钢框架一混凝土核心筒的框架剪力分担率.pdf

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 钢框架一 混凝土核心筒的框架剪力分担率 钱稼茹’ 魏 勇’ 蔡益燕’ 郁银泉’申 林2 “ 清华大学 结构工程与振动教育部宜点实脸室 土木工程系 北京 1 0 0 0 翻 2中国健筑设计研究院 中国建筑标准设计研究院 北京 1 0 0 0 4 4 提 要 对2 0 个钢框架一 混凝土核心简结构模型进行了静力弹塑性分析即推覆分析。 根据分析结果， 提出 了8 度抗展设 防时钢框架一混凝土核心筒结构的刚度特征值a 大于0 .6 5 、 各层框架柱承担的剪力不小于结 构底部总剪力的 1 2 或本层总剪力的1 8 、框架角柱轴压比不大干0 . 5 的设计建议。 关钮词钢框架一 浪凝土核心筒结构.睁力弹塑性分析，结构刚度特征值，框架剪力分担率，轴压比 1前言 钢框架一混凝土核心筒结构广泛用于我国高层建筑。 钢框架一混凝土核心筒结构以 混 凝土核心筒为主要抗震结构单元，外围钢框架主要承受竖向荷载，同时应能承担一定的地 震 剪 力. 我国 高 层 建筑 混凝土 结 构 技 术 规 程 J G 3 - 2 0 0 2 O l规 定; 钢 框架 一钢 筋 混 凝 土筒体结构各层框架柱所承担的 地震剪力不应小于结构底部总剪力的2 5 和框架部分地震 剪 力 最 大 值的1 .8 倍 二者的 较小 值。 美国I B C - 2 0 0 01和U B C - 1 9 9 7 13 1 规定 双 重体 系 的 框 架 应能承担至少2 5 的底部剪力。 国内外对钢框架剪力分担率的规定差别较大。 本文通过2 0 个钢框架 混凝土核心筒模型的静力弹塑性分析 即推覆分析 ， 提出框架剪力分担率等设 计建议。 2计算模型 计算模型以 大连远洋大厦 主塔为蓝本， 经过简 化和归并得到， 其平面图 见图1 e 4 8 层， 高1 7 2 . 8 m ， 层高3 .6 m ， 外框架柱距8 m 。 核心简平面 1 6 .4 m 1 6 .4 m 、高宽比1 0 . 5 4 ， 为简化 计算， 核心筒的 剪力墙不设置连梁。 基本 计算 模型F 1 0 W1 0 , 8 度抗震设防， 其构 件参 数见 表1 。 通过调整钢框架梁柱截面尺寸和核心简墙厚， 共建立2 0 个计算模型， 包括4 个外钢 框架一 钢骨混凝土核心简和 1 6个外钢框架一 钢筋混凝土核心筒，分别为 F 0 7 S W I 0 , F 1 0 S W1 0 , F l 5 S W1 0 , F 3 0 S W1 0 , F 0 7 WO 8 , F l O W0 8 , F 1 5 WO 8 , F 3 0 WO 8 , F 0 7 W1 0 , F 1 0 W1 0 , F 1 5 W1 0 , F 3 0 W1 0 , F 0 7 W1 2 , F 1 0 W1 2 , F I S W1 2 , F 3 0 W1 2 , F 0 7 W1 5 , F 1 0 W1 5 , F 1 5 W1 5 和F 3 0 W 1 5 。 计算模型编号中， F 表示钢框架， F 0 7 的梁柱截面尺寸为F 1 0 梁柱截面尺寸的 0 .7 倍， 钢板厚 度不 变 W表示钢筋混凝土核心简， S W表示钢 骨混 凝土 核心筒， W1 2 的 墙 厚为W1 0 墙厚的1 .2 倍。 钢框架梁柱有4 种截面尺寸 F 0 7 , F 1 0 , F 1 5 和F 3 0 ; 核心简剪 力墙有5 种截面尺寸S WI O , W O 8 , WI O , W1 2 和W1 5 e 映稼茹，男，. ， 肠， 出生.救授 国家科研院所技术开发研究专项资金资助项目2 佣2 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 6年 表 1墓本计算模型F 1 0 W 1 0构件参致 楼层 墙厚 m m , Y1 凝土强度 筒内墙 8 0 0 , C 6 0 6 0 0 , C 5 0 6 0 0 , C 5 0 4 0 0 , C 4 0 筒外墙 4 0 0 , C 5 0 4 0 0 , C 5 0 4 0 0 , C 4 0 4 0 0 , C 4 0 钥梁截面 mm 钢柱截面 伽m 卜1 5 1 6 一6 2 7 - 3 2 3 3 一8 l 6 0 0 x 3 0 0 x l 2 x 2 0 l 6 0 0 x 3 0 0 x l 2 x 2 0 1 6 0 0 x 3 0 0 . 