增强约束钢管混凝土框架-核心筒结构抗震性能

为了充分发挥钢管混凝土框架-核心筒结构的承载和抗震潜力,提升强震下重要工程结构的安全性,对钢管混凝土框架-核心筒结构体系分别采取柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”等增强约束措施,探讨其对位移响应、塑性耗能、震后刚度损伤、二道防线和破坏模式的影响。分析结果显示:

1) 核心筒作为结构第一道防线,当结构塑性发展程度较小时,采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施对结构变形的影响效果更佳;但随着结构进入塑性大变形阶段,采取柱端拉筋增强约束措施对底部加强区的层间变形的改善效果也很显著。

2) 柱端拉筋增强约束措施对外框架二道防线的抗震性能影响显著,内拉筋构造技术提升了钢管混凝土柱的承载能力,保证了超强地震中框架柱不发生严重破坏,使得外框架将承担更大的地震倾覆力矩和剪力,从而协调内筒一起抵抗地震作用,并减缓内筒的损伤和塑性变形发展,有效发挥二道防线的抗震性能,实现整体结构不倒塌。

3) 柱端拉筋增强约束措施改善了“强筒弱框”的破坏模式,内拉筋提升了钢管混凝土柱的耗能能力,有效限制了内筒塑性大变形发展,进一步扩大了核心筒墙肢耗能范围,使得墙肢和框架柱的塑性耗能分布更为合理,塑性发展更加均匀,形成了合理的双重防线破坏模式,因而最终减缓了结构整体刚度退化,提升了结构延性和抗震韧性。 

钢管混凝土框架-核心筒结构是超高层建筑结构中常用的结构体系,当核心筒和外框架结构的高宽比均较大时,为进一步发挥周边框架的抗侧作用,通常在建筑设备间或避难层布置由伸臂桁架和腰桁架构成的结构加强层。

目前,我国已建的各类框架-核心筒混合结构尚未经过真实地震考验,鉴于地震作用的随机性和难以预测性,以及结构非弹性破坏机理的复杂性,建筑结构可能遭遇比相关规范设定的“ 罕遇地震” 更强的地震作用,从而在结构薄弱部位出现材料损伤和构件集中变形,导致结构严重破坏甚至倒塌。

钢管混凝土框架-核心筒结构虽然具有刚度大、承载力高和抗震性能好等优点,但也存在钢管混凝土柱界面滑移与间接约束不足、剪力墙结构抗震性能弱且强筒弱框体系难以协同抗震等问题。为充分挖掘该类结构体系的承载潜力和延性并提高抗震韧性,达到提升强震下重要工程结构安全性的目的,本文主要工作如下:1) 探讨普通钢管混凝土框架-核心筒结构抗强震性能;2) 探讨增强约束措施对钢管混凝土框架-核心筒结构体系抗强震性能的影响规律。 

1.1　概 况

图 1 所示的某工程抗震设防烈度为 8 度,设计基本地震加速度为 0.2  g ,场地类别介于Ⅱ类和 III 类之间,设计地震分组为第一组,特征周期为 0.38 s。结构抗侧力体系由三部分组成:核心筒体、外框架和伸臂桁架及腰桁架。结构总高度 263.45 m, 为高度超限结构,地上共 59 层(局部 61 层),地下 4层,在建筑允许的条件下,沿高度在 12 层、28 层和44 层间设有腰桁架和 4 道伸臂桁架,由于结构平面长边中部建筑有凹进部位,在此处结构梁有错位,故腰桁架采用两道U型环桁架的布置方案。

a—核心筒; b—外框架; c—整体结构; d—标准层平面。

图1　结构抗侧力体系和标准层平面布置示意

标准层高 4.18 m,标准柱距 6 m(局部为 9 m),核心筒平面尺寸 16.5 m × 42.5 m,高宽比约 16,由下向上,核心筒外纵墙厚度由 1400 mm 逐步减小到600 mm,外横墙厚度由 1200 mm 逐步减小到  600 mm,腹墙厚度由 750 mm 减小到 600 mm,混凝土强度等级 C80 ~ C60。钢管混凝土柱直径为 1300 ~ 1200 mm(壁厚 15 ~ 25 mm),标准层外框架钢梁截面为 H1000 × 500 × 35 × 50,楼面钢梁与核心筒及外框架柱均采用铰接方式,钢材厚度超过 35 mm 时采用 Q345GJ 钢。

