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高层建筑框架-核心筒结构双重体系的刚度匹配研究

陈才华  
【摘要】:高层建筑已经成为我国量大面广的最主要的建筑形式,而框架-核心筒结构是我国高层特别是超高层建筑最主要的结构形式。抗震概念设计要求框架-核心筒结构的框架应具备合理的刚度和承载能力,中外设计规范均有加强框架的相关规定。我国设计规范和超限审查技术要点通过控制框架分担最小剪力比(框剪比)和框架剪力放大来增强框架的刚度和承载力,已有研究成果表明,这对提高框架-核心筒结构的抗震安全性有重要的作用。但框剪比及其限值的规定基于定性化的抗震概念,定量化的研究成果不足,成为近年来国内高层建筑结构设计的一个热点问题。本文针对这一问题,从框架-核心筒结构双重体系协同工作原理和抗震二道防线出发,通过采用基于线弹性的连续化理论分析、基于弹塑性的静力推覆分析和增量动力时程分析,对框架-核心筒结构框剪比指标的物理意义、分布规律、影响因素、变化规律以及对整体抗震性能的影响等开展了系统的研究。主要工作内容和结论如下:1.基于双重抗侧体系协同工作原理,采用连续化方法推导建立框架-核心筒结构等刚度条件下考虑弯剪耦合效应以及变刚度条件下的基本微分方程组并求解,借助有限元分析结果验证了方程推导正确、求解结果准确。连续化分析结果表明:为了保证框架-核心筒结构双重抗侧体系充分发挥协同工作效应,必须保证框架具备一定的刚度;框剪比指标可以定量反映框架与核心筒之间相对刚度的大小,规范采用“框剪比”这一指标是合理有效的,其本质为限定框架与核心筒相对刚度的比值(刚度特征值)不宜过小。高层尤其是超高层框架-核心筒结构刚度沿高度变化,导致框剪比曲线沿高度分布呈现“中部大、两端小”的特点,可采用“最大框剪比”来限定框架与核心筒的相对刚度,放松顶部楼层框剪比限值。2.基于整体抗侧刚度相近的原则,分别设计了9个和12个外框与核心筒具有不同刚度比(框剪比)的模型,利用Perform3D软件进行静力弹塑性分析,对比研究不同模型的塑性发展过程和框剪比变化规律。分析表明:随着结构进入塑性,内力会在核心筒剪力墙和框架之间重分布,框剪比曲线的变化存在两种模式,且仅由框架与核心筒弹性状态的刚度比(框剪比)决定;当弹性分析的最大框剪比大于5%时,其变化规律为“先增大后减小”,当弹性分析的最大框剪比小于5%时,其变化规律为“一直增大”;前者内力重分布的过程体现了双重体系的优势,二道防线作用充分发挥,后者二道防线作用有限,整体性能接近于单重抗侧体系。从抗震二道防线角度,框架-核心筒结构双重抗侧体系的框架应具备一定的刚度,本文的算例模型分析结果表明,“弹性分析的最大框剪比大于5%”可作为框架的最低刚度要求。3.基于整体抗侧刚度相近的原则设计了5个不同框剪比的框架-核心筒模型(含一个单重抗侧体系),利用ABAQUS软件进行增量动力时程分析(IDA),对比不同模型的动力推覆曲线、塑性发展和损伤、框剪比与框架倾覆力矩占比变化、刚度退化、倒塌概率和倒塌储备系数,研究框剪比对整体抗震性能的影响。分析表明:相同输入条件下,双重体系的抗震性能优于单重体系;框剪比越大的模型,其墙体损伤越小,刚度退化越缓慢,延性越好。在设防大震下,经过合理设计的单重抗侧体系和不同框剪比的双重抗侧体系均可以到达预定的性能目标要求;但随着地震强度的进一步增加,当峰值加速度超出设防烈度大震较多时,双重体系结构具有更高的抗震冗余度;且框剪比越大的模型抗震冗余度更高。结构倒塌储备系数随着框剪比增大而增大,单重抗侧体系的倒塌储备系数明显低于双重抗侧体系。4.IDA分析表明,随着峰值加速度增大,框架分担的倾覆力矩占比逐渐增大;且框剪比越大的模型框架倾覆力矩占比增长越多。在设防大震下及超设防大震作用下,单重体系模型倾覆力矩基本由核心筒承担,双重体系模型外框分担的倾覆力矩增大较多,发挥了重要的抗倾覆作用,从而延缓整体结构的刚度退化。单重体系模型的平均框剪比曲线和平均框剪比最大值均呈现“一直增大”的状态,双重体系模型呈现“先增大后减小”的状态,框剪比的变化模式反映了单重体系和双重体系的区别。基于底层框架倾覆力矩占比以及框剪比的变化模式,本文的算例模型分析结果表明,弹性分析时最大框剪比大于5%的框架-核心筒模型,其框架刚度可以满足双重抗侧体系抗震二道防线的要求。5.提出了框架-核心筒结构基于动力作用下刚度退化的整体抗震性能评价指标——“刚度退化系数”,其定义为结构各阶平动刚度的加权平均刚度退化率,并通过两个实际工程缩尺模型振动台试验进行验证。利用该指标对5个框架-核心筒模型进行抗震性能评价和比较,结果表明:模型的刚度退化系数随着峰值加速度的增加而增加;在设防大震及超设防大震作用下,单重体系模型的刚度退化系数明显高于双重体系模型,且框剪比越大的模型刚度退化系数越低;证明双重体系的抗震性能优于单重体系,框剪比越大的模型抗震冗余度越高。6.弹塑性动力时程分析表明,大震下框架-核心筒结构发生内力重分布,框架应具备一定的强度(承载力)承接从核心筒转移的地震力。以四个双重体系框架-核心筒模型为例,对现行中美规范的框架剪力调整方法进行了比较分析,并分别基于弹塑性时程分析和基于等效线性化分析提出了两种实用的框架剪力调整方法。


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