高层混合组合结构抗震性能研究

1、钢-混凝土混合结构抗震性能研究钢-混凝土混合结构一般是指由外围框架与内部核心筒体组成的共同承担竖向和水平作用的高层建筑结构,最早于1972年应用在芝加哥Gateway IIIBuilding中。混合结构以其优越的施工、受力性能以及成本优势,被认为是一种符合我国国情的高层结构形式,政府在指导方针中将钢-混凝土混合结构列为值得大力推广的建筑新技术。已建成或在建的高层建筑中,超过半数采用了混合结构体系。但国内外对混合结构抗震性能的研究尚不充分,并且该结构体系在国外地震区应用较少,缺乏相应震害资料,工程中受力构件又在不断革新以满足日渐提高的性能要求,对混合结构抗震性能的认识亟待进一步加深。混合结构整体试验一般都结合具体工程,研究工作尚属个例分析,佐证不够充分且缺乏共性 1。1、构造设计方面存在的问题对于构造设计方面存在的问题，陈玉萍在混合结构的抗震问题探讨中指出：当做圈梁的设置时，设计人员不遵守规范规定,任意设置,圈梁兼过梁时,圈梁顶标高板底标高且示按过梁要求配筋;圈梁设置过多、过密、有的甚至在间距很窄的120mm的隔断墙上也设置圈梁,圈梁在转角处连接方式不规范,搭接方式错误；有些设计人员错误

2、认为圈梁只需封闭即可,而在纵墙和横墙中出现水平方向的凹凸圈梁,圈梁与预制构件没有可靠的构造连接或拉筋不规范,使整体质量降低；楼梯间顶部和尾面应相应增加圈梁的密度,但设计中未作任何交待等。而做构造柱的设计时，设计人员未按规范要求位置设置构造柱,该设的未设,不需设的反而设置;将构造柱作为受力柱进行设置,而纵向钢筋的数量仍按构造要求配置；规范要求在纵横墙交接处须设置构造柱,有些设计人员机械地认为在较大空间房屋无横梁的纵墙上可不设构造柱,忽略在内纵墙与横墙交接处设置构造柱。在考虑墙柱、梁板的拉结时，结构设计施工图交代不清,墙与柱之间不设拉结筋,楼板搁置长度不够,楼坂与圈梁,楼板与墙体的拉结,梁与墙、板与板的拉结,均不符合要求2。针对上述问题，刘劲松在底层框架上部砖房混合结构的抗震设计中指出：房屋的平、立面布置应规则、对称；房屋的高度要限制、高宽比要适当；第二层与底层的侧移刚度比要控制；抗震墙的最大间距限值应小一些；并建议带边框开竖缝钢筋混凝土墙用竖缝分割的墙板高宽比不应小于1.5，但也不宜大于2.5；底层框架抗震墙砖房的底层应设置为框架-抗震墙体系，并且要加强过渡楼层的抗震能力；底层框架抗震墙

3、砖房的底层与上部砖房部分的抗震能力应匹配3。而高磊在顶层空旷多层混合结构的抗震设计与实践中提出，在满足建筑顶层空旷多层混合结构的抗震设计与实践采光、通风、保温、净面积等使用功能和立面造型设计要求的前提下,应严格限制空旷顶层外纵墙的开洞率及其厚度,并在外纵墙每开间处设置钢筋混凝土构造柱同时,在空旷顶层的外纵墙窗台下宜设置4060mm厚同墙宽的现浇水平构造配筋带（局部凸出内墙面可兼窗台板）并锚人两侧构造柱内，以提高外纵墙的空间整体性和抗震能力。而对于柱体，在多层混合结构房屋中合理设置钢筋混凝土构造柱是一种非常有效的抗震措施。如根据结构受力特点和计算模型的不同,将构造柱适当变换成薄壁柱或抗震剪力墙等形式,并满足一定配筋率（延性）要求,提高砌体材料强度和质量,重视材料生产管理和施工的质量控制,加强国际间的交流与合作,相信这将会推动具有我国特点的“中高层约束砌体”技术的开发研究与推广应用。对于节点的考虑，高磊指出，顶层铰接抗震节点构造的合理做法主要有适当调整构造柱截面积及其配筋,选择合理的刚度比,以判断进深梁与约束砌体的嵌固程度 梁端按简支构造要求配置适当的构造负筋或适当加大架立筋 构造柱主筋在

