带剪切屈服型伸臂加强层框架-核心筒结构破坏机制研究

１２０四川建筑科学研究ＳｉｃｈｕａｎＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ第３９卷第１期２０１３年２月

带剪切屈服型伸臂加强层框架一核心筒结构破坏机制研究

王雷１，李伟２，朱慈勉１（１．同济大学建筑工程系，上海２０００９２；２．上海应用技术学院，上海２０１４１８）

摘要：鉴于带普通加强层的框架—核心筒结构在加强层附近刚度突变和应力集中现象严重，罕遇地震下难以形成合理的破坏机制，本文借鉴偏心支撑钢框架剪切屈服耗能梁段，提出采用剪切屈服型伸臂加强层。通过对比带剪切屈服型伸臂加强层与带普通加强层的框架一核心筒结构在风载以及多遇地震下弹性动力响应，以及其在罕遇地震下塑性铰和剪力墙裂缝分布情况，得到其在弹性阶段与带普通加强层结构抗侧刚度接近的情况下，在弹塑性阶段的位移控制能力优于带普通加强层结构，且破坏机制合理，有效减少了剪力墙裂缝，并保护了框架柱使其不出现破坏。关键词：剪切屈服型伸臂；加强层；破坏机制；动力弹塑性时程分析中图分类号：Ｔｕ９７３．１＋７文献标志码：Ａ文章编号：１００８—１９３３（２０１３）０１—１２０—０６

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言

ｃＢ５００１１＿２０１０《建筑抗震设计规范》（简称《抗震规范》）规定进行抗震设计的建筑，其基本的抗震设防目标可分为三个层次，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。其中的“大震不倒”即是对结构在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震作用时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。与此同时有必要考虑结构的破坏机制以及由结构破坏所引起的震收稿日期：２０１２ＪＤ９一１８作者简介：王雷（１９８６一），男，河南郑州人，硕士生在读，研究方向为带加强层结构抗震设计。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈ蚰ｇ“ｊａ＠１６３．ｃｏｍ害。因为这些都关系到结构能否修复以及修复的成本。本文针对带钢桁架伸臂加强层的框架一核心筒混合结构，提出一种新的伸臂形式——剪切屈服型伸臂，并与带普通钢桁架伸臂加强层的结构对比分析，着重研究其在弹性阶段的工作性能以及弹塑性阶段的破坏机制等问题。

１带伸臂加强层框架一核心筒结构的

研究现状以及存在的问题

带伸臂加强层框架一核心筒结构利用刚度很大的伸臂将核心筒和外围框架柱连接起来，形成主要以核心筒抵抗剪力和伸臂一外框架柱抵抗倾覆力的效率很高的抗侧力体系。加之外围框架柱之间可以提供开敞的视野，因此此类结构很受业主欢迎。有

