安東亞 周德源 李亞明

(1. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092； 2. 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041；

3. 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)雙重抗震防線研究綜述

安東亞1,2,*周德源1李亞明3

(1. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海 200092； 2. 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041；

3. 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041)

為保證框架-核心筒結(jié)構(gòu)雙重抗震防線的安全，中國(guó)規(guī)范對(duì)外框架按照剛度分擔(dān)的剪力比例進(jìn)行了限制，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多工程很難滿足規(guī)范限值要求。對(duì)該體系雙重抗震防線的相關(guān)研究進(jìn)行了梳理總結(jié)，分別從震害、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值分析角度進(jìn)行了闡述，指明不同研究方法在該問(wèn)題上存在的不足和局限性。討論了當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題和對(duì)執(zhí)行規(guī)范過(guò)程中的不同理解；從基于性能抗震設(shè)計(jì)的角度，提出雙重抗震防線應(yīng)達(dá)到的合理目標(biāo)，并對(duì)今后應(yīng)開(kāi)展的研究和主要焦點(diǎn)進(jìn)行了展望。

框架-核心筒, 二道防線, 性能設(shè)計(jì), 剪力分擔(dān)比

1 引 言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系是目前高層建筑最常用的一種雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式，該體系由框架和核心筒兩個(gè)系統(tǒng)組成，并由它們協(xié)同工作來(lái)抵抗外力作用。為確保大震下多道防線，不少?lài)?guó)家的抗震規(guī)范做出框架部分承擔(dān)剪力的量化規(guī)定。美國(guó)International Building Code 2000[1]中提出，框架-核心筒(框架-剪力墻) 結(jié)構(gòu)在地震作用下，當(dāng)框架部分的設(shè)計(jì)層剪力不小于該層總剪力的25% 時(shí)作為雙重抗側(cè)力體系。我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2]規(guī)定:“鋼框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)各層框架柱所承擔(dān)的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的 25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小值?！?《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]第6.7.1條規(guī)定：框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，除加強(qiáng)層及其相鄰上下層外，按框架-核心筒計(jì)算分析的框架部分各層地震剪力的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的10%。而實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中大部分超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)很難滿足該規(guī)定，很多工程中框架承擔(dān)的地震剪力僅為結(jié)構(gòu)總剪力的4%～5%，與規(guī)范要求有較大差距，但是為了滿足規(guī)范要求，必須不斷加大構(gòu)件截面尺寸，不僅使設(shè)計(jì)不合理，并且付出很大的經(jīng)濟(jì)成本。如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)確保框架-核心筒結(jié)構(gòu)雙重防線在地震中的預(yù)期性能，成為當(dāng)前業(yè)界討論的熱點(diǎn)。本文從震害、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、數(shù)值分析等角度，對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)雙重防線的相關(guān)研究進(jìn)行綜述和分析，并提出存在的主要問(wèn)題和今后的研究方向。

2 雙重抗震防線的研究概況

關(guān)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)在水平力作用下彈性階段協(xié)同受力的基本規(guī)律特征，在相關(guān)的教科書(shū)上已經(jīng)有簡(jiǎn)化的理論計(jì)算方法[4-5]，一般借助框架-剪力墻協(xié)同受力的分析方法，采用連續(xù)化的思想進(jìn)行研究，將一個(gè)方向的框架合并成總框架，該方向的墻體合并成總剪力墻，連梁合并成總連梁，最終給出在特定側(cè)向力模式下框架和剪力墻的剛度比例和剪力分配規(guī)律。這些研究成果對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震防線及破壞機(jī)制的研究具有最為基礎(chǔ)的指導(dǎo)意義。另外，從已發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，主要是基于震害、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)以及數(shù)值分析的研究，下面從這幾個(gè)角度進(jìn)行總結(jié)。

2.1 基于震害的研究

對(duì)實(shí)際地震中建筑物震害的研究是建筑結(jié)構(gòu)抗震研究的最直接途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者十分重視對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)震害的調(diào)查研究，目前已經(jīng)積累了一定的震害原始資料，其中就包括框架-核心筒結(jié)構(gòu)的震害研究。