1.2　抗震性能目标

核心筒抗震等级为特一级,周边组合框架抗震等级为一级,结构和构件的抗震性能要求见表 1。基于弹性分析方法,多遇水平地震作用下的结构和构件满足 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016 版)各项指标,且钢管混凝土柱承担的地震剪力满足框架-核心筒结构的剪力调整要求。在设防烈度水平地震作用下,结构底部加强区主要由墙肢截面承载,其承载力按设防烈度地震弹性复核,并满足罕遇地震下的斜截面抗剪要求。此外,腰桁架和伸臂桁架的内力计算中考虑加强层位置弹性膜楼盖,按设防烈度地震不屈服设计。

表1　抗震性能目标

1.3　结构体系受力分析

楼层外围框架梁截面相较于框架柱小很多,因而框架梁对框架柱约束作用较弱,框架柱变形趋向于弯曲型。另外,楼层钢梁与框架柱和核心筒之间的连接均为铰接,无法协调核心筒与框架柱的变形,因而二者独立发生弯曲型变形,导致结构整体变形过大。超高层建筑结构中,腰桁架和伸臂桁架的设置加强了竖向构件之间的水平连接,其主要工作原理为:

1) 腰桁架和框架柱的截面量级相当,线刚度相近,对框架柱约束增强,从而提高框架抗侧刚度,改善框架柱内力分布,减小柱端弯矩而增大柱轴力,提升结构效率;伸臂桁架加强了核心筒与外围框架柱的连接,协调核心筒与框架柱的变形,使框架柱轴力更大;

2) 伸臂桁架及腰桁架与该层上、下楼板组成刚度很大的箱型盘,将核心筒与外框架连成整体,结构整体转动量基本由外框架柱的轴向变形控制,使得结构转动大幅减小,显著减弱了剪力滞后效应,有效发挥了框架柱轴向刚度大的优点,从而分担更多由水平荷载所产生的倾覆力矩,进一步提升了结构抗侧刚度;

3) 加强层的设置导致结构沿竖向刚度突变,伸臂桁架使外框架柱与核心筒间水平力直接传递,引发此区间核心筒墙肢和周边框架柱的剪力和弯矩均急剧增大,而其他楼层的剪力和弯矩则明显减小,在加强层上下位置形成相对薄弱层。

1.4　钢管混凝土柱增强约束措施

由于腰桁架增大了对外框架柱的约束作用,改变了外框架梁弱而柱强的受力模式,此外伸臂桁架增强了外框架与核心筒的协同工作,在地震作用下,结构侧移将使外框架柱承担更大的轴力,由于楼面钢梁与核心筒铰接,外框架将以柱耗能为主,因此钢管混凝土框架柱更容易发生破坏。

丁发兴等通过高轴压比端部拉筋钢管混凝土柱滞回性能试验研究指出框架柱端部先后出现“压铰”与“拉铰”两种模式,且“压铰”相对稳定而“拉铰”易引发框架整层压垮。因此,在底部加强区和薄弱层等塑性发展较大的部位可采取柱端拉筋增强约束措施,拉筋构造形式如图 2 所示。其工作原理为:降低钢管与混凝土之间界面滑移、直接约束混凝土并促进钢管抗弯,以及拉筋约束混凝土提高应力水平和延性,进而提高柱端抗弯刚度、承载力与耗能能力。

a—圆环箍筋;b—矩形对拉筋。

1—钢管;2—混凝土;3—圆环拉筋、螺旋拉筋;4—矩形封闭对拉筋。

图2　柱端拉筋增强约束钢管混凝土柱截面示意

1.5　连梁与墙肢增强约束措施

为提高连梁和墙肢截面的承载能力和耗能能力,在塑性变形较大部位的连梁和墙肢处采取如图 3 所示的“强连梁、强墙肢”增强约束措施,其中连梁增设型钢或钢板等约束措施,由钢材提升抗剪承载力和耗能能力,而墙肢采取可直接约束墙肢混凝土的暗柱和暗梁等约束措施,由约束混凝土提升抗弯承载力和耗能能力。

