混凝土核心筒在高层建筑中的应用及抗震综述

混凝土核心筒在高层建筑中的应用及抗震研究综述摘要：回顾了混凝土核心筒在高层建筑中的应用和发展历史，对混凝土核心筒的受力特点以及抗震性能的研究现状进行了论述，指出了混凝土核心筒在抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。关键词：混凝土核心筒；抗震研究；高层建筑引言在高层建筑中，根据结构承受的荷载和抗侧力要求，出现了十多种高层建筑结构体系。组成这些结构体系的构件可归纳为三种基本形式，即线形构件、面形构件和立体构件[1]。对线形构件（如梁、柱、支撑、桁架等）和面形构件（楼板、剪力墙或抗震墙等），国内外已做了大量的理论分析和试验研究工作，其受力行为和抗震性能较为明确。但对于立体构件，如高层建筑中的楼（电）梯间、筒中筒结构的内筒、框架-核心筒结构的核心筒等，进行的受力性能研究和抗震性能研究非常缺乏。同时，由于混凝土筒体具有比线形构件和面形构件大得多的抗侧刚度和空间刚度，被广泛地用于（超）高层建筑结构中。例如，我国（超）高层建筑绝大部分为混凝土结构或钢-混凝土混合结构，相应的实腹筒和核心筒也为钢筋或钢骨混凝土。本文系统地总结、论述了混凝土核心筒在高层建筑中的应用及其抗震研究的发展现状，指出了抗震研究中存在的主要问题和今后需要进一步研究的方向。1混凝土核心筒在高层建筑中的应用近年来，由于框架-混凝土核心筒混合结构具有很强的性能优势和经济优势，在我国的发展和应用极其迅速[2—6]。由于这种混合结构体系比钢结构的用钢量少，又可减小柱子断面，常常为业主所看重。钢框架或型钢混凝土框架具有较高的材料强度，主要承受竖向荷载，同时还可利用钢框架的轻巧性，做成较大跨度的楼面结构。目前我国已建高度超过150m的高层建筑混合结构中有19栋采用了框架—混凝土核心筒结构体系[4]，这种结构体系在非地震区和地震区均有应用，其中有不少是在7度及其以上抗震设防地区，高度有的甚至超过300m[6]。例如，上海金茂大厦(88层420.5m)和上海环球金融中心（95层460m，在建）采用的都是钢筋混凝土核心筒、型钢混凝土柱及钢柱形成的框架－核心筒混合结构，此外，采用混凝土核心筒的还有深圳地王大厦(81层325m)、深圳发展中心(48层165m)；北京国贸二期(39层156m)；大连云山大厦(52层208m)、大连远洋大厦(51层201m)；天津云顶花园(43层165m)等。混凝土实腹筒广泛用于筒中筒结构中，采用框筒作为外筒，实腹筒作内筒，内筒与外筒通过水平刚度很大的楼板连接，保证两者协同工作。例如，陕西信息大厦(52层189m)，南宁宝都大厦(48层179m)采用的是型钢混凝土结构筒中筒体系，内筒为混凝土筒体，外筒为型钢混凝土框筒；海口金融大厦(48层169m)为型钢混凝土结构筒中筒体系，其内筒为型钢混凝土筒体，外筒为型钢混凝土框筒。由此可见，混凝土核心筒和实腹筒已经成为我国高层建筑特别是超高层建筑中不可或缺的最为主要的抗侧力结构单元。框架—混凝土核心筒结构虽在我国被大量采用,但国外在地震区很少采用该类结构体系。美国的一些设计规程曾指出[7]，这种混合结构体系的抗震性能基本上取决于混凝土核心筒。在历史上它有过遭受地震破坏的记录（1994年美国阿拉斯加地震，一栋14层的旅馆大楼完全倒塌，而倒塌的原因就是由钢筋混凝土核心筒倒塌引起的），加之对这种结构的抗震问题没有进行过系统的研究，因此认为不宜用于地震区，且认为高度不宜大于150m。日本仅在1992年建造了两座高度分别为78m和107m的钢框架—混凝土核心筒混合结构的高层建筑，并结合这种建筑对其抗震设计方法、核心筒墙柱和连梁的试验等开展了一定的研究。但这两座建筑高度都不大，并且由于日本国内工程界对这种结构体系的抗震性能有争议，至今尚未出现第三例。2混凝土核心筒的受力特点及抗震性能一般认为，框架—混凝土核心筒混合结构与框架—剪力墙结构的工作原理类似，框架和混凝土核心筒通过楼板二者协同工作，共同抵御地震作用，为双重抗侧力体系。其中，混凝土核心筒具有较大的抗侧刚度，为主要的抗侧力结构单元，承受绝大部分水平荷载，外围框架主要承受竖向荷载，仅分担一小部分水平荷载。因此，在此类结构体系中混凝土核心筒的抗震性能显得尤为重要。因为混凝土核心筒作为第一道抗震防线，在小震时，核心筒处于弹性阶段并承担大部分的地震剪力，而进入弹塑性阶段后，核心筒要有足够的弹塑性变形能力，把地震作用有效地传递给第二道抗震防线，并保持结构的稳定性，使之在大震作用时不至于倒塌。