徐培福等[6]對(duì)1964年3月27日發(fā)生在美國(guó)阿拉斯加的強(qiáng)烈地震震害情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。部分高層混合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，其中Hill Building為8層辦公樓。該建筑中央設(shè)置了一個(gè)鋼筋棍凝土筒，外框架采用鋼框架。設(shè)計(jì)時(shí)框架只承受豎向荷載，核心筒承擔(dān)全部水平荷載。鋼梁與鋼柱間采用高強(qiáng)或普通螺栓的鉸連接。地震中少數(shù)螺栓剪壞，大部分節(jié)點(diǎn)和鋼構(gòu)件保持完好。鋼筋混凝土筒體剛度較大，承擔(dān)了主要的地震作用。核心筒因底部混凝土破壞，一角下沉13 mm，另一角下沉8 mm。底層核心筒剪力墻開(kāi)裂，筒體連梁各層都產(chǎn)生破壞。

傅學(xué)怡[7]對(duì)臺(tái)灣921集集地震、331花蓮地震、日本阪神地震、美國(guó)阿拉斯加地震震害進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)整澆鋼筋混凝土多、高層建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下破壞受損乃至倒塌的主要表現(xiàn)是柱、墻的脆性剪切破壞或壓屈破壞, 嚴(yán)重者裂縫貫穿, 墻柱折斷、壓屈、房屋倒塌, 而與此同時(shí), 整澆鋼筋混凝土樓蓋的框架梁未見(jiàn)正截面裂縫、鋼筋屈服, 未形成塑性鉸, 僅有未配置箍筋或箍筋極少的個(gè)別連梁及梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脆性剪切斜裂縫破壞。梁興文等[8]對(duì)汶川地震中的高層結(jié)構(gòu)震害進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)震區(qū)高層建筑比多層建筑的震害嚴(yán)重。高層建筑的震害主要表現(xiàn)為砌體填充墻和隔墻普遍出現(xiàn)裂縫；房屋頂部附近防震縫兩側(cè)的裝飾材料震損，部分混凝土構(gòu)件被撞壞；樓梯間的填充墻普遍開(kāi)裂等。主體結(jié)構(gòu)中的混凝土梁、柱和剪力墻等承重構(gòu)件一般沒(méi)有可見(jiàn)裂縫，部分剪力墻洞口連梁及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁出現(xiàn)剪切斜裂縫或彎曲裂縫。周穎和呂西林[9]以智利高層建筑結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)入手，分別研究了智利地震中鋼筋混凝土剪力墻高層建筑、立面收進(jìn)復(fù)雜高層建筑、連體復(fù)雜高層建筑、帶消能減震支撐超高層建筑、帶金屬球顆粒阻尼器高層建筑的震害現(xiàn)象。鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)的普遍震害現(xiàn)象主要表現(xiàn)為剪力墻混凝土受壓破壞和剪力墻鋼筋的外鼓屈曲與拉斷破壞兩種。研究表明: 智利高層結(jié)構(gòu)剪力墻厚度與中低層結(jié)構(gòu)剪力墻厚度相近[10]，造成剪力墻軸壓比過(guò)大，在此次地震中發(fā)生嚴(yán)重破壞；智利國(guó)家規(guī)范在鋼筋混凝土剪力墻設(shè)計(jì)中參考美國(guó)規(guī)范ACI 318[11]，但允許對(duì)邊緣約束構(gòu)件設(shè)計(jì)予以放松，是造成剪力墻破壞的另一原因。

目前國(guó)內(nèi)已有的震害資料多為不發(fā)達(dá)地區(qū)的低矮房屋結(jié)構(gòu)，然而，由于我國(guó)近年來(lái)對(duì)高層建筑造型的需求，復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)層出不窮，且普遍未經(jīng)歷過(guò)大地震考驗(yàn)，因此在典型高層、超高層結(jié)構(gòu)震害資料的積累上非常匱乏，特別是對(duì)高度較高的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震防線研究還不能形成有力的支撐。

2.2 基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究

在缺乏充分的震害資料的情況下，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)成為研究高層、超高層結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題的重要手段。