a—内置钢骨;b—增设暗柱;c—增设暗梁。

图3　耗能部位的连梁和墙肢加强构造示意

2.1　计算模型及工况

2.1.1　材料本构

混凝土一维本构采用 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的单轴本构模型,用于非线性框架和桁架单元。混凝土二维本构依据 Lubliner,Lee 和Fenves 提出的混凝土塑性-损伤模型确定,该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质,用于非线性壳元和实体元,其应力-应变曲线如图 4 所示。

注: E ₀ 为初始切线模量; w _c 为受压刚度恢复系数; w _t 为受拉刚度恢复系数; d _c 为受压卸载的损伤因子; d _t 为受拉卸载的损伤因子。

图4　混凝土单轴应力-应变关系

钢筋混凝土采用钱稼茹等提出的约束混凝土本构模型,用于考虑混凝土框架和剪力墙边缘构件的约束增强效应。

对于内拉筋钢管混凝土柱,不考虑钢管而仅考虑拉筋直接约束混凝土的约束效应。为便于分析,核心区约束混凝土本构模型仍采用韩林海建议的圆钢管约束混凝土本构模型,但此时的约束作用不认为是钢管约束所致,而是拉筋约束所致,此时认为拉筋约束效果等同于圆钢管。

对于没有内拉筋的钢管混凝土柱,不考虑约束作用,采用 GB 50010—2010 的单轴本构模型。

钢材和钢筋均采用双折线随动强化模型,屈服后的弹性模量取初始弹性模量的 0.01,卸载刚度和再加载刚度均为初始弹性刚度。

2.1.2　计算工况和地震动信息

弹塑性分析采用非线性结构分析软件 YJKPaco,时程分析采用与反应谱拟合良好的单条人工波,地震动按照 1∶0.85 双向水平输入。结合弹塑性分析需求,按照 0.2 g 、0.4 g 、0.6 g 和 0.8 g 进行有效加速度峰值调幅,地震动信息如图 5 所示。

a— X 向; b— Y 向。

图5　地震动曲线

2.1.3　对比分析模型

4 种分析模型的增强约束措施列于表 2,4 种模型外部条件基本一致,其中 M1 为不采取任何增强约束措施的普通钢管混凝土框架-筒体结构模型;M2 在 M1 基础上,仅对耗能部位的钢管混凝土柱采取柱端拉筋增强约束措施;M3 在 M2 柱端拉筋增强约束措施的基础上,采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施;M4 在 M1 基础上,仅采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施。

表2　4 种分析模型

2.2　模态分析

采用瑞利阻尼,结构初始阻尼比取值为 0.05,各模型振型和自振频率计算结果见表 3。可见:前2阶为平动振型,第 3 阶为扭转振型,柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”两种增强约束措施对结构振型影响均较小。

表3　加强措施对结构自振频率的影响

2.3　层间变形比较

各计算模型结构的层间位移反应沿高度分布相似,呈现上部大、下部小的特点, X 向层间位移角明显大于 Y 向,且 X 向层间变形在加强层处急剧减小,而邻近楼层则显著增大,但加强层对 Y 向层间变形影响稍弱,依据层间位移角可直观判断结构薄弱层位置。此外,屋顶层位移反应较大,鞭梢效应较明显。 

与普通钢管混凝土框架-筒体结构相比,采取增强约束措施的结构层间位移角减小百分比(负值代表位移增加)如图 6 所示。可见:

1) 在设防烈度地震作用下,结构基本处于弹性状态,柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”两种增强约束措施对结构抗侧能力均无显著提升;