1 2 . 2 0 l 6 0 0 x 3 0 0 x l 2 x 2 O 口7 0 0 . 7 0 0 . 5 0 x 5 0 口7 0 0 x 7 0 0 x 5 O x 5 O 口7 0 0 . 7 0 0 . 5 0 x 5 0 口7 0 0 x 7 0 0 x 5 O x 5 O 说明 钥框架梁、 柱和楼 面梁的钢材采用Q 3 4 5 . 核 心筒 剪 力墙采 用 多 竖 杆计 算 模型 14 ,5 1墙 肢 用3 根 杆 单元 模拟 墙端约 束边缘 构 件或 构造边缘构件用一个杆单元模拟，忽略弯矩的作用，只考虑轴向 拉压边缘构件之间的墙 板用一个杆单元模拟， 考虑弯矩和轴力的共同 作用 在楼盖位置， 各竖杆之间用刚性梁连 接以 保证协同 工作。 刚性梁与边缘构件杆铰接，与墙板杆单元刚接。 钢框架柱的上下两端分别采用压弯祸合塑性铰 P - M 3 ,梁的两端分别采用弯矩铰 M 3 剪力墙边缘构件采用轴向塑性铰 P .姗板单元采用压弯祸合塑性铰 P - M 3 . 塑 性 铰的 力 一 变形关 系曲 线U 见图2 , 参 数的 取值 方 法 见文 献[ 7 1 . O佗 O 任 l拍 了/了 只全塑川 I } 图1计抹镇型平面图 扭性铰空形 圈2里性饺力一变形关系曲线 3计算模型抗震能力评价 31结构刚度特征值 采用结构刚度特征值元作为衡量计算模型框架和核心筒相对强弱的参数。 结构刚度特 征值用下式计算 “ H _C FH E wlw 1 式 中 H为 结 构的 总 高 度E w 几为 核 心 筒 剪 力 墙 抗 弯 刚 度;C F 为 框 架 抗 推 刚 度， 可 采 用D值法计算。 3 . 2承载能力 评价 计算模型应满足承 载力要求，即小震时框架梁、 柱及核心筒剪力墙不出 现塑性铰。 用系 数a , , 表 示 小 震 时 框 架 剪 力 最 大 值 与 结 构 基 底 总 剪 力 的 比 值， 系 数a D 表 示 框 架出 现 第一 个 铰时， 框架剪 力 最 大 值与小 震时 结 构 基 底 总 剪 力的比 值。 系 数I 7 1 - a s x I D ， 表示 . 6 第 卜 九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6年 .---.I.l-.-.J 闷叮创城 小震时框架最大层剪力与框架出现第一个塑性铰时框架 最大 层 剪 力的比 值， 执反 映了“ S K 与a D 的 相 对大 小。 2 0 个 计 算 模 型 的77 1 一 几 关 系曲 线 见 图3 , 根据计算结果， 计算模型F 0 7 W ] 0 , F O 7 W 1 2 , F O 7 W 1 5 和F 0 7 S W 1 0 的 a . , 大 于 a D ， F 0 7 W O 8 的 a “等 于 a D , 表明这 5个模型小展时框架已经有构件屈服， 框架承载 力不 足. 这5 个 模型 的 刚 度 特征值A , _ 0 . 5 , 1 , 0 . 5 时，t/ , 1 ， 框架满足承载力要 求。 o. s }0 1 . 5 2 2 . 5 刚度特征值A 圈 3系 效 枯一又关 系 曲 找 3 . 3结构失效模式评价 推覆分析结束时，核心筒墙脚单元、框架角柱单元或大量楼层的联系梁单元 即钢框 架柱与核心筒之间的楼面钢梁 破坏严重， 认为此时整体结构不再适于继续承担地震作用， 计算模型结构失效。 2 0 个计算模型有4 种失效模式 框架失效， 联系梁失效 也称楼层失 效 ，核心筒受压失效， 核心简受拉失效。 框架失效是指框架柱脚塑性铰力一变形关系进入D E 段 图2 、 框架柱丧失 承载能力 而导致整体失效， F I O W0 8 , F 0 7 W1 0 , F 0 7 W1 2 , F 0 7 S WI O 和F 1 0 S W 1 0 为这种失效模式。 