為研究鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的共同受力特征，龔炳年等[12-13]對(duì)一個(gè)23層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)1/20模型進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)和六點(diǎn)單調(diào)加載彈性階段試驗(yàn)及二點(diǎn)、一點(diǎn)反復(fù)加載彈塑性性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,即使在模型加載后期，鋼筋混凝土芯筒與鋼框架之間仍保持共同工作,鋼框架給鋼筋混凝土芯筒提供了附加的保護(hù)。為保證鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的整體工作, 鋼梁與鋼筋混凝土墻體的有效連接是至關(guān)重要的,應(yīng)采取可靠措施, 確保在強(qiáng)震作用下, 梁與墻之間亦有可靠連接。

李國(guó)強(qiáng)等[14]對(duì)一典型的高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)縮尺模型進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，進(jìn)行了6度、8度、9度不同強(qiáng)度水平的地震力試驗(yàn)，比較全面地揭示了該結(jié)構(gòu)體系的整體破壞模式。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)破壞主要集中于混凝土芯筒，表現(xiàn)為底層芯筒混凝土受壓破壞，暗柱和角柱縱筋壓屈，而鋼框架處于彈性階段，沒(méi)有明顯的破壞現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)整體破壞屬于彎曲型。

儲(chǔ)德文等[15]通過(guò)一個(gè)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了鋼框架-混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)抗震性能和地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配比例。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明, 該結(jié)構(gòu)體系的破壞集中于混凝土筒體, 鋼框架沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象, 結(jié)構(gòu)整體的延性較好，而混凝土筒體結(jié)構(gòu)承擔(dān)了絕大部分的地震剪力。

徐培福等[16]進(jìn)行了一個(gè)30 層型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型的擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 型鋼混凝土框架與核心筒的協(xié)同作用, 使整體結(jié)構(gòu)有較高的承載力, 也具有一定的延性, 抗震性能較好；結(jié)構(gòu)未發(fā)生層剪切破壞,最終破壞模式是在傾覆力矩作用下底部核心筒受拉墻肢及受拉側(cè)外框柱拉斷。

同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近些年完成了一大批不同結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震研究積累了豐富的試驗(yàn)資料。

龔治國(guó)等[17]以上海世茂國(guó)際廣場(chǎng)為對(duì)象，進(jìn)行了一個(gè)模型比例為1/35的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)原形結(jié)構(gòu)為巨形型鋼混凝土柱框架+混凝土芯筒結(jié)構(gòu)體系，框架梁采用型鋼梁。塔樓結(jié)構(gòu)共60層，總高度333.0 m。模型破壞特征為: 7度多遇地震作用下，模型表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，自振頻率略有下降，模型基本處于彈性狀態(tài)；7度基本烈度作用下，塔樓9～13層外框架角柱根部、裙房出屋面機(jī)房柱根部等局部出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，塔樓與裙房、廣場(chǎng)之間的連桿破壞；7度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)破壞比較明顯，塔樓9～13層外框架柱柱端部裂縫繼續(xù)開(kāi)展，裙房3～7層框架柱端部或者中部出現(xiàn)明顯裂縫，部分位置混凝土壓碎、剝落，裂縫貫穿，塔樓與裙房、廣場(chǎng)之間連桿全部拉斷或壓曲，失去連接作用。

鄒昀[18]在其博士研究期間，對(duì)上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，模型比例為1/50。試驗(yàn)結(jié)果顯示:在7度多遇地震后，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫；7度基本烈度地震試驗(yàn)結(jié)束后結(jié)構(gòu)發(fā)生微小裂縫，基本處于彈性工作階段；在7度罕遇地震試驗(yàn)階段各地震波輸入下，模型表面還未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，模型結(jié)構(gòu)的自振頻率繼續(xù)下降；8度罕遇(超烈度)地震試驗(yàn)后，部分樓層巨型柱出現(xiàn)混凝土被大片壓碎，角部部分脫落，柱內(nèi)縱筋外鼓。

