浅谈钢筋—砼核心筒发展前景

孙健

【摘 要】本文介绍了钢筋混凝土核心筒的研究现状、研究成果、取得的成就，以及存在的不足，还有个人的一些看法。

【关键词】钢筋混凝土核心筒； 滞变模型； 非线性； 地震反应分析

一、钢筋-混凝土核心筒研究现状

最近几十年来，随着国民经济的发展和综合实力的增强，土木工程得到了前所未有的发展。由于建筑物高度的增加，单抗侧力体系不能满足抗侧刚度的要求，而其中的钢框架与砼核心筒相结合的双重抗侧力体系是一种比较理想的抗侧力体系，它具有钢框架和核心筒二者的优点：一方面，砼核心筒具有很强的抗侧刚度，在地震和风荷载的影响下对整个结构的侧向变形能产生很好的控制作用，同时还能防止柱上发生塑性铰；另一方面，因为钢框架柱自重轻，所以可减轻整个结构的重量，能有效降低地震作用产生的影响；还有一点，就是在各个楼层部位，尤其是比较高的楼层部位，钢框架柱与砼筒体相互作用，能产生有效的能量消耗作用。同时这种结构体系具有钢结构施工速度快和砼结构生产成本低的优点，现在已经在我国的高层建筑特别是超高层建筑结构中得到了广泛的应用。

二、钢筋-混凝土核心筒研究成果

Franklin.Y.Cheng用杆系一层模型对钢-砼混合体系进行了弹塑性地震反应分析，考虑到不同杆件的特点，对砼柱和梁、钢柱和梁、砼剪力墙分别采取不同的单元模型；他是按照杆系组成的层间刚度和总刚度矩阵，然后将质量集中于楼层处的层间模型进行地震反应分析。程绍革是对一幢钢-砼筒结构体系做了一次在罕遇大震下的彈塑性时程分析，在对该体系进行弹塑性地震反应分析的时候，采用的也是杆系模型，把砼核心筒体系的抗侧刚度等效成为宽柱框架，等效框架再与外围钢框架用不计轴向变形的二力杆相连，进而组成了混合体系的计算模型。刘英、蔡益燕等在做钢-砼核心筒混合结构的抗震性能研究时，运用SAP84有限元分析程序进行了水平地震作用下的结构反应分析，把四周的钢框架梁柱假设为三维的空间杆系单元，砼核心筒运用的是墙单元；如果钢结构部分一直处于弹性阶段，那么砼核心筒就需要考虑其弹塑性性能。李国强、姜丽人等在做钢-砼混合结构弹塑性地震反应研究时，是把它分为外钢框架和内砼核心筒两个部分：外部钢框架再进一步简化为半刚架，内砼核心筒再进一步简化为一根箱型截面的竖向悬臂杆；考虑到了非线性因素，再用一根竖向的受荷载的杆与其相并联，从而形成了简化计算模型。后来李国强、丁翔等又把混合体系分解成钢框架和剪力墙两部分，钢框架也是运用的杆系模型，砼剪力墙运用的是墙元与条元耦合，最后再采用体系的各楼层水平位移协调来求解。周向明、李国强、丁翔又采用以层模型为基础的结构弹塑性地震反应分析法，把钢筋-砼核心筒周边的空间框架看成是由一榀榀平行于地震荷载作用方向的平面框架并联组成，每榀框架通过楼板的连接一同抵抗水平地震荷载的作用：而砼核心筒被看作是由开洞剪力墙组成的筒体，简化为平行于地震荷载方向的抗震墙。廖晓璐等运用的是等效结构法来计算钢框架-砼核心筒结构弹性阶段和弹塑性阶段的振型阻尼比，进而分析看在不同的阻尼比取值下的地震反应现象。除此之外，也有学者对结构的布置和刚度进行了分析研究，如阮永辉对结构加强层的钢框架-砼核心筒结构进行分析研究。

三、研究钢筋-混凝土核心筒取得的成就

由于在国外很少将钢-砼混合结构运用在地震区，而且所持看法不一。所以，在这方面的抗震性能与震害资料比较缺乏。目前，在中国对钢-砼混合结构的抗震性能研究还是比较滞后的，最近这几年才开始研究分析，而且在试验方面和计算方面获得了一定的成果。

在九十年代初中国建筑科学研究院结构所曾对一座23层的钢-砼混合结构模型展开了一系列研究分析，其动力试验采用的是锤击法、脉动法和自由振动法，获得了结构的柔度、频率、阻尼等动力特性。

李国强等对钢-砼混合结构进行了1：20的缩尺模型模拟地震振动台试验，他们测试的主要是加速度的反应、模型的位移、砼核心筒的底层和钢框架柱的竖向动应变，而且也观察了砼核心筒裂缝发生、开展的过程，钢框架梁和砼核心筒连接位置砼开裂、破坏的过程，核心筒角柱和暗柱纵筋屈曲外鼓的情况，还有砼核心筒和钢框架共同工作发挥的性能等。实验得出的结论是，随着地震强度的加大，混合体系的破坏加剧，随着阻尼的增大，结构自振频率下降；而且结构毁坏大部分是集中于砼核心筒，出现了核心筒砼底层受压破坏、角柱与暗柱纵筋压屈，然而钢框架是处于弹性阶段，破坏现象不明显，结构整体破坏是属于弯曲型。

吕西林等开展了抗震性能试验研究来分析钢筋-砼核心筒，一共做了两组五个钢筋砼筒体试件的低周期反复加载试验。主要研究的是轴压比和核心筒延性性能相关程度，还有在轴压比和高轴压下钢筋-砼核心筒体的承载力、破坏形态、层间剪力对核心筒受力和抗震性能的影响。实验研究发现，随着轴压比增加，在变形能力方面，位移延性系数随着轴压比的增大而下降，筒体表现出了很强的“剪力滞后”作用，对筒体连梁的开裂和破坏影响不大，但是对核心筒体的承载能力、延性、破坏模式、耗能能力等抗震性能影响还是比较大的。

以上的研究成果能够看出，在对钢-砼核心筒结构体系进行研究分析时，一部分运用的是弹性分析方法；另一部分运用的是弹塑性分析方法。目前核心筒与核心筒特性相似的剪力墙的研究成果已经为核心筒的非线性分析模型奠定了基础。

四、钢筋-混凝土核心筒研究的不足

现在的钢-砼核心筒混合结构应用比较广泛，然而我们对其非线性分析模型的抗震性能的研究还是很缺乏的，尽管已经有学者提出了一些核心筒宏观非线性分析模型，但它们都比较简单，不能真实的地反映核心筒在地震作用下特性。

五、个人的看法浅谈

我们在分析钢筋-砼核心筒受力性能的基础上，确定一个合理的核心筒非线性分析模型和相应的滞变模型，然后运用相应的钢筋-砼核心筒的动力非线性分析方法，结合现有钢筋砼剪力墙宏观分析模型来处理钢筋-砼核心筒结构非线性问题。

参考文献：

[1]陈云涛、吕西林，联肢剪力墙抗震性能研究-试验和理论分析，建筑结构学报，第24卷第4期，2003年8月。

[2]丁翔，高层建筑钢-砼混合结构非线性抗震性能理论与试验研究，同济大学博士学位论文，2001年。

[3]黄海、阎兴华、张艳霞，钢-砼混合结构在我国超高层建筑中的应用与研究，北京建筑工程学院学报，第18卷第4期，2000年12月。

[4]蒋欢军、吕西林，一种宏观剪力墙单元模型应用研究，地震工程与工程振动，第23卷第l期，2003年2月。endprint