因此，从整个结构的角度来看，框架－混凝土核心筒混合结构的抗震性能基本上取决于混凝土核心筒[3]，由于核心筒的高宽比较大（约为10～12），其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的框架协同工作来减小侧移，不仅增大了外框架的负担，而且效果如何，至今还没有经受过地震的考验。3混凝土核心筒抗震研究现状3.1混凝土核心筒抗震性能试验研究在我国，混凝土核心筒结构多用于抗震设防区。因此，混凝土核心筒在遭遇地震作用时的抗震性能如何，是广大工程结构抗震人员甚为关注的问题。与混凝土核心筒的广泛应用和发展速度相比，我国对混凝土核心筒抗震性能的研究，仅仅在近几年才开始，对其抗震研究还滞后很多，远远不能满足抗震设计的需要。同济大学吕西林等[8]对钢筋混凝土核心筒进行了抗震性能的拟静力试验研究，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和剪跨比的钢筋混凝土核心筒的破坏机理、承载能力、破坏形态、层间剪力在连梁中的传递规律、延性和耗能能力等方面的抗震性能。试验表明，对应于不同轴压比，试件的开裂荷载及开裂位移比较接近，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，试验中核心筒表现出了很强的“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，但是对核心筒自身的承载能力、破坏模式、延性、耗能能力等影响很大。曹万林等[9]在研究带暗支撑长肢剪力墙和带暗支撑异形截面短肢剪力墙抗震性能研究的基础上，进行了两个1：6模型比例混凝土核心筒低周反复水平荷载试验研究，对混凝土核心筒的裂缝开展、破坏模式、承载力、刚度、恢复力性能、延性和耗能能力等进行了分析，并对比了带暗支撑混凝土核心筒和普通混凝土核心筒抗震性能的异同。李国强等[10]对一钢-混凝土混合结构进行了1：20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等。在国外，有关专门对混凝土核心筒抗震性能的研究非常缺乏，究其原因主要是欧美等国家的高层建筑主要以钢结构为主，由钢桁架组成各类筒体，同时，由于对这种框架-混凝土核心筒混合结构抗震性能的看法不一，在地震区很少采用此类结构。但对混凝土剪力墙进行了一些研究工作，例如，1993年美国和日本合作进行了1：3模型比例、12层的T型钢筋混凝土联肢墙体抗震性能伪静力试验研究[11]，表明联肢墙所承受的剪力与其所受轴力的状态（受拉或受压）、连梁等因素有关，同时研究了联肢墙在侧向力作用下的破坏过程、破坏特点以及剪力沿墙体高度的分布规律。日本鹿岛技术研究所Makoto等进行了九个1：12比例的H型截面核心墙拟静力抗震性能试验[12]，研究了H型截面混凝土墙水平荷载和扭转同时作用时的承载力、变形和破坏形态；HAZAMA技术研究所进行了四组钢筋混凝土核心筒拟静力试验[13]，用以研究墙体内钢筋不同构造方式对筒体在侧向荷载作用下变形能力与破坏形式的影响；日本核动力工程公司地震工程中心进行了三组8个正方形截面混凝土筒体的低周反复荷载试验，主要研究了水平受力角度对混凝土筒体抗震性能的影响[14]，这些试验，为研究和控制混凝土核心筒的延性和耗能方式提供了基础资料。上述试验研究，采用的试验模型较小，且侧重于框架—核心筒混合结构整体抗震性能的分析，而对于混凝土核心筒抗侧力单元基本上没有进行深入研究，同时现有的试验研究中，模型结构的试验条件、试验参数、加载设备以及试验方法等都不统一，结构形式相互之间的差异也很大。3.2混凝土核心筒理论计算模型研究在理论研究方面，文献[15]采用一种反复荷载下混凝土材料的本构模型，按照八结点平面应力单元建立了钢筋混凝土核心筒体非线性有限元分析模型，对试验模型进行了非线性分析；文献[16]在非线性有限元计算模型和分析程序的基础上，对影响钢筋混凝土核心筒体抗震性能的三个重要参数，即高宽比、轴压比、连梁刚度比，进行了一系列模型的非线性计算分析，得出了各参数对核心筒的承载力、破坏形式、延性、耗能能力等抗震性能的影响，为参数影响的定量研究和工程设计提供了有价值的参考。文献[17]在分析总结钢筋混凝土剪力墙受力性能的基础上，确定了一个合理的钢筋混凝土核心筒的非线性反应分析模型，即多竖线单元模型，并通过对现有国内外钢筋混凝土核心筒体及部分剪力墙试验结果的分析，选取了核心筒的剪切滞变模型和轴向刚度滞变模型，进而给出了钢筋混凝土核心筒非线性地震反应分析方法。