呂西林等[19]對(duì)一個(gè)鋼管混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)原型高264 m，模型縮尺比例為1/30，分析了模型結(jié)構(gòu)在8度多遇地震、基本地震、罕遇地震和9度罕遇地震作用下的動(dòng)力特性，對(duì)模型結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)的破壞模式、層間位移、樓層剪力等動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行研究。原型結(jié)構(gòu)能夠滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范“小震不壞、大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。8度罕遇地震作用結(jié)束后，結(jié)構(gòu)剛度仍無(wú)明顯衰減，即使在9度罕遇特大地震作用下，仍然表現(xiàn)出優(yōu)良的抗震性能。

周穎等[20]通過(guò)一個(gè)模型比例為1/15的20層鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)的縮尺模型試驗(yàn)，研究了該結(jié)構(gòu)體系在不同地震水平下的破壞模式，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在核心筒的連梁端部以及外鋼框架和核心筒連接節(jié)點(diǎn)處，外鋼框架沒(méi)有發(fā)生明顯的破壞，基本處于彈性階段，核心筒發(fā)揮了主要抗側(cè)力構(gòu)件的作用，連梁表現(xiàn)出了很好的耗能作用，節(jié)點(diǎn)的破壞表明外鋼框架與核心筒具有協(xié)同工作的性能，此外結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)及破壞模式也證明了該結(jié)構(gòu)形式具有良好的延性和變形能力。

盡管振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段，但對(duì)于超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)剪力分配問(wèn)題的研究仍存在較大局限性，這主要是由于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)較難給出外框架與核心筒實(shí)際分擔(dān)的剪力數(shù)值及比例。盡管如此，試驗(yàn)給出的基本破壞模式和規(guī)律仍對(duì)該問(wèn)題的研究具有重要價(jià)值。通過(guò)對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的破壞模式進(jìn)行總結(jié)，可發(fā)現(xiàn)，在預(yù)期罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的破壞首先并主要發(fā)生在核心筒當(dāng)中，外框架破壞相對(duì)較輕，甚至保持在彈性范圍(尤其在外框采用鋼框架的時(shí)候)。

2.3 基于數(shù)值分析的研究

由于震害資料的不足以及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的局限性，在對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)協(xié)同受力以及剪力分配的研究方面，數(shù)值分析方法特別是彈塑性分析方法是更好的定量化研究手段。

錢(qián)稼茹等[21]對(duì)20個(gè)鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜力推覆分析，總結(jié)了混合結(jié)構(gòu)受力全過(guò)程、變形能力及影響因素，框架剪力沿高度分布的規(guī)律，得到了框架剪力最大層的位置。其中非常重要的一個(gè)結(jié)論為：隨著彈塑性的發(fā)展，框架分擔(dān)的剪力增加，曲線向外鼓出的程度逐漸減?。粯O限狀態(tài)時(shí)，框架的剪力基本程直線分布。根據(jù)推覆分析結(jié)果，提出了如下設(shè)計(jì)建議[22]:8度抗震設(shè)防時(shí)鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的剛度特征值大于0.65，各層框架的設(shè)計(jì)地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值不小于本層總剪力的18%和不小于框架-核心筒結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的地震剪力的1.2倍(加強(qiáng)層和頂層的剪力可不小于框架-核心筒結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的地震剪力)，框架角柱軸壓比不大于0.5。通過(guò)算例表明符合建議的鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，在地震作用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不合理的破壞形態(tài)。

曹倩等[23]通過(guò)對(duì)一個(gè)巨型框架+核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性分析和大震動(dòng)力彈塑性分析，來(lái)研究巨型框架和核心筒的抗震協(xié)同工作及各自的抗震性能。研究中并不關(guān)注小震下結(jié)構(gòu)體系的剪力分配，而是考察其是否能滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。分析結(jié)果顯示，小震下有較多樓層框架剪力分擔(dān)比例明顯小于10%，而大震下結(jié)構(gòu)的位移、剪重比等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)損傷次序和程度與抗震概念設(shè)計(jì)相符，性能目標(biāo)均能得到滿足。內(nèi)外筒剪力在結(jié)構(gòu)進(jìn)入損傷時(shí)能夠進(jìn)行重分布。因此研究結(jié)論認(rèn)為，巨型框架+核心筒結(jié)構(gòu)體系可不采用規(guī)范中對(duì)傳統(tǒng)框-筒結(jié)構(gòu)體系二道防線的要求，可通過(guò)彈塑性有限元分析，得到罕遇地震下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和性能，保證內(nèi)外筒協(xié)調(diào)工作，內(nèi)外筒剪力能夠重新分布，最終保證結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的滿足。