万方数据王雷，等：带剪切屈服型伸臂加强层框架一核心筒结构破坏机制研究

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关此类结构体系的研究主要经历三个阶段。第一阶段主要研究伸臂加强层的最优位置。此类研究已有定论，并已被我国ＪＧＪ３—２０１０《高层建筑混凝土结构设计规程》采纳。第二阶段主要研究伸臂的合适刚度。工程界也已逐渐达成共识，在加强层中采用“有限刚度”的伸臂旧Ｊ。现阶段研究的重点是如何在伸臂加强层中采用耗能减震技术形成耗能减震加强层。此类研究多从地震的能量输入与耗散角度出发，主要采用粘滞阻尼器作为结构的耗能减震元件来吸收与耗散输入的地震能量，达到减轻震害的目的㈨。加强层伸臂在提高结构抗侧刚度的同时不可避免的会引起结构刚度、内力突变和应力集中，并易形成薄弱层Ｂｊ，结构在地震下也难以形成“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的延性破坏机制。“有限刚度”的概念即是为了减少伸臂对结构的这些不利因素而提出的。需要注意的是，在风载和多遇地震下，伸臂所引起的结构刚度、内力突变和应力集中并不会对结构造成损害，在罕遇地震下，才会危及结构和人的安全。但是，结构遭受罕遇地震是一个小概率事件，若因此降低伸臂刚度并增加加强层数量，加强层的作用便不能完全发挥，经济成本也必将大幅提高。因此，本文认为，对加强层的研究应分为两个方面：一是在风载与多遇地震下的弹性阶段伸臂对结构抗侧刚度的影响；二是罕遇地震下的弹塑性阶段伸臂以及整个结构的破坏机制。但是，国内外研究成果中并未发现一种很好满足上述两阶段安全性、工作性能以及经济陛的伸臂形式。而且对带钢桁架伸臂加强层的框架一核心筒结构在罕遇地震下的破坏机制的研究也十分缺乏。２偏心支撑钢框架以及耗能梁段的试验研究及分析本文提出的剪切屈服型伸臂借鉴了一种技术成熟的抗震体系——偏心支撑钢框架，常见的Ｋ型和单斜杆型如图ｌ所示（ｅ为耗能梁段长度）。一般认为，偏心支撑钢框架在弹性阶段有不低于中心支撑钢框架的刚度，在弹塑性阶段有良好的耗能能力，可避免中心支撑屈曲和刚度过大带来的不利影响，是强震区多高层钢结构房屋的理想抗侧力构件¨・。根据耗能梁段长度ｅ的不同，偏心支撑钢框架分为剪切屈服型和弯曲屈服型两类。剪切屈服型无论是在弹性阶段的强度刚度还是在弹塑性阶段的变形能力和耗能能力都优于弯曲屈服型。由此可见偏心支撑的关键即是耗能梁段。Ｐｏｐｏｖ等人针对耗能梁段做了一系列试验哺引。试验表明，耗能梁段在剪切屈服之前有极大的刚度和强度；剪切屈服之后在循环荷载作用下，有良好的耗能能力——滞回曲线饱满而稳定，没有“捏拢”现象，构件能经历很大的变形而不出现板件破损。一向／／＼

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图１偏心支撑框架的常用形式Ｆ艳．１Ｎｏ珊ｍｆｏ哪ｏｆ∞ｃｅｎ埘船Ｕｙｂ瑚槐ｄ

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３破坏机制控制从系统论的角度来看，系统在演化过程中总存在着功能分化的趋势，而抗震结构体系的发展正体现了越来越明显的功能分化。功能分化使结构自然分为多种功能相对单纯的子结构，从而提高整个结构体系的能力与工作效率。同时，从经济性的角度来看，并不是所有业主都愿意支付过多的费用以使自己的建筑在未来发生概率很小的罕遇地震下保持完好无损。事实上，只要不危及生命安全或者不造成严重的经济损失，结构在罕遇地震下发生一定程度的破坏是可以接受的，这样做有助于降低结构的造价。因此，有必要控制结构在罕遇地震下的破坏机制。而合理破坏机制的实现在于确定结构的预期破坏部位。在一个具有明确破坏机制的结构体系中，往往希望破坏部位具有足够的塑性变形和耗能能力，使破坏后的结构能够最大限度的耗散地震输入能量，降低结构的地震响应旧Ｊ。本文所研究的带钢桁架伸臂的框架一核心筒结构，将核心筒墙肢、框架柱等设为主要结构，而将加强层伸臂设为次要结构，预期破坏部位设定在次要结构上。

４结构模型建立与计算分析４．１模型建立

４．１．１基本模型与工程概况本文建立Ａ、Ｂ、ｃ三个６０层的框架一核心筒混合结构进行研究。Ａ模型无加强层，底层４．８ｍ，标

准层３．６ｍ，总高２１７．２ｍ，框架柱采用型钢混凝土柱，混凝土强度等级ｃ６０，钢材Ｑ３４５，框架梁采用型钢梁，强度等级Ｑ３４５。Ｂ模型带普通钢桁架伸臂与外围环带所组成的加强层。根据ＧＢ５００４５—９５《高层民用建筑设计防火规范（２００１年版）》设置避难层的相关规定，在１５、３０、４５和６０层利用避难层设置加强层。Ｂ模型除在加强层处层高４．２ｍ且需设置

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