4、进深梁端底部开始收进并从梁主筋内侧穿过伸人到女儿墙与压顶连接,形成梁包柱节点形式 设置双层 圈梁既解决顶层空旷房屋层高超高和进深梁下梁垫局压问题,又有利于节点铰接 对节点区竖向窗间约束砌体设置抗震构造钢筋的间距适当加密或通过计算确定,以保证约束砌体变形协调、共同工作4。徐建民在房屋底框混合结构的抗震设计分析中强调，对于墙的布置：底框混合结构需设抗震墙, 抗震墙间距按规范表 71113 选用; 且墙的布置不仅要设在纵横两个方向, 而且要在房屋四角处加设, 以抵抗较大的扭矩, 提高结构抗变形能力。在节点位置时，塑性铰出现在柱上有悖于强柱弱梁的设计原则, 其主要原因是梁截面大, 导致梁柱线刚度差异较大所造成。底框横梁不应按简单的弯剪构件设计, 而应该按偏心受拉构件设计。在做抗震设计时应考虑以上因素，以保证构件的安全性能5。在钢-混凝土混合结构中，存在很多问题，如国外的设计、材料及施工与国内实际情况的矛盾，抗震性能研究尚不够充分与完善，混凝土内筒的施工误差远大于钢结构等。目前,在我国超高层钢-混凝土混合结构的设计、材料及工程承包中,国外的占主要地位,由于国外对中国规范的理解和使用有不同程度的难

5、度,设计水平又参差不齐,因此,实际上很难全部按照中国的有关规范进行设计。对于地震区不符合我国的抗震设计原则,承载力以及变形不符合规范要求等大小问题时有发现,在设计之后一系列配合工作的矛盾更为突出。至今尚缺少严格有力的核查措施,应尽早由各级政府有关部门负责制定审查办法并组织实施。今后还应努力促进这种结构的设计、承建、施工等方面的全面“国产化”进程。由于国外在地震区很少采用钢-混凝土混合结构 ,相应就缺乏这方面的震害资料 ,国内也无这方面的经验。在我国,这种结构形式的建筑越建越高、应用范围越来越广泛,为满足建筑上的要求,结构形式也越来越复杂。而目前,国内外还没有出台有关高层建筑钢-混凝土混合结构的抗震设计规程或规范,对其抗震性能研究也尚不够充分与完善,存在的主要抗震性能问题没能很好地解决,如超规范的高宽比、顶点位移及层间位移限制、核心筒的合理高度、塑性铰的机制、结构的合理应用范围、钢和混凝土两种结构形式间的变形协调问题等等。为了适应我国这种结构形式的建设速度,迫切需要对这种结构的抗震性能和设计方法开展系统和深入的研究。钢框架-混凝土内筒体系中,混凝土内筒的施工进度常先于钢框架。由于支模等原

6、因,现浇混凝土结构墙体在水平方向和竖向的偏移差常大于施工规范规定甚多。当钢梁与混凝土墙采用预埋钢板相连接时,这些钢板预埋件在平面和竖向标高的位置,不仅受混凝土墙体偏移的影响,而且受预埋件移位的影响,其误差值远大于钢梁加工尺寸的允许范围,常需采取难以令人满意的弥补措施。因此,宜在设计上采用适应性较好的连接方法。2、抗震研究发展现状国外在地震区很少采用钢-混凝土混合结构,并对这种混合结构在地震区中的应用看法不一。因此,就缺乏这方面的震害资料和对其抗震性能研究。目前在我国,与这种形式高层建筑钢结构的发展速度相比,对其结构的抗震研究还远远滞后,也仅在这几年才开始,并在计算分析和试验方面取得了一些初步成果。(1)钢-混凝土混合结构地震反应分析模型及计算Franklin. Y. Cheng6用杆系-层模型对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析 ,分析时针对不同杆件的特点,对混凝土柱和梁、钢柱和梁、混凝土剪力墙分别采用不同的单元模型;在按杆系形成层间刚度和总刚度矩阵后,以质量集中于楼层处的层间模型对混合结构进行地震反应分析。程绍革7对一幢钢-混凝土筒实际结构进行了罕遇大震下的弹塑性时程分析,对设

7、计时的位移控制、高宽比、塑性铰机制和加强层设353期张令心等:钢-混凝土混合结构抗震研究述评置等提出了一些设想。在对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时,采用杆系模型,将混凝土核心筒按抗侧刚度等效成宽柱框架,等效框架再与外围钢框架用不计轴向变形的二力杆相连,从而形成混合结构的计算模型。这种采用非常简单的钢筋混凝土柱滞变模型来模拟混凝土核心筒构件难以很好地反映钢筋混凝土核心筒在较高轴压比状态下的受力和变形特性以及核心筒中性轴移动的影响。刘英8等在研究钢-混凝土核心筒混合结构的抗震性能时,采用了SAP84有限元分析程序进行水平地震作用下的结构反应分析,把周边钢框架的梁柱采用三维的空间杆系单元,混凝土核心筒采用墙单元;假定钢结构部分始终处于弹性阶段,而混凝土核心筒则考虑其弹塑性性能,即分析核心筒刚度退化后水平地震作用在二者间的分配。李国强、姜丽人等在对钢-混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时,将其分为外钢框架和内混凝土核心筒两部分:外部钢框架又进一步简化为半刚架,内混凝土核心筒则简化为一根箱型截面的竖向悬臂杆,两者之间通过刚性连杆相连;考虑到几何非线性,再用一竖向受载杆与之并联,给出

