基于构件性能的RC框架-核心筒结构抗震性能研究

季 静， 罗 煜， 韩小雷

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640)

基于构件性能的RC框架-核心筒结构抗震性能研究

季 静1,2， 罗 煜1， 韩小雷1,2

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640)

钢筋混凝土框架-核心筒结构是目前我国超高层建筑中广泛采用的一种结构体系。以18个满足我国现行规范的典型钢筋混凝土框架-核心筒结构为例，利用Perform-3D软件对模型进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，并采用基于构件性能的结构抗震评估方法判断结构安全性。结果表明,对于不同设防烈度的地震，7度设防的结构安全度最高，7.5度与8度设防次之。将该评估结果与基于层间位移角的评估结果进行对比分析，进一步论证了基于层间位移角的评估方法尚存在不足之处。

框架-核心筒结构；构件性能；层间位移角

我国现行规范采用“三水准，两阶段”的抗震设计方法实现抗震设防要求。然而由于超高层建筑的结构高度在不同程度上超过现行规范的适用范围，导致结构工程师在运用传统设计方法对其进行抗震设计时，缺少明确的设计依据，并且难以准确把握结构在大震作用下的损伤情况和整体性能。因此，寻求一种更为合适的设计方法势在必行。随着性能化抗震理论的发展，基于构件性能的抗震设计方法越来越得到人们的关注和认可。同时，如何将该方法正确地运用在超高层建筑的结构设计中已经成为了工程界与学术界的热点问题。

本文提出基于构件性能的结构安全性判别标准与评估方法，并采用该方法评估了18个满足我国规范且具有代表性的钢筋混凝土框架-核心筒结构，通过评估结构构件的性能状态，直观地掌握结构在大震作用下的损伤程度并判别结构的整体安全性，以此检验按现行规范设计的结构能否满足抗震设防目标，为工程实践提供理论依据和参考建议。

1 基于构件性能的安全性判别标准与评估方法1.1 基于构件变形的性能指标

基于构件性能的结构抗震评估方法取决于合理的构件性能指标与可靠的结构大震弹塑性分析结果。我国学者一直致力于构件变形指标的研究工作，并取得了一系列研究成果[1-6]：根据钢筋混凝土构件的破坏机理和变形能力，将构件的破坏类型划分为“弯曲破坏”、“弯剪破坏”和“剪切破坏”，并明确了划分标准；将各类钢筋混凝土构件的性能状态划分为“完好”、“轻微损坏”、“轻中等破坏”、“中等破坏”、“不严重破坏”和“严重破坏”六个性能状态。戚永乐通过分析统计试验数据与有限元计算结果，得出钢筋混凝土梁、柱、剪力墙在不同破坏形态下各个性能水准的构件塑性转角限值，其中：梁构件的变形限值与剪跨比(λ=M/Vh0)、弯剪比(m=Mu/VuH)以及名义剪应力水平(ν=Mu/Hbh0)相关；柱构件的变形指标与轴压比、剪跨比以及弯剪比有关；而剪力墙构件的性能指标与轴压比、弯剪比、剪跨比以及约束区竖向钢筋配筋率相关。构件破坏判别标准如下：对于受力状态为弯曲或弯剪的构件，当构件的塑性转角超过了“不严重破坏”状态的变形限值时，表明构件已经进入“严重破坏”状态，此时构件的承载能力下降超过15%，已不适合继续承载，即判定构件失效。为了方便使用，本文采用“性能1”～“性能6”来表示构件的各个性能状态，如图 1所示。

图1 构件性能划分示意图Fig.1 Component performance levels and deformation limits

对于受力状态为剪切的构件，采用承载力控制原则，即采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[7]中公式(3.11.3-4)和公式(3.11.3-5)来验算构件是否满足最小抗剪截面，以此判别构件的安全性。当构件满足最小抗剪截面要求时，表示构件未发生剪切破坏。

1.2 基于构件性能的结构安全性判别标准

由于地震波具有很大的随机性，并且弹塑性分析结果与输入的地震波时程密切相关，导致不同地震工况下的分析结果存在差异。当选取的地震波数量足够多且合理可靠时，结构在大震作用下的计算结果就具有一定的代表性。本文基于概率统计的原理，采用结构安全保证率来评估结构大震作用下的安全性，具体定义如式(1)[8]