楼层失效是指较多联系梁塑性铰进入D E段、 而钢框架与核心筒剪力墙的塑性铰均处于B C 段， F 3 0 W0 8 和 F 3 0 W 1 0 为这种失效模式。核心筒受压失效是指失 效状态 卜 核心筒角部墙 脚受压单元进入C D或D E段， F 0 7 WO 8 , F l O W0 8 , F 1 5 WO 8 , F 0 7 W1 0 , F 1 0 W1 0 , F 1 5 W1 0 , F 1 0 S W 1 0 和F 3 0 S W 1 0 为这种失效模式。 核心筒受拉失效是指失 效状态下核心筒角部墙脚 受拉单元进入 C D或 D E , F 0 7 WI 2 , F 1 0 W1 2 , F 1 5 W1 2 , F 3 0 W1 2 , F 0 7 WI 5 , F I O W1 5 , F 1 5 W1 5 , F 3 0 WI 5 和F 1 5 S W 1 0 为这种失效模式。 剪力墙截面比 较小、轴压比 较大时出 现核心筒受压失效， 剪力墙截面较大、 轴压比 较 小时出现核心筒受拉失效。出现核心筒受压失效模式的计算模型，剪力墙轴压比 n 0 .3 9 - 0 .4 5 8 ;出现核心筒受拉失效的计算模型，剪力墙轴压比” 0 . 3 0 2 - 0 . 3 5 7 . 对于钢框架一混凝土核心筒结构，框架柱受压破坏导致结构失效是不合理的。模型 F 1 0 W0 8 , F 0 7 W1 0 , F 0 7 W1 2 , F 0 7 S WI O 和F I O S W1 0 均属于框架失效类型， 这5 个模型失 效 模式 不 合 理。 这 个5 个 模型 刚 度 特 征值A 分 别为。 .4 1 3 . 0 .3 7 2 . 0 .6 4 7 . 0 . 3 7 2 和0 .5 5 3 . 为避免出现不合理的结构失效模式， 应要求结构刚度特征值A z 0 . 6 5 . 3 . 4结构破损程度评价 根据推覆分析结果， 底层角柱受压破坏是钢框架一核心筒的 钢框架失效的标志。本文 以框架底层受压角柱的轴向变形作为外钢框架的破损指标，用下式计算 2 式 中 D f 为 钢 框 架 破 损 指 标 ; △ 为 框 架 底 层 受 压 角 柱 轴 向 位 移 △ 为 框 架 底 层 受 压 角 柱 轴向位移极限值。 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 6年 核心筒失效是以 受压墙脚破坏或受拉墙脚破坏为标志.本文以 核心筒底层受压单元或 受拉单元的竖向变形作为核心筒的破损指标，即 D m a x 澳，与 一 △ 。 △ 抽 3 式 中 Dc为 核 心 筒 破 损 指 标 ; △ 。 、 △ ‘ 分 别 为 核 心 简 受 压 和 受 拉 单 元 竖 向 位 移 ; △ 。 、 △ 、 分别为核心筒受压和受拉单元极限位移。 根据式 2 和式 3 得到框架和核心简的 破损指标。 大震时钢筋混凝土核心筒的破 损 指 标D 。 为0 .3 -- 0 .4 1 钢 骨 混 凝 土 核 心 筒 的 破 损 指 标 为。 . 1 - 0 .2 , 钥 框 架 的 破 损 指 标马为 0 .2 5 - 0 . 5 5 。 结 构失 效 状态 时 钢筋混 凝土 核 心筒的 破 损指 标D 。 为0 .8 - - 1 .0 , 钢骨 混 凝 土 核心 简的 破损指 标为。 .4 - 0 .8 . 钢框架的 破损指 标 为0 .4 - 1 .0 . 以 破损指标大于 0 .9 5 作为判定钢框架或核心筒失效的依 据， 据此得到的 钢框架 一混凝土核心简计算模型的失效模 式与前面的结论一致， 表明本文提出的破损指标能够反映 钢框架和混凝土核心筒的破坏程度。 结构失效时计算模型框架的破损指标 与刚度特征值 的关系见图4 。计算模型 F I O WO S , F 0 7 W1 0 , F I O WI O , F 0 7 W 1 2 , F O 7 S W 1 0和F 0 7 S W 1 0 框架的破损指标 达到或 大于0 .9 5 ， 这些计算模型的 不大于0 . 