框架核心筒组合体系

第五章组合框架－核心筒结构体系抗震性能研究现状5.1概述

对高层建筑，不仅要求具有足够的受弯承载能力和楼层受剪承载力，又要求结构能满足风和地震作用的考验，某些钢结构体系就不一定能满足要求。钢筋混凝土筒体或墙体，则具有较大的抗推刚度和水平受剪承载力，与钢框架并用，可以提高建筑物的抗震能力。钢－混凝土组合结构集中了钢和混凝土的优点：利用周边框架(或钢框筒)来承担竖向荷载，由混凝土核心筒来承担水平地震剪力。钢筋混凝土筒体和框架并用后，可以加快施工速度。由于钢－混凝土核心筒的这些优点，近年来得到很大发展。本文主要论述组合框架－核心筒结构体系在抗震方面的研究。在大多数此类体系的结构设计中，均使混凝土核心筒承担全部的水平地震剪力，而由周边框架来承担竖向荷载。但事实上，尽管组成这种体系的两种结构(钢和钢筋混凝土)刚度相差较大，但框架部分也必然要分担一部分地震作用，因而应具有足够的抗震承载能力，并以此形成另一道防线。否则，一旦混凝士核心筒在地震作用下刚度大幅度退化甚至倒塌，则全部或大部分水平地震作用由周边框架承担，就会导致整个体系倒塌，因此该结构体系的抗震研究也就有着至关重要的作用。下面简要论述国内外学者对组合框架－核心筒结构体系抗震性能的研究。

5.2 试验研究现状

组合框架－核心筒结构体系包括组合钢框架－混凝土核心筒体系、组合型钢混凝土框架－混凝土核心筒体系和组合钢－混凝土组合框架－混凝土核心筒系。下面首先介绍组合钢框架－混凝土核心筒体系试验研究。

中国建筑科学研究院结构所龚炳年等[5.1]于1994年对一幢23层的钢框架－混凝土核心筒混合结构1:20缩尺模型的动力特性进行了试验研究。试验结果表明：结构的阻尼比约为3%~4%左右；模型的整体工作性能较好，具有优于钢结构的刚度特性，优于钢筋混凝土结构的变形性能，完全可以应用于8度地震区；结构的顶点位移限制值可以根据钢结构部分与钢筋混凝土结构部分的比例取为

1/300~1/700H，而极限位移约为1/40H（H为建筑物总高度）。试验还表明，良好的钢－混凝土构件连接是保证钢－混凝土混合结构抗震性能的关键。

同济大学李国强等[5.2]对一25层1:20缩尺的外钢框架－混凝土核心筒混合结构模型进行了模拟地震振动台试验研究。结果表明：模型有较好的延性。结构破坏主要集中于混凝土核心筒，表现为底层核心筒混凝土受压破坏、暗柱纵筋压屈，

而钢框架处于弹性阶段，没有明显的破坏现象。结构整体破坏属于弯曲型。

中国建筑科学研究院的储德文等[5.3]和西安建筑科技大学的梁博、黄义等[5.4]对一12层的钢框架一混凝土筒体混合结构1:10缩尺模型进行了振动台试验。试验结果表明：结构的破坏集中于混凝土筒体，钢框架基本处于弹性阶段，没有明显的屈服或破坏现象。钢框架可以起到第二道防线的作用，整体破坏属于弯曲型。混合结构的抗震性能在很大程度上取决于混凝土筒体，钢框架对整个结构的贡献是为混凝土筒体提供侧向弹性支撑。并建议在混凝土筒体内预埋尺寸较小的构造

用钢柱和钢梁，钢框架与混凝土筒内暗埋的钢柱直接连接。

对型钢混凝土框架－混凝土核心筒混合结构开展的试验研究主要有：

同济大学吕西林、李检保等以北京LG大厦、上海世茂国际广场和上海环球金融中心大厦为原型，分别采用1:20、1:35和1:50的缩尺比例对三个外型钢混

凝土框架－混凝土核心筒混合结构整体模型进行了振动台试验。研究了不同强度地震下，结构的破坏机理和破坏模式。试验结果表明结构均满足我国抗震设防目标，并对原型结构设计提出了若干建议[5.7-5.8]。

中国建筑科学研究院徐培福、薛彦涛等[5.9]进行了一个30层型钢混凝土框架－核心筒混合结构1:10缩尺的拟静力试验。试验结果表明：型钢混凝土框架与

核心筒协同作用，整体结构有较高的承载能力，也具有一定的延性，抗震性能较好。试验中结构未发生剪切破坏，最终破坏形态是倾覆力矩作用下底部核心筒受拉墙肢及受拉侧外框柱被拉断。