王煥誠(chéng)[24]利用MTS鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件完成3棟結(jié)構(gòu)類(lèi)型和布置一致的20層鋼框架組合墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，在此基礎(chǔ)上研究剪力分擔(dān)率對(duì)鋼框架組合墻結(jié)構(gòu)安全性的影響。三個(gè)結(jié)構(gòu)外框分擔(dān)的剪力比例分別為31.18%，20.47%和11.91%。結(jié)果表明在滿足一切安全性要求的前提下，以層間位移作為結(jié)構(gòu)安全性?xún)?yōu)化控制參數(shù)，隨著剪力分擔(dān)率的減小，安全性減小，安全利用率增加。

劉陽(yáng)冰和劉晶波[25]對(duì)外部由鋼管混凝土柱和鋼-混凝土組合梁組成的組合框架, 內(nèi)部為RC核心筒的305個(gè)組合框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性地震反應(yīng)的參數(shù)分析,探討了外框架梁、柱截面、核心筒厚度及樓層數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)變形性能和外框架剪力的影響規(guī)律。研究了結(jié)構(gòu)剛度特征值對(duì)最大層間位移角位置和外框架樓層最大剪力位置的影響規(guī)律。結(jié)果表明:對(duì)于所研究的結(jié)構(gòu)模型,單獨(dú)增大柱截面對(duì)減小結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)效果不明顯,同時(shí)增大梁、柱尺寸或核心筒厚度均可有效降低結(jié)構(gòu)的彈性位移反應(yīng)。隨著核心筒厚度的增加,外框架承擔(dān)的剪力和剪力分擔(dān)率減小,在結(jié)構(gòu)中上部減小比率較大。結(jié)構(gòu)最大層間變形和框架剪力起控制作用的是中上部樓層。

Aukeman與Laursen[26]為研究雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的抗震性能，根據(jù)美國(guó)規(guī)范ASCE 7-05[27]，建立了三個(gè)20層的平面尺寸相同的模型，外部為純框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為采用防屈曲支撐的支撐筒體，三個(gè)模型設(shè)定的外框剪力承擔(dān)比例分別為15%，25%和40%。分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行了靜力推覆分析和非線性時(shí)程分析。結(jié)果顯示三個(gè)結(jié)構(gòu)均能滿足ASCE 7-05對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)雙重抗震防線的目標(biāo)。因此研究者認(rèn)為規(guī)范中關(guān)于剪力分擔(dān)限值大小的規(guī)定具有一定的隨意性。同時(shí)承認(rèn)研究結(jié)論可能受到具體模型的影響，所以建議進(jìn)一步開(kāi)展有關(guān)雙重抗側(cè)體系剛度匹配及剪力限值的研究。

繆志偉等[28]以一個(gè)實(shí)際高層框架-多子筒核心筒混合結(jié)構(gòu)為例，采用靜力彈塑性計(jì)算和彈塑性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，分析了其在地震作用下的破壞模式、層間變形分布和地震剪力分配。隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大, 核心筒逐漸進(jìn)入彈塑性, 剛度降低，外框分配的剪力系數(shù)逐漸增大，其中底部由小震時(shí)的2.5%增大到大震時(shí)的11.1%；中部由10%提高到30%；頂層由60%增大到約75%。在罕遇地震下，外框柱均未屈服，在兩個(gè)方向分擔(dān)了足夠大的地震剪力，且有足夠的承載力，整體上有效發(fā)揮了二道防線的作用。