(1)

式中：P为多条地震波作用下的结构安全保证率；n为满足结构安全的地震波数量；N为时程分析的地震波总数量；[P]为结构安全保证率限值。结构安全保证率限值一般由业主根据自身需求确定。本文结合我国实际情况，将安全保证率统一取值为95%。如果存在两条来自同一地震事件但属于不同测站记录的地震波导致结构发生破坏，仍然可以认为不能满足安全性要求的地震波只有一条。

结合上述构件性能评估方法与结构安全性判别标准，本文制定了一套基于构件性能的结构大震作用下的安全性评估流程，如图2所示。

图2 结构大震作用下的安全性评估流程图Fig.2 Flow chart of safety assessmenton structures under severe earthquake

2 分析模型的建立

2.1 模型概况

本文依据我国现行规范与规程，设计了一系列具有代表性的框架-核心筒结构。结构标准层平面布置图如图3所示。

图3 结构标准层平面布置图Fig.3 Plan layout of structure

18个模型主要从不同的结构高度、抗震设防烈度、场地类别进行考虑。其中，楼层高度分为150 m和200 m，抗震设防烈度分为7度(0.1 g)、7.5度(0.15 g)、8度(0.2 g)，场地类别分为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类。设计地震动分组均为第一组。 结构首层层高5 m，其余层层高4 m。

模型设计主要遵循下列原则：①为了使结构轴压比与层间位移角贴近规范限值，不同模型的结构布置根据弹性计算结果进行相应调整；②模型不考虑次梁，将其自重和梁上荷载等效为楼面均布荷载,标准层楼面附加恒载统一取值4.5 kN/m2；核心筒外部区域楼面活载取2.0 kN/m2；核心筒内部区域楼面活载取3.5 kN/m2；边梁上线荷载取值15.0 kN/m；③沿楼层高度变换混凝土等级、构件截面等信息，力求与工程实际相符；④为了使地震起控制作用，风荷载统一取值0.35 kN/m2;⑤所有模型的弹性计算结果满足现行规范要

表1 结构弹性计算结果

求，模型的部分分析结果如表 1所示。(为了方便研究，本文采用“设防烈度-场地特征周期-结构高度”形式对模型进行编号。例如：“7d0.35s150”表示设防烈度为7度，场地特征周期为0.35 s，结构高度为150 m，其余模型以此类推。)

2.2 地震波的选取

针对每个模型选取20条地震波进行弹塑性时程分析，并采用14条天然波和6条人工波的组合方式。其中，实际地震动数据均来自美国太平洋地震工程研究中心PEER的地震波数据库，人工波数据由SIMQKE_GR软件生成。为了减小弹塑性时程分析结果对于地震事件的依赖性，规定来自同一事件的天然波数量不超过2条。所选地震波的频谱特性、有效峰值以及持续时间均满足现行规范[9]的要求。7d0.35s150模型的天然地震波信息见表2，20条地震波的反应谱与规范反应谱的对比情况如图4。

表2 7d0.35s150模型天然地震波信息表

图4 7d0.35s150模型20条地震波反应谱与规范谱对比Fig.4 Response spectrum curves of code and earthquake waves of model 7d0.35s150

2.3 弹塑性模型的建立

选用三维非线性分析程序Perform-3D对结构进行大震分析，同时利用林哲开发的PPP软件(Perform-3D Pre/Post Program)对计算结果进行后处理。PPP是一款基于AutoCAD平台的Perform-3D辅助软件，其主要功能包括：①提取Perform-3D分析结果，主要包括层间位移角、楼层剪力、倾覆弯矩等;②根据计算结果绘制图像(如层间位移角曲线)，直观地反映结构弹塑性分析结果;③根据构件的截面信息、配筋信息、内力与变形，结合构件性能的变形指标，对不同工况下各个构件进行性能评估。本文对18个框架-核心筒结构进行弹塑性时程分析，Perform-3D中的梁柱单元采用基于纤维单元的塑性区模型，核心筒则采用分层的剪力墙纤维单元模型进行模拟[10]。