2) 在罕遇地震作用下,结构逐渐进入弹塑性状态,各计算模型层间位移角均满足 1/100 要求,且弹塑性层间位移较大的楼层均位于加强层附近,采取增强约束措施可有效改善结构刚度和内力分布,显著降低底部加强区层间变形; 

3) 在罕遇地震作用下,柱端拉筋增强约束措施可使结构层间位移角降幅达35%,而“强连梁、强墙肢”增强约束措施以及两种增强约束措施共同作用时结构层间位移角降幅可达 55%;

4) 在极罕遇地震作用下,由于核心筒为结构第一道防线,与柱端拉筋增强约束措施相比,“强连梁、强墙肢”增强约束措施下的核心筒对结构变形影响更显著。

a—设防烈度地震;b—罕遇地震;c—极罕遇地震。

图6　层间位移角对比

2.4　罕遇地震作用下结构性能

在预期罕遇地震作用下结构构件损伤云图见图 7。可见:1) 最早产生塑性耗能和塑性开展的构件均位于核心筒内,外框架与核心筒损伤集中区域所在的楼层大体一致;2) 除无增强约束措施的计算模型外,其余计算模型框架部分仅有较轻的塑性发展,而外框架梁基本处于弹性范围内;3) 加强层上下位置的墙肢和框架柱损伤明显突增;4) 受鞭梢效应影响,顶部楼层中突出屋面的构件以及与之相连的外框架构件损伤显著突变。其中:

1) 对于无增强约束措施的计算模型,核心筒墙肢塑性发展集中在底部加强区的墙肢变截面处,大部分墙肢已处于重度破坏,且此位置超过半数的框架柱处于严重破坏,不满足抗震性能目标要求;底部加强层附近的墙肢为轻微破坏、个别柱中度破坏,其上 2 处加强层的墙肢处于中度破坏,而腰桁架和伸臂桁架均无损坏。

2) 对于采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施的计算模型,上述相同位置的墙肢和框架柱损伤程度均有所降低,其中底部加强区墙肢损伤状况改善较为明显,基本处于轻度破坏,但此处近半数的框架柱仍处于严重破坏,依然不满足抗震性能目标要求,此时连梁耗能显著增加且个别支撑构件进入弹塑性状态。

3) 对于采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型,底部加强区框架柱损伤集中程度大幅降低,塑性发展沿高度分布较均匀,且多数处于轻度破坏,底部变截面处个别墙肢局部塑性发展较大而处于重度破坏状态,绝大部分处于轻度破坏状态,腰桁架和伸臂桁架均无损坏。

4) 对于采取柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”两种增强约束措施的计算模型,在上述两种加强措施改善结构性能的基础上,底部加强区的墙肢和框架柱损伤程度均进一步降低,塑性耗能分布更为合理,墙肢和框架柱的塑性发展更加均匀,塑性区域进一步扩大,满足抗震性能目标要求。

a—核心筒;b—框架柱。

图7　预估罕遇地震作用下构件损伤云图

2.5　超强地震作用下结构破坏评估

为深入研究相同高度级别的框架-核心筒结构的抗震性能,此处仍采取柱端拉筋或“强连梁、强墙肢”增强约束措施,探讨超强地震下该结构的抗震性能和破坏机制,同样选择上述人工地震波,进行不同有效峰值加速度下结构弹塑性性能计算与分析。

2.5.1　层间位移响应

随着地震强度的增大,采取增强约束措施对结构底部变形的影响更加明显,层间变形沿高度分布虽大体相似(即仍以“强连梁、强墙肢”增强约束措施对变形的影响效果更佳),但柱端拉筋增强约束措施对变形的改善效果也很显著,尤其是在塑性发展较大的底部加强区的墙肢变截面等薄弱部位,二者间的效果基本一致,如图 6c 所示。

2.5.2　震后刚度损伤

结构整体刚度的退化可以反映其损伤程度,用于表征结构的延性。刚度损伤定义为当前地震波作用后结构损失刚度与初始刚度的比值。不同强度水平地震波作用下结构刚度损伤随峰值加速度与塑性耗能,以及塑性耗能随峰值加速度的影响规律如图 8、9 所示,可见:

1) 当结构刚度损伤较小时,采取增强约束措施对结构刚度影响不显著,其中“强连梁、强墙肢”增强约束措施增大了结构初始刚度,前期延缓了核心筒的连梁塑性发展,刚度退化略低,而后期刚度损伤增速大于采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型,主要是钢管混凝土柱的损伤较大,减弱了外框架与核心筒协同作用的发挥,降低了框架柱的抗倾覆能力;

2) 随地震强度的加大,无增强约束措施的计算模型的塑性区发展迅速,结构刚度退化快,塑性耗能增速较大,结构延性较差;而增强约束措施对结构耗能机制调节作用愈加显著,其中拉筋增强钢管混凝土柱影响更显著,震后刚度损伤明显降低,塑性耗能增速更为放缓,且超强震下相同刚度损伤时塑性耗能较大。

因此,对于采取增强约束措施的计算模型,尤其是柱端拉筋增强约束措施,可延缓结构整体刚度的退化而增强塑性发展过程,从而提升了结构延性和抗震韧性。

a—随峰值加速度变化;b—随塑性耗能变化。

图8　结构刚度损伤规律

图9　结构塑性耗能变化规律

2.5.3　二道防线分析

图 10 ~ 12 显示了考察增强约束措施引起的外框架和核心筒的内力变化,从而可评估外框架二道防线的抗震性能。可知:

1) 在预期罕遇地震作用下,采取增强约束措施对外框架分担的剪力和弯矩比例影响规律如图 10a,图 11a 所示。表明,增强措施对框架部分分配的地震剪力和弯矩影响不显著,但有效地增大了外框架顶、底楼层处柱轴力,如图 12a 所示,其中柱端拉筋增强约束措施尤为明显。

2) 随着地震强度的加大,构件塑性耗能和结构进入塑性开展程度愈来愈大,濒临倒塌状况时,各层框架承担的地震剪力差集中在底部加强区,如图 10b 所示,其中无增强约束措施的计算模型与采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施的计算模型的结构楼层剪力分担比例均较低,而采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型首层已接近基底剪力的 40%。同时各层框架的楼层弯矩占比差异相对显著,如图 11b 所示,除顶部楼层外,采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型进一步提高了外框架的弯矩分担比例。

3) 相比于无增强约束措施的计算模型,随着地震强度的加大,采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型导致首层柱轴力增加愈显著,如图 12b 所示,当有效峰值加速度为 0.6  g 时,结构首层柱轴力增幅约 30%。

a—罕遇地震状况;b—濒临倒塌状况。

图10　外框架楼层剪力分担比例变化规律

a—罕遇地震状况;b—濒临倒塌状况。

图11　外框架楼层弯矩分担比例变化规律

a—各楼层柱罕遇地震状况;b—首层柱状况。

图12　外框架柱轴力变化规律

上述分析表明:由于钢管混凝土柱过早地进入塑性耗能,限制了其承载能力的发挥,不利于二道防线抗震性能的发挥;而当对塑性发展集中区域的钢管混凝土柱采取柱端拉筋增强约束措施后,保证了超强地震中钢管混凝土柱不发生严重破坏,外框架将承担更大的地震倾覆力矩和剪力,显著提升了筒框协同工作效率,充分发挥了钢管混凝土柱的承载能力,有效发挥了二道防线的抗震性能,因而提高了结构抗震性能。

2.5.4　关键抗侧构件的破坏模式

极限强度水平地震波作用下结构构件损伤云图见图 13,此时主要抗侧构件或承重构件已失效,导致结构整体濒临倒塌或局部坍塌。分析结果显示:

1) 对于无增强约束措施的计算模型,钢管混凝土柱塑性发展区域较集中,外框架梁参与耗能水平较低,底部墙肢变截面处部分墙肢和大多数框柱混凝土压溃,整体结构濒临倒塌而呈现“强筒弱框”的破坏模式,此时峰值加速度为 0.6 g 。