鐘華[29]針對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的自身特點(diǎn)，以及如何體現(xiàn)多道防線的抗震思想這兩方面，提出了必須考慮剪力墻剛度退化對(duì)于框架地震內(nèi)力的影響。采用靜力彈塑性分析方法進(jìn)行大量的算例分析，得到了可供工程實(shí)際參考的修正系數(shù)，并對(duì)規(guī)范的有關(guān)條文迸行了評(píng)價(jià)。

文獻(xiàn)[30]研究了雙重體系中框架的最不利應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)承擔(dān)的水平地震力，并提出適用于雙重體系的兩階段設(shè)計(jì)法。該文研究了各種影響因素，發(fā)現(xiàn)抗震墻間距、房屋總層數(shù)影響較小，主要影響因素是層間位移角。結(jié)果表明：框架的最大剪力的樓層地震剪力修正系數(shù)的變化范圍為1.8～3.5，說(shuō)明規(guī)范的規(guī)定偏于不安全。文獻(xiàn)[31]也研究了高層框-剪結(jié)構(gòu)中框架的地震內(nèi)力及修正系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)為：當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移角達(dá)到1/500時(shí)，框架處于最不利受力狀態(tài)。研究表明框架最大地震剪力所在樓層的修正系數(shù)范圍為1.14～1.53，說(shuō)明我國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定是比較合理的。文獻(xiàn)[30，31]得出了不同的結(jié)論，究其原因會(huì)發(fā)現(xiàn)二者研究的階段不一樣。文獻(xiàn)[30]研究的是如何實(shí)現(xiàn)抗震第二水準(zhǔn)的目標(biāo)，即保證框架在抗震設(shè)防基本烈度地震力作用下不會(huì)受到嚴(yán)重破壞。研究的是基本烈度地震作用下雙重體系中框架的受力狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的彈塑性側(cè)移等于彈性位移的三倍，此狀態(tài)并不等同于鋼框架在整個(gè)強(qiáng)烈地震作用過(guò)程中的最不利受力狀態(tài)。而文獻(xiàn)[31]研究的是框架在強(qiáng)烈地震作用下的最不利受力狀態(tài)，沒(méi)有特意與抗震設(shè)防目標(biāo)對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)層間位移角為l/500時(shí)的狀態(tài)。

文獻(xiàn)[32]利用“等效平均”的概念考慮彈塑性階段混凝土核心筒的剛度退化，并利用有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，研究水平地震剪力在鋼框架與混凝土核心筒之間的分配。分析表明，鋼框架在彈性階段分擔(dān)的水平地震剪力為10%～30%，彈塑性階段相應(yīng)增加至15%～30%。

3 中美規(guī)范梳理及對(duì)比

為確保大震下多道防線安全，不少?lài)?guó)家抗震規(guī)范都給出框架承擔(dān)剪力的量化規(guī)定。中國(guó)規(guī)范主要參考了美國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，但又有不同。

美國(guó) International Building Code 2000[1]中提出，在框架-核心筒(框架-剪力墻)結(jié)構(gòu)中，地震作用下，當(dāng)框架部分的設(shè)計(jì)層剪力不小于該層總剪力的25% 時(shí)作為雙重抗側(cè)力體系。當(dāng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)及框架-核心筒結(jié)構(gòu)中的框架構(gòu)件截面較小，框架擔(dān)負(fù)的水平力小于25% 總剪力時(shí)，要求只考慮剪力墻或剪力墻筒體獨(dú)立承擔(dān)水平荷載，以保證主體結(jié)構(gòu)的安全。

美國(guó) Uniform Building Code 1997[33]中對(duì)框剪結(jié)構(gòu)要求: 框架應(yīng)能獨(dú)立承擔(dān)底部設(shè)計(jì)剪力的25%。

美國(guó) ATC-3-06 1984[34]修訂版要求框架至少承擔(dān)總側(cè)力(包括扭轉(zhuǎn)效應(yīng))的25%，是對(duì)框架提供第二道防線達(dá)到在大震以后使房屋具有承受使用荷載(至少是重力荷載) 的承載力要求。