6 5 .为避免框架柱 受压破坏，应满足 . 3 . 5计算模型抗展能力 评价小结 1 . 2 l 0 . e 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 人- 0 . 6 5 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 月魔特征位1 圈 a 结 构 失 效 时 D f 一 几 关 系 示 愈 圈 2 0 个计算模型承载能力、 结构失效模式、 框架破损程度三个方面抗震能力评价结果表 明， 上述三项都合格时，钢框架一混凝土核心筒结构的刚 度特征值兄应大于0 .6 5 . 4框架剪力分担率 4 . 1底部楼层剪力分担率 计 算 分 析 表明 15 1 ， 由 于 核心 筒剪力 墙 屈 服， 导 致 钢框 架 与 核心 筒之间的 相 互作 用力 沿 高度分布发生改变， 底部楼层核心筒与钢框架之间发生剪力重分布。图5 为部分计算模型 的底层框架剪力一 顶点 位移曲线图。 从图中 可以 看出， 随着顶点位移增大. 框架剪力快速增 加。为了 保证底部楼层钢框架的安全，本文以大震时底层框架的剪力即框架基底剪 力作为 确定底部楼层框架剪力分担率的参数。 采 用 剪 力 系 数a 为 大 震时 底 层 框 架 剪 力 与 小 震 时 结 构 基 底 总 剪 力 的比 值，“ 按 下 式 计算 , 蛛。 / 珠。 4 式 中 心。 为 大 震 时 底 层 框 架 剪 力 ， v } 。 为 小 震 时 结 构 基 底 总 剪 力 6 2“ 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 昨码时砖肠砖 吸上么么乞卜 峨城只称旅禅 F IOIII2..“ - ’F 10a0 9 于 荞 沈 ‘ e1ov15 5月，曰自乙 ︵之‘乞1只公坦幼戮禅 1 . o a 0 . 5 0 -口 三 0 1 2 3 4 困点.移‘ . a 底层框架剪力 0 0 . 5 1卜5 22 5 3 3 . 5 顶点 侧移‘ . b 底层框架剪力l 8 构药底总剪力 圈5计算扭型 底层框架剪力 ， 顶点 位移曲 统 晰淤州扔拼 .城长理 图6 为 a , - .1 关 系曲 线 。 从图6 可 知， 系 数al随 着结构刚度特征值A的增大而增大， 基本上呈线性关 系 。 刚 度 特 征 值A 0 .6 5 时 ， 剪 力 系 数a , _ 0 .6 5 ， 相 应 的 底 层 框 架 剪 力 分 担 率 应该 满 足“ 2 7 .8 。 因 此， 小展时，底部楼层框架剪力应不小于小震结构基底总 剪力的7 . 8 . ‘’一‘’ ‘ 7 肠 】 ‘2全 压，， 6 图 6 a , 一 又 关 系 曲 线 4 . 2上部楼层剪力分担率 图7 为部分计算模型框架剪力最大层的 框架剪力 顶点位移关系曲线。 可以 看出， 顶点 位移不大于 1 . 2 m 顶点位移角 1 / 1 4 4 时， 框架剪力最大值随顶点位移线性增大， 框架剪 力最大值与结构基底总剪力的比值没有显著变化，表明上部楼层框架与核心简之间剪力重 分 布不显著。 另一方面，强 柱弱梁设 计使梁 端塑性发展较充分， 限 制了 框架柱端弯 矩的 增 大和框架分担剪力的增大。 本文用小震时 框架部分剪力最大层的 框架剪力作为确定上部楼 层框架剪力分担率的参数。 杯岁班了 几 万 斗 夕‘ 阴临豁喊践阴拐 ...，且，且..且 .吸长翻旅理 3s 0自0幻幻no 么氏民丘仁乳瓜 毛且.几 益书飞昌长性川口 0 0 ‘1【 5 R 7 . 5 3 3 . 0 0 . 5 1] 5R 2 . 533 . 6 .点二V .点侧移 . . 框架剪力.大层框架剪力 b 框 架 剪力 最 大 层 框架剪 力 储构 基 底总 剪 力 圈7计算模型的框架剪力.