2) 对于采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施的计算模型,虽延缓了墙肢塑性发展,减小了框架柱的地震剪力,减缓了框架柱的塑性发展,也即间接增大了框架柱的轴力,但未改变“强筒弱框”的破坏模式,外框架仍以柱耗能为主,底部墙肢变截面处的框架柱塑性发展仍较集中,因而限制了框架柱抗震性能的发挥,当峰值加速度达到 0.8 g 时,整体结构濒临倒塌。

3) 对于采取柱端拉筋增强约束措施的计算模型,此时拉筋直接约束混凝土因而提高了框架柱的承载力,激发了柱内混凝土的耗能潜力,从而延缓了柱端塑性铰的形成,提升了外框架与核心筒协同作用,外框架承担了更多的地震倾覆力矩并耗散了更多地震能量,有效限制了内筒的塑性大变形发展,进一步扩大了核心筒墙肢的耗能范围,形成了合理的双重防线破坏模式,峰值加速度可提升至 0.8 g ,此时,除个别角部框柱破坏严重外,仍能保证整体结构不发生倒塌。

4) 对于采取柱端拉筋和“强连梁、强墙肢”两种增强约束措施的计算模型,峰值加速度可提升至1.0  g ,此时,底层角部框架柱破坏严重将引发局部坍塌,但整体结构不发生倒塌。

上述分析表明,结构塑性损伤集中的分布区域为底部加强区及其上部 2 道加强层处,其中“强连梁、强墙肢”增强约束措施直接增大了加强层刚度,但因对加强层位置的墙肢损伤效果改善不显著,将导致此范围墙肢的损伤分布更集中,塑性发展过大,导致变形难以控制,因而引发结构倒塌的部位均为底部区域。可见“强连梁、强墙肢”增强约束措施未改变“强筒弱框”的破坏模式,限制了钢管混凝土柱承载能力的发挥,然而柱端拉筋增强约束措施使得墙肢和框架柱的塑性发展更加均匀,形成了合理的双重防线破坏模式,提升了结构延性和抗震韧性。

对超高层钢管混凝土框架-核心筒结构采取不同增强约束措施,探究其对位移响应、塑性耗能、震后刚度损伤、二道防线和破坏模式的影响,主要结论如下:

1) 核心筒作为结构第一道防线,当结构塑性发展程度较小时,对其采取“强连梁、强墙肢”增强约束措施对结构变形的改善效果更直接;但随着结构进入塑性大变形阶段,采取柱端拉筋增强约束措施对底部加强区的层间变形改善效果也很显著。

2) 柱端拉筋增强约束措施对外框架二道防线的抗震性能影响显著,内拉筋构造技术提升了钢管混凝土柱的承载能力,保证了超强地震中框架柱不发生严重破坏,使得外框架将承担更大的地震倾覆力矩和剪力,从而协调内筒一起抵抗地震作用,并减缓内筒的损伤和塑性变形发展,有效发挥二道防线的抗震性能,实现了整体结构不倒塌。

3) 柱端拉筋增强约束措施改善了“强筒弱框”的破坏模式,内拉筋提升了钢管混凝土柱的耗能能力,有效限制内筒塑性大变形发展,进一步扩大核心筒墙肢耗能范围,使得墙肢和框架柱的塑性耗能分布更为合理,塑性发展更加均匀,形成合理的双重防线破坏模式,因而最终减缓了结构整体刚度退化,提升了结构延性和抗震韧性。

鉴于地震作用的随机性、难以预测性和结构非弹性破坏机理的复杂性,结合结构抗震性能化设计目标,对位于高烈度区和地震重点监视防御区的重要性建筑,根据结构塑性损伤分布情况,同时采取柱端拉筋与“强连梁、强墙肢”等增强约束措施,以充分提升钢管混凝土框架-核心筒结构的承载和抗震潜力,保证强震下工程结构的安全。除此区域外的建筑,对底部加强区和薄弱层等塑性发展较大的部位可采取柱端拉筋增强约束措施,以降低钢管与混凝土之间界面滑移、直接约束混凝土并促进钢管抗弯,进而提高柱端抗弯刚度、承载力与耗能能力,以期获得更高的抗震性能和安全储备。