我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2]規(guī)定: 鋼框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)各層框架柱所承擔(dān)的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小值。對(duì)雙重體系鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]要求與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001) 相同，即規(guī)定上述兩個(gè)數(shù)值分別為20%和1.5。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)新增條文要求:框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，除加強(qiáng)層及其相鄰上下層外，按框架-核心筒計(jì)算分析的框架部分各層地震剪力的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的10%。按框架-核心筒計(jì)算分析的框架部分各層地震剪力的最大值小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的10%時(shí)，任一層框架應(yīng)承受的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的15%，且筒體承擔(dān)的地震作用和構(gòu)造措施也需要適當(dāng)加強(qiáng)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)中也有類(lèi)似的要求。

2013年剛剛頒布實(shí)施的廣東省高規(guī)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15—92—2013)[35]針對(duì)巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)提出“抗震設(shè)計(jì)時(shí)芯筒應(yīng)承擔(dān)全部地震力；巨型框架柱承擔(dān)的剪力標(biāo)準(zhǔn)值宜取不小于框架按側(cè)向剛度分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的3倍”，取消了按照剛度分擔(dān)剪力比例的限值。

從以上中美規(guī)范的相關(guān)規(guī)定看出，為保證框架-核心筒(框架-剪力墻)結(jié)構(gòu)的雙重抗震體系，美國(guó)規(guī)范主要通過(guò)承載力進(jìn)行調(diào)整控制，中國(guó)國(guó)家規(guī)范除了承載力控制以外，還增加了剛度的控制，而中國(guó)地方規(guī)范(廣東)有取消剛度控制的趨勢(shì)。

4 當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題和不足

4.1 規(guī)范執(zhí)行中存在的問(wèn)題

由于我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2]均增加了按照剛度計(jì)算外框剪力分擔(dān)系數(shù)的限值(10%)，而實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中大部分超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)很難滿足該規(guī)定，很多工程中框架承擔(dān)的地震剪力僅為結(jié)構(gòu)總剪力的4%-5%(表1)，與規(guī)范要求有較大差距。根據(jù)規(guī)范的原文，當(dāng)此計(jì)算系數(shù)小于10%時(shí)，是可以通過(guò)調(diào)整承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)的(調(diào)整到15%)，但對(duì)于很多高度較大的超限結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的抗震審查當(dāng)中，審查專(zhuān)家通常會(huì)提出比規(guī)范條文更加嚴(yán)格的控制指標(biāo)，即一般不允許有太多樓層的計(jì)算剪力分擔(dān)系數(shù)大幅度小于10%。為了滿足這一條，構(gòu)件截面尺寸經(jīng)常被不斷地加大，不僅使設(shè)計(jì)不合理，并且付出很大的經(jīng)濟(jì)成本，甚至有些項(xiàng)目因?yàn)榇隧?xiàng)不滿足，從而不能通過(guò)抗震審查。該問(wèn)題不僅困擾著許多設(shè)計(jì)人員，很多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家也對(duì)此問(wèn)題存在質(zhì)疑。

表1 代表工程案例中外框剪力與傾覆彎矩分擔(dān)系數(shù)

Table 1 Shear force and moment distribution ratio in external frame of typical projects

4.2 對(duì)雙重防線概念上的認(rèn)識(shí)問(wèn)題

目前結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，特別是超限高層的抗震設(shè)計(jì)，出現(xiàn)性能要求定得越來(lái)越高，設(shè)計(jì)越來(lái)越保守的趨勢(shì)，這也導(dǎo)致對(duì)雙重抗震體系實(shí)際抗震性能的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。主要有兩個(gè)方面，一是不少結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)或彈塑性分析，在大震下基本還保持彈性，由此判斷結(jié)構(gòu)抗震性能良好，認(rèn)為達(dá)到雙重抗側(cè)力體系的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是不科學(xué)的；二是對(duì)一些混合結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)或分析結(jié)果顯示大震下核心筒發(fā)生比較嚴(yán)重的損傷破壞，外框柱卻幾乎沒(méi)有損壞，柱中鋼筋(型鋼)還處在彈性范圍，而此前小震下外框柱分擔(dān)的剪力比例又很低(剛剛滿足最小剪力系數(shù)限值)，這種情況下簡(jiǎn)單地認(rèn)為外框設(shè)計(jì)得太弱或太強(qiáng)也是片面的。