在确定混凝土的本构模型时，分别考虑了约束混凝土和非约束混凝土的不同受力特性。约束混凝土的本构模型采用基于我国试验数据的CEB FIB MC90模型[11]，而非约束混凝土则采用《混凝土结构设计规范》[12]附录C中的混凝土本构模型，经过拟合后的多折线如图 5(a)所示。计算模型统一采用HRB400钢筋，钢筋本构采用三线性且不考虑强度损失的骨架曲线，如图 5(b)所示。

图5 Perform-3D材料本构示意图Fig.5 Constitutive curve of materials of Perform-3D

3 基于构件性能的结构安全性评估结果

3.1 核心筒性能评估结果

通过对剪力墙的性能水准统计后发现：结构底层以上的剪力墙性能基本保持在“完好”状态，而首层的剪力墙出现了多个性能水准，原因是结构刚度沿楼层均匀变化且不存在刚度突变，所以首层作为结构的嵌固端，竖向构件在地震作用下会首先出现损坏。本文对所有模型在全部地震工况下的底层剪力墙性能状态进行汇总，如表3所示。

表3 所有模型首层剪力墙进入各性能状态的比例

对底层核心筒达到“严重破坏”状态的地震波数量进行统计，如表4所示。并将各个工况下底层剪力墙达到“性能6”所占比例与该工况下的底层层间位移角进行对比分析，如图6所示。

表4 核心筒达到“严重破坏”状态的地震波数量汇总表

图6 底层剪力墙性能水准与层间位移角关系图Fig.6 Relationship between story drift and performance state of shear wall in first story

由图6可知，底层层间位移角与达到“性能6”剪力墙的比例呈正相关性，即底层层间位移角越大，底层剪力墙破坏程度越严重。当层间位移角在1/300～1/200时，达到“性能6”剪力墙所占比例在10%～20%；当层间位移角达到1/140时，已经有超95%的剪力墙进入“性能6”。

3.2 框架柱性能评估结果

通过对框架柱的性能水准统计后发现：①对于核心筒未达到“严重破坏”状态的模型，其底层框架柱全部为处于“完好”状态,主要原因是在强震作用下核心筒依然保持了较好的工作性能，故作为第二道防线的框架柱的性能状态均处在“完好”状态;②对于核心筒达到“严重破坏”状态的地震工况，底层框架柱性能水准存在一定差异，但均处于“性能1”～“性能3”范围内，所有底层框架柱均未达到“严重破坏”状态，受损程度较轻。值得注意的是，破坏状态判定为剪切的框架柱数量有所增多，并且与底层层间位移角呈正相关性，如图7所示。但所受剪力满足最小抗剪截面要求，构件仍处在安全范围内。

图7 底层框架性能水准与底层层间位移角关系图Fig.1 Relationship between story drift and performance state of column in first story

3.3 结构安全评估结果

根据上述结构安全性评别标准与评估流程，18个框架-核心筒结构模型的性能评估结果如表 5所示。

表5 结构安全性评估结果

Tab.5 The results of structural safety assessment

设防烈度7度7．5度8度结构高150mII类场地安全(100%)安全(95%)不安全(90%)III类场地安全(100%)安全(95%)不安全(90%)IV类场地安全(100%)不安全(90%)安全(95%)结构高200mII类场地安全(100%)安全(100%)安全(100%)III类场地安全(100%)安全(100%)安全(95%)IV类场地安全(100%)安全(100%)安全(100%)注：括号内数值为结构安全保证率

从评价结果可以得出，15个模型为安全，3个模型为不安全。其中： ①从结构高度方面，所有高度为200 m的模型均为安全，9个高度为150 m模型中有3个模型被判定为不安全；②从设防烈度方面，当模型为7度设防时，均处在安全范围内且安全保证率为100%，当设防烈度为7.5度和8度时存在不安全的模型；③从场地类别方面，不同场地类别对结果影响较小，三种场地都出现了不安全的模型；④从安全保证率方面，各个模型均具有较高的保证率,即便是被判定为不安全的模型，保证率也达到90%。

3.4 基于构件性能的结构层间位移角分析

我国现行规范采用限制薄弱层(部位)层间弹塑性位移来控制结构在大震下的整体宏观变形，并且给出了确定薄弱层所在位置的判别标准。根据该标准，本文可以确定各模型的首层为结构薄弱层。然而由计算结果可知，当底层层间位移角未达到规范限值(1/100)时，底层核心筒已经发生严重的破坏。若依照规范限值进行结构安全性评估，则结构仍可认为处于安全状态。基于底层层间位移角的评价方法虽然操作简单高效，但由于层间位移角限值过于宽松，将会导致评价结果偏于不安全。

