钢框架—钢筋混凝土核心筒结构的协同工作性能分析

■徐应全 ■云南 昆明 650000

钢框架-钢筋混凝土核心筒是将钢框架结构与混凝土核心筒的特点进行有效结合而形成的，钢框架结构具有施工速度快、且强度高的特点，而钢筋混凝土核心筒本身具有较强的抗压能力和防火性能，因此这种钢框架-钢筋混凝土核心筒在当前的高层建筑结构中已经有广泛的应用。钢筋混凝土核心筒在刚度方面较强，但是在强度方面却相对较为薄弱，而钢框架则正好相反，所以这两种结构在抗震性能上存在着一定的不协调之处，使得钢框架-钢筋混凝土核心筒结构无法对地震作用力进行合理的分配。为了增强钢框架-钢筋混凝土核心筒的协同能力，对竖向荷载作用引起的变形进行有效的控制，需要采用在框架结构上安装斜撑框架和增加大型斜撑设备等，增强高层建筑的抗震能力。

1 钢框架—钢筋混凝土核心筒结构在强震作用下的性能

本文选取层数为30 层的高层建筑钢框架-钢筋混凝土核心筒结构为研究对象，建筑物高度为120m，层高为4m，结构平面尺寸为24*24m。钢框架结构采用Q345，钢筋混凝土核心筒应用的混凝土强度等级为C40。对该建筑结构的性能评价，可以根究不同结构性能参数的要求，将钢框架-钢筋混凝土核心筒结构分为三类，即生命安全、不倒塌和倒塌。本文的分析是建立在强震作用下，所以对于最大层间位移角小于1/200 的性能指标不予考虑。以最大层间位移角作为本次研究目标的量值，在分析过程中发现不同的地震波对于结构有着不同的影响。因此，在强震作用下，钢框架-钢筋混凝土核心筒结构能够满足建筑物基本的强度要求。对于高层建筑结构来说，仅仅依靠层间位移角来判断结构是否失效，缺乏有效的论据，因此需要结合结构的破坏机制与性能目标进行详细的判断。第一，生命安全标准。当高层建筑结构最大的层间位移角不超过1/200 时，钢结构中的部分钢筋会出现屈服，这时钢筋混凝土核心筒体就会发生开裂，形成很多水平的裂缝，钢筋处在部分屈服的状态;第二，不倒塌标准。当钢框架处在弹性阶段时，较少的钢筋会出现屈服，当连续的钢筋屈服时就会导致筒体发生大面积的开裂，形成更大的裂缝，对结构造成严重的破坏;第三，整体坍塌失效。钢框架失去弹性，钢筋屈服，筒体出现更大裂缝，结构底部被压碎，结构刚度出现严重下降，整体结构失效。

2 钢框架—钢筋混凝土核心筒结构地震作用下的协同工作性能分析

为了对钢框架—钢筋混凝土核心筒结构地震作用下的协同工作性能进行分析，本次采用振型分解反应谱法对四种模型进行详细的分析，设置了A、B、C、D 四个作用力模型，并且对它们在地震作用力下的结构内力和位移进行对比，以此来获得不同结构的钢框架与核心筒之间的协同性能结果。

2.1 模态分析

针对本文设置的A、B、C、D 四个模型的前6 阶振型对应的周期进行了详细的研究。虽然本次建筑结构的平面是方形，但是核心筒剪力结构的布置却并不是完全对称的，所以结构不同的方向上所形成的刚度也是存在一定差异的。根据分析，模型A 的周期远远大于模型B 的周期，这与模型B 在钢框架结构上增加大型斜撑有着一定的关系，因为大型斜撑的应用使得钢框架的刚度增加，从而使其与核心筒的刚度更加匹配，也可以增强钢框架-钢筋混凝土核心筒结构整体的刚度。而通过模型B 和模型D 的比较也可以看出，当钢结构的外部框架强度增加以后，再次设置伸臂桁架时，不会对整体结构的刚度产生较大的影响。

2.2 结构侧移

图1 和图2 分别表示的是不同模型的楼层位移和间层位移角的对比，通过对比图可以看出，模型B 和D 在钢框架结构上设置了大型斜撑，其层间位移明显比其他模型小;而模型C 和D 设置了伸臂桁架，其层间位移角也产生了明显的突变，这与伸臂桁架的设置导致了楼层刚度突变有着密切的关系，同时也增强了整体的抗弯能力。

3 竖向荷载作用下的变形差异

当前，我国国内在钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的竖向变形差异作用研究的尚不够深入。在高层建筑结构的常规研究中，一般是通过计算模型和施加荷载的方式来对整个结构进行计算，针对施工顺序以及其在结建筑结构中形成的结构自重的变化却没有进行详细的计算。结构自重随着施工的开展而逐层增加，从而导致柱、墙体都发生压缩变形。本文利用ETABS 对结构加载的顺序进行模拟，并且对各种结构模型在竖向作用下的变形差异进行计算，竖向变形为钢柱12 个计算点和筒体8 个计算点的平均结果。一次性加载与施工顺序加载产生的竖向荷载变形作用存在着较大的差异，所以这种变形差异结果的真实性无法得到有效保证。在钢框架中设置大型斜撑设备对于减少建筑结构的竖向荷载并没有产生较大的影响，而在钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中设置加强层则可以有效的增强钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的协调工作性能，使得钢框架的竖向变形得到有效的控制，同时也增加了筒体的变形，减少钢框架与钢筋混凝土筒体之间的竖向位移差。这种结合方式既可以提高钢框架的强度，有可以增强结构整体的协调工作性能，可以达到很好的控制竖向变形差异的目的。

4 结论

综上所述，本文主要利用结构模型对钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中的周期位移以及底部剪力等因素进行了分析和计算，根据计算结果可以得到以下的结论:首先，在钢框架设备上加装一个大型的斜撑结构，可以使钢矿A 级的外框和核心筒的刚度达到更加匹配的程度，这样便可以增强钢框架-钢筋混凝土核心筒结构的协同工作能力，促进钢框架-钢筋混凝土核心筒结构整体刚度的增强，而如果在钢框架结构与钢筋混凝土核心筒之间加装伸臂桁架对于结构整体的刚度影响则不大。其次，在钢框架结构上安装大型斜撑比增加伸臂桁架具有对结构位移更好的控制效果，而且增加大型斜撑可以促进钢框架结构的刚度显著提高，使得钢框架结构承担的剪力更容易满足标准的要求。最后，在钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中设置加强层，对于筒体底部的弯矩会产生一定的降低作用，也可以减少结构竖向变形差异，但是对于筒体整体的剪力影响不大，因为及加强层的高度会发生突变而形成一个薄弱层，这时就会由于外力的加载作用和施工顺序的影响而使得其本身产生较大的差异，无法保证加强层真实的结构作用。

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