雙重防線應(yīng)以抗震安全為目標(biāo)并同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)適用，無(wú)限制追求安全系數(shù)既不科學(xué)也不現(xiàn)實(shí)，因此合理的雙重防線破壞模式應(yīng)為：小地震作用下，主要依靠核心筒(第一道防線)發(fā)揮作用；中大震作用時(shí)，允許核心筒首先發(fā)生一定程度破壞，伴隨其破壞和剛度退化，外框柱的能力逐漸發(fā)揮，并且外框本身具有足夠的延性和承載能力，在后續(xù)地震中不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，能夠和內(nèi)筒一起抵抗地震作用，并保證內(nèi)筒的破壞和側(cè)向變形不會(huì)無(wú)限發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌。

4.3 當(dāng)前研究工作尚存在的不足

綜合以上，針對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的雙重抗震防線問(wèn)題，目前的研究尚存在不足，主要存在的問(wèn)題如下：

(1) 沒(méi)有考慮實(shí)際地震中框架瞬時(shí)剪力系數(shù)突變的問(wèn)題；

(2) 尚未建立不同剪力系數(shù)和結(jié)構(gòu)破壞模式的較完整的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(3) 在外框剪力系數(shù)不能滿足規(guī)范要求時(shí)未給出合適的解決出路；

(4) 未對(duì)外框剛度和承載能力的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)的量化研究；

(5) 沒(méi)有區(qū)分不同性能目標(biāo)對(duì)外框剪力系數(shù)限值的差異性需求；

(6) 未對(duì)不同地震水平下(不同破壞程度)外框剪力分擔(dān)系數(shù)、總地震剪力的量變及相互影響給出明確規(guī)律；

(7) 僅強(qiáng)調(diào)外框剪力分擔(dān)系數(shù)，較少關(guān)注外框傾覆彎矩分擔(dān)比例，而某些情況下后者可能對(duì)雙重防線抗震性能的影響更大[36]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

業(yè)內(nèi)對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的雙重抗震防線如何根據(jù)規(guī)范進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，尚未完全形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)；目前越來(lái)越多的超高層結(jié)構(gòu)采用該體系，外框剪力分擔(dān)比例的問(wèn)題成為不可回避的一道難題，因此研究工作非常有必要進(jìn)一步深入開(kāi)展。結(jié)合當(dāng)前研究成果和尚存在的問(wèn)題，今后需要從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)展開(kāi)研究：

(1) 進(jìn)一步明確合理的雙重防線破壞模式。

(2) 研究外框與內(nèi)筒在不同地震水平下剛度退化和地震力重新分配的基本規(guī)律。

(3) 研究外框傾覆彎矩分擔(dān)系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

(4) 根據(jù)不同性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)自身特征(結(jié)構(gòu)高度、外框形式等)，分別論證合適的內(nèi)外剛度匹配關(guān)系。

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Double Earthquake Fortification Lines of Frame-core Tube Structure: State-of-the-art

AN Dongya1,2,*ZHOU Deyuan1LI Yaming3

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China；

2. East China Architectural Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200041, China；

3. Shanghai Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

To ensure the double earthquake fortification lines' safety of frame-core tube structure, the distribution ratio limits of shear force in external frame calculated according to the stiffness was proposed in Chinese code. In the actual design process, it is difficult to meet the specification limits for many engineering projects. In this article,from the earthquake damage, shaking table test and numerical analysis point of view, related studies about the double seismic defence line of frame-core tube structure were summarized, and the deficiencies and limitations of different studies on the problem are specified. The issues that exist in the current study anddifferent understandings of the specification were discussed. Based on the performance-based seismic concept, the reasonable target of double seismic defence was proposed, and the research that should be carried out and the main focus have been prospected.

frame-core tube, double earthquake fortification lines, performance-based seismic design, shear force distribution ratio

2014-02-24

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司建設(shè)科技項(xiàng)目(11-1類(lèi)-0022-結(jié)、14-3類(lèi)-0031-結(jié))

*聯(lián)系作者，Email:dongya_an@xd-ad.com.cn