8、了用于工程设计方案阶段估算的简化计算模型。后来李国强、丁翔等又将混合结构分解为钢框架部分和剪力墙部分,钢框架采用杆系模型,混凝土剪力墙采用墙元与条元耦合,最终再利用结构各楼层水平位移协调求解。姜丽等9人将空间混合结构等效成平面框剪结构进行弹性地震反应分析。周向明、李国强、丁翔10又采用以层模型为基础的结构弹塑性地震反应分析法,将混合结构外围的空间框架视作由一榀榀平行于地震荷载作用方向的平面框架并联组成,各榀框架通过楼板的连接共同抵抗水平地震荷载;混凝土核心筒则视作由开洞剪力墙组成的筒体,又简化为平行于地震荷载方向的抗震墙;框架和核心筒在楼面标高处由两端铰接的水平刚性联杆连接,协同抵抗水平荷载,这样,空间钢-混凝土混合结构就被简化为平面结构来分析。(2)钢-混凝土混合结构试验研究到目前为止关于钢-混凝土混合结构的实验研究还很少。在 “九五” 期间,建设部曾将钢-混凝土混合结构研究作为重点攻关项目下达。中国建筑科学研究院结构所在90年代初对一幢23层钢-混凝土混合结构1/20模型开展了一系列试验研究,包括垂直荷载试验,模型力学性能试验,动力特性试验,六点、二点、单点加载水平荷载试验等111

9、2。其中动力试验采用了脉动法、锤击法和初位移张拉释放法(自由振动法),获得了模型的柔度特性、频率、阻尼等动力性能12。李国强等13对一典型的钢-混凝土混合结构进行了120的缩尺模型模拟地震振动台试验,试验主要测试了模型的位移、 加速度反应,底层混凝土核心筒的竖向动应变,钢框架柱的竖向动应变,并观察了混凝土核心筒裂缝发生、开展的过程,核心筒角柱和暗柱纵筋屈曲外鼓,钢框架梁与混凝土核心筒连接区域混凝土开裂、 破坏情况,以及钢框架与混凝土核心筒共同工作性能等。实验结果表明,小震阶段模型顶点位移为结构高度的1/6001/1000,大震阶段顶点位移可达结构高度1/45,说明模型有较好的延性;随着地震强度的加大,结构的损伤加剧,阻尼增大,自振频率不断下降;结构破坏主要集中于混凝土核心筒,表现为底层核心筒混凝土受压破坏、暗柱和角柱纵筋压屈,而钢框架处于弹性阶段,没有明显的破坏现象,结构整体破坏属于弯曲型。吕西林等14对钢筋混凝土核心筒进行了抗震性能试验研究,共进行了两组5个钢筋混凝土筒体试件的低周反复加载试验。主要研究不同轴压比下,钢筋混凝土核心筒体的承载力、破坏形态、层间剪力在连梁中的传递规律、 轴压比对核心筒延性性能的影响程度;还研究了更高轴压比下,钢筋混凝土核心筒体的承载力、破坏形态、延性性能以及高宽比、开洞大小、配筋率等因素对核心筒受力和抗震性能的影响。实验表明,对应于不同轴压比,试件的开裂荷载 pcr及开裂位移cr比较接近,没有表现出随着轴压比增加而增加的现象;在变形能力方面,位移延性系数随着轴压比的增大而下降;此外,试验中,筒体表现出了很强的“剪力滞后”作用;轴压比的增加对筒体连梁的开裂和破坏影响不大,但是对筒体本身的承载能力、破坏模式、延性、耗能能力等抗震性能影响很大。竖向荷载和水平荷载同时作用下,钢筋混凝土核心筒的破坏模式有: (1)墙体底部受弯钢筋屈服破坏; (2)连梁弯曲剪切破坏; (3)剪力引起的斜向受拉破坏; (4)剪力引起的斜向受压破坏; (5)薄壁墙截面的压屈失稳或受压主筋压曲; (6)竖向刚度突变引起界面上剪切滑移破坏。还根据实验数据和资料 ,建立了钢筋混凝土核心筒在较高轴压比状态下的荷载

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