大层框架剪力一 琐点位移曲 级 “ 6 3 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 用 系 数a 2 和“ 3 分 别 表 示 小 震 时 框 架 剪 力 最 大 层 的 剪 力 与 本 层 总 剪 力 和 结 构 基 底 总 剪 力的比 值，按下式计算 a 2 珠. / 攻用 5 a 3 珠。 / 代 ， 。 6 式 中 V i m 为 小 震 时 除 顶 层 外 的 框 架 剪 力 最 大 层 的 框 架 剪 力 蠕 为 小 震 时 框 架 剪 力 最 大 层的 总 剪力V , , 。 为 小 震 时 结 构 基 底总 剪 力 图8 和图9 分 别 为 a 2 一 几 和佑一 兄 关 系曲 线。 系 数a 2 和“ ， 随 着 结 构 刚 度 特 征 值几 的 增 大 而 增 大。 A 0 .6 5 时 a 2 1 3 ，a 3 _ 0 .6 5 时， 应该满 足n , 5 0 . 5 。因 此取 轴压比限 值为。 .5 0 0. 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 刚度特征值 图 1 0 小 舰 时 框 架 受 IF 角 柱 n , 一 又 曲 线 W1 0的核心筒强弱适中，其 比较合适。 第十九届全国高 层建筑结构学术会议论文2 0 06年 s结论 1 钢框架一 混凝土核心筒结构由小震到结构失效， 底部楼层的框架剪力增加快， 但 数值小;上部楼层框架分担的剪力变化不大，但数值较大。 2 8 度抗震设防的钢框架一 棍凝土核心筒结构， 其结构刚 度特征值应不小于0 . 6 5 , 框架各层柱承担的 剪力应不小于结构基底总剪力的1 2 或应不小于本层总剪力的1 8 。 框 架角柱轴压比应不大于0 . 5 7 度抗震设防时， 各层框架的剪力分 担率可适当减小。 参考文献 高层建筑棍凝土结构技术规程 7 G 7 3 - 2 0 0 2 . 北京中国建筑工业出 版社，2 0 0 2 I n t e rn a t io n a l C o d e C o u n c i l . 2 0 0 0 I n t e r n a t io n a l B u i l d in g C o d e . I B C - 2 0 0 0 , M a r c h 2 0 0 0 I n t e rn a t i o n a l C o n fe r e n c e o f B u i l d in g O ff i c i a ls . 1 9 9 7 U n i f o r m B u i l d in g C o d e . U B C - 1 9 9 7 , A p r i l 1 9 9 7 魏勇， 钱稼茹， 应用S A P 2 0 0 0 程序进行剪力坡非线性时程分析. 清华大学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 5 , 4 5 6 7 4 0 - 7 4 4 魏勇，外钢框架一 混凝土核心筒结构抗展性能及设计方法研究 博士学位论文 .清华大学，2 0 0 6 C o m p u t e r s a n d S t r u c t u r e s , I n c . S A P 2 0 0 0 A n a ly s is r e f e r e n c e , V o lu m e l . B e r k e le y , C a l i f o rn i a , U S A , 1 9 9 7 F e d e ra l E m e r g e n c y M a n a g e m e n t A g e n c y . N E H R P G u i d e l i n e s f o r t h e S e i s m i c R e h a b i l i t a t io n o f B u il d i n g s F E M A 2 7 3 , O c t o b e r 1 9 9 7 钥结构设计规范 G B 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 . 北京中国计剑t b 版社，2 0 0 3 11][2]ls]l’]15110]闭[s] . 6 5.