over method; SRC columns; light-weight
·Ⅱ-046·
平结构体系与新型组合构件及高性能连梁，降低结构自重，提高结构的承载力与耗能能力，降低地震灾害 带来的损失，实现建筑功能可恢复的要求。
1 框架-核心筒结构设计
1.1 计算模型 框架-核心筒结构的平面布置如图 1 所示，以此为基础，分别设计了 6 个不同的框架-核心筒结构模型，
命名为模型 1～模型 6。以模型 1 为例，结构共 36 层，首层、2~3 层、4~36 层的层高分别为 5.1m、4.5m 与 3.5m，结构总高度 129.6m，接近 7 度区该类结构的最大适用高度 130m。核心筒平面尺寸 18m×18m， 外框架平面尺寸 40.8m×40.8m，核心筒内面积/总面积=19.5%。7 度设防，III 类场地，设计地震分组为第一 组，外框架与剪力墙抗震等级为二级。各层主要结构构件的截面参数见表 1。楼面梁截面为 350mm×750mm， 楼面板厚 100 mm。X 方向内筒外壁连梁跨度 3600mm，高度 600mm；Y 方向内筒外壁连梁跨度 2900mm， 高度 600mm。X 方向内筒内墙连梁跨度 2500mm，高度 1000mm。柱与剪力墙混凝土强度等级：1~10 层为 C60，11~18 层为 C50，19~25 层为 C40，26~36 层为 C30，梁板混凝土强度等级取 C30。楼屋面恒载 7.5kN/m2， 楼屋面活载 3.0kN/m2，外框架梁上线荷载取 10kN/m。
基金项目：国家十二五科技支撑计划课题“超高层建筑结构与基础安全保障技术研究”(2012BAJ07B01) 作者简介：胡 妤(1988—)，女，湖南人，硕士生，主要从事结构抗震研究；
*赵作周(1967—)，男，甘肃人，副教授，博士，主要从事结构抗震研究(Email：zzzhao@tsinghua.edu.cn)； 贺小岗(1968－)，男，陕西人，高级工程师，主要从事结构工程设计与研究； 纪晓东(1979—)，男，山西人，副教授，主要从事结构抗震研究； 钱稼茹(1946—)，男，江苏人，教授，主要从事结构抗震研究。
STUDY ON SEISMIC BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE FRAME-CORE WALL STRUCTURES
HU Yu1 , *ZHAO Zuo-zhou1 , HE Xiao-gang2 , JI Xiao-dong1 , QIAN Jiaru1
(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Architectural Design and Research Institute, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Y：外 400；内 200。
900×900 800×800
400×900
·Ⅱ-047·
1.2 内筒内墙的影响 相对模型 1，模型 2 总质量增加 2%，X 方向第一周期减小 12%、第一扭转周期减小 8%、基底剪力增
加 14%、最大层间位移角减小 17%，Y 方向各参数无明显变化。模型 3 总质量减小 7%，X 方向第一周期 增加 17%、第一扭转周期增加 14%、基底剪力减小 18%、最大层间位移角增加 37%，Y 方向第一周期增加 29%、基底剪力减小 19%、最大层间位移角增加 52%，底层墙柱轴压比超限。内部隔墙的存在对结构抗侧 刚度影响较大，连接内部隔墙的连梁跨高比较小，是主要的耗能构件。对框架-核心筒结构进行抗震性能分 析时，不可忽略内部隔墙的作用。