在实际工程中，工程师通常将最大层间位移角作为评价结构安全性的变形指标。对于以剪切型变形为主的框架结构，采用基于最大层间位移角的评价方法是可行的，但对于以弯曲型变形为主的剪力墙结构和以弯剪型变形为主的框筒结构，最大层间位移角并不能真实地反映构件实际的受力状况和破坏情况。

为了说明基于最大层间位移角的评估方法存在不足，本文将18个计算模型中所有最大层间位移角贴近或稍微超出规范限值(1/100)的地震波工况进行汇总，结构楼层层间位移角曲线如图8所示。

图8 结构层间位移角曲线Fig.8 Curves of structure story drift

为了考察结构的层间位移角与构件性能之间的关系，现将图8中各个地震工况下的首层剪力墙性能评估结果进行汇总，并与该地震工况下的底层层间位移角和最大层间位移角分别进行对比分析，如图 9所示。

注：图中“Ⅰ”代表“性能1”，以此类推图9 底层剪力墙性能状态与层间位移角对比图Fig.9 Comparison between story drift and performance states of shear wall in first story

由图9可知,对于弯曲型或弯剪型变形为主的框架-核心筒结构，最大层间位移角并不能直接地反映结构的受力与破坏情况，所有模型的最大层间位移角都在规范限值附近，若依照基于最大层间位移角的评估方法可以认为结构已经接近安全临界状态。但通过对竖向构件的性能评估后发现结构的性能状态相去甚远。大多数地震工况下，结构破坏程度仍较为轻微。故采用最大层间位移角作为判别结构安全性的控制指标，可能导致评价结果过于保守。

4 结 论

(1)对18个满足我国现行规范的典型钢筋混凝土框架-核心筒结构采用基于构件性能的结构安全性评估方法判别其安全性，结果表明,全部模型的安全保证率均在90%～100%。其中，7度设防模型的安全保证率均为100%，说明依照7度设防标准设计的结构在大震作用下安全性较好，7.5度设防和8度设防的个别模型未能达到安全标准，未发现结构安全保证率与场地类别和结构高度存在明显规律。

(2)现行规范对于薄弱层的变形控制偏于宽松，剪力墙的性能评估结果表明，当底层层间位移角达到1/300～1/200时，底层剪力墙开始出现“严重破坏”状态；当底层层间位移角达到1/140时，95%的底层剪力墙已经进入“严重破坏”状态。若将薄弱层的层间位移角作为评价指标，可能导致结构安全性评估结果偏于不安全。

(3)对于弯剪型变形为主的框架-核心筒结构体系，最大层间位移角无法准确地反映构件的损伤程度与结构的整体性能，依据最大层间位移角判别结构抗震性能的评估方法不合理，且评估结果偏于保守。

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[12] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2010.

A seismic performance study of RC frame-core wall structures based on performance of components

JIJing1,2,LUOYu1,HANXiaolei1,2

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China； 2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

As a major structural system, the reinforced concrete frame-core wall structure is widely used in Chinese super high-rise buildings currently. Eighteen representative reinforced concrete frame-core wall structures meeting Chinese current codes were designed in this study. The Perform-3D program was used to make elastic-plastic time-history analyses for these structures under severe earthquakes and the structural safety was estimated with the structural seismic assessment method based on the performance of components. The result shows that for different levels of fortification intensity, the structural safety level corresponded to fortification intensity of 7 degrees is higher than that corresponded to fortification intensities of 7.5 degrees and 8 degrees. In this paper, a contrastive analysis between aforementioned assessment results and the assessment results with the method of story drift was also made to further demonstrate the deficiency of the assessment method based on story drift which may not be able to evaluate structural seismic performance sufficiently or accurately.

frame-core wall structure; performance of component; story drift

国家自然科学基金项目(51378221);亚热带建筑科学国家重点实验室基金项目(2014ZC16)

2015-07-22 修改稿收到日期：2016-01-21

季静 女，硕士，教授，1963年4月生

TU973.16

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.025