对于钢－混凝土组合框架－混凝土核心筒组合结构开展的试验研究较少，目前查到的文献只有：2009年Han Lin-Hai等[5.10]对两个30层的方钢管、圆钢管混凝土框架－混凝土核心筒结构1:20缩尺模型进行了模拟地震振动台试验研究，

分析了此类结构的自振特性、地震反应特性和破坏特征。试验结果表明：在小震、中震和大震阶段，结构未发生明显的集中破坏。结构发生破坏时，首先由混凝土核心筒开始，然后至钢管混凝土柱。国外对钢－混凝土混合结构体系的研究主要集中在构件、外框架与混凝土核心筒连接节点和外框架或墙体单独反应的层次上，缺乏整体结构模型的振动台试验研究[5.11-5.14]。

5.3理论研究

对于高层组合结构，《高层建筑混凝土结构技术规程》中只列出了钢框架－混凝土筒体和型钢混凝土框架－混凝土筒体两种体系的最大弹性层间位移角限值，对弹塑性阶段的层间位移限值并没有明确规定。对于钢管混凝土框架－混凝土筒体体系，《矩形钢管结构技术规程》（CECS 159：2004）[5.15]中规定：当多、高层矩形钢管混凝土结构的主要抗侧力结构为钢筋混凝土结构时，其层间相对位

移与层高之比值应按现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》中的规定采用。《钢－混凝土混合结构技术规程》（DBJ13-61-2004）[5.16]给出了钢管混凝土框架－混凝土筒体体系的弹性层间位移角限值，但是位角限值和《高层建筑混凝土结构技术规程》中组合结构限值相同。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[5.17]中仅给出了全混凝土结构和钢结构的弹性和弹塑性层间位移角限值，对组合结构并未做详细的规定。另外，对于框架―核心筒结构体系，外框架与核心筒间的刚度匹配问题，规范或规程中也没有具体的规定。

针对高层组合结构位移限值、弹塑性层间位移的实用确定方法以及刚度匹配等问题，目前开展的研究主要有：

李国强等[5.18]对外钢框架－混凝土核心筒混合结构体系弹塑性地震位移的

实用计算开展了研究，提出了进行罕遇地震下该类混合结构弹塑性位移验时的计算数表。李国强、丁翔等[5.19]运用弹性力学理论将有害层间位移分离成弯曲变形和剪切变形，建议混凝土剪力墙层间位移角限值约为1/1000~1/6000；同时还通过算例分析得出，混合结构的钢框架部分的刚度对结构开裂层间位移角的影响很小，层间位移角限值主要取决于混凝土核心筒。

清华大学钱稼茹、魏勇研究了外钢框架－混凝土核心筒结构刚度特征值变化对结构承载能力、破坏模式和极限时破损程度的影响，给出了外钢框架－混凝土核心筒结构刚度特征值的下限[5.20]。

楚留声、白国良对不同结构刚度特征值和核心筒高宽比的型钢混凝土框架－混凝土筒体混合结构进行了Pushover分析。研究了结构刚度特征值和核心筒高宽比对组合结构破坏模式、变形特征和框架与核心筒协同受力性能的影响，对结构设计宏观位移控制指标、框架剪力分担率等提出了建议[5.21]。

对于钢－混凝土组合框架－混凝土核心筒结构体系，目前开展的研究工作不多，且主要集中在单个结构罕遇地震下抗震性能的分析。主要的工作有：邹晋华[5.22]和胡潇等[5.23]对比了钢筋混凝土－剪力墙结构和钢管混凝土－剪力墙结构的非线性地震反应，综合评定了钢管混凝土结构的抗震性能，为该类结构的设计和施工提供了一定的参考依据。赵干荣等[5.24]对钢管混凝土框架－混凝土核心筒体系的动力特性进行了研究，考查了结构在罕遇地震作用下的动力特性，研究了钢管混凝土截面含钢率变化和混凝土筒体内加暗柱对结构整体地震反应的影响。侯光瑜等[5.25]对北京的LG 大厦塔楼钢－混凝土组合框架－核心筒结构进行了

弹塑性动力时程分析，计算分析表明：这种结构体系通过合理设计和构造可以用于高烈度地震区。屠永清等[5.26]以一典型的平立面较为规则的钢管混凝土框架－混凝土核心筒结构为例，采用Pushover 方法对结构在罕遇地震下的抗震性能进行了分析。