A．K．H．Kwan[18]认为筒体结构的剪力滞后不仅发生在框筒中，在实腹筒中也发生剪力滞后，并通过有限元方法对实腹筒的剪力滞后进行了研究。国外学者Franklin.Y.Cheng[19]在用杆系—层模型对钢—混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时，将混凝土核心筒简化为杆单元模型；程绍革[20]在对钢—混凝土核心筒结构进行罕遇大震下的弹塑性时程分析时，将混凝土核心筒按抗侧刚度等效成宽柱框架，但用这种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、蔡益燕等[21]在研究钢一混凝土核心筒混合结构的抗震性能时，混凝土核心筒采用墙单元，并考虑其弹塑性性能，分析核心筒刚度退化对水平地震作用分配的影响；李国强等[22]在对钢一混凝土混合结构进行弹塑性地震反应分析时，分别将混凝土核心筒简化为一根箱型截面的竖向悬臂杆和采用墙元与条元耦合；周向明、李国强等[23]采用以层模型为基础的结构弹塑性地震反应分析法，将混凝土核心筒视作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。4混凝土核心筒抗震研究存在的主要问题和今后的研究方向如上所述，目前在对钢框架—混凝土核心筒混合结构进行分析研究时，所选用的混凝土核心筒的非线性分析模型都比较简单，不能很好地反映其在地震作用下的真实特性，如在较高轴压比状态下的受力和变形特性以及核心筒横截面中心轴移动的影响等。对在我国高层建筑结构中应用如此广泛的混凝土核心筒来说，不论其抗震性能的试验依据，还是理论分析或数值模拟都是远远不够的，特别是在高烈度设防地震区，确保混凝土核心筒在地震作用下的安全性和可靠性对高层建筑至关重要。但是，就目前国内外的研究情况而言，对混凝土核心筒抗震性能的研究还有很多问题亟待解决，存在如下一些主要问题：(1)对混凝土核心筒抗震性能认识不足对于钢筋混凝土核心筒的抗震设计，目前工程中主要是延续剪力墙的延性设计方法，按照强剪弱弯的原则进行设计，采取措施使变形集中的塑性铰区具有足够的延性。但由于核心筒是立体（空间）构件，剪力墙是面形（片状）构件，它们之间的受力特性有较大的差别，把剪力墙的抗震设计方法直接用于核心筒中可能存在较大的问题。而目前对混凝土核心筒的抗震性能研究，国外研究很少，国内研究则刚刚起步。因此，不论是试验研究还是理论分析，都有必要对核心筒的破坏机理、薄弱部位、承载力、变形性能、延性和耗能能力、塑性铰出现等方面进行更为深入的研究。(2)高轴压比下混凝土核心筒抗震性能有待深入研究在我国，混凝土核心筒较多地应用于高度较大的（超）高层建筑钢—混凝土混合结构中，核心筒在抗侧力的同时，特别是在底部还承受很大的竖向荷载，使核心筒处于较高轴压应力状态，高轴压比不但影响结构的延性，而且在结构发生侧向变形时，会影响整个结构的稳定性。吕西林等[8]对高轴压比下（轴压比为0.4，0.6）核心筒的承载力、破坏形态、延性性能等做了一组试验，取得了一些宝贵试验资料，但是对于应用如此广泛的核心筒，仅有这一组试验数据是远远不够的。(3)高宽比很大的混凝土核心筒抗震性能也有待深入研究混凝土核心筒是高层建筑结构的主要抗侧力构件，其承载力和延性要求都应更高，抗震时要采取提高延性的各种构造措施。现行基于剪力墙的抗震设计和构造措施，都是根据混凝土剪力墙的试验研究和理论分析建立的，而对于高宽比很大的剪力墙或核心筒抗震性能，缺少研究。而从我国已建的高层建筑来看，核心筒的高宽比很大，例如，大连远洋大厦，上海金融大厦核心筒高宽比分别为11.4和13.96，而深圳地王大厦核心筒高宽比达到24。因此，对高宽比很大的核心筒需要进行更加深入的试验研究和理论分析。(4)现行混凝土核心筒的加强部位及构造措施缺少研究依据剪力墙的加强措施是在端部设置约束边缘构件，并且现行规范对约束边缘构件的设置也做出了具体的规定。在地震作用下，空间核心筒与片状剪力墙的工作性能差异很大，而现行规范中混凝土核心筒加强部位和构造措施均按剪力墙的规定进行设计，缺少试验检验和理论分析；同时，由于核心筒的高宽比很大，在罕遇地震作用下，与地震作用方向垂直的核心筒墙片，在强震作用时要整体受拉，此时，仅在墙片的端部设置约束边缘构件就不合适了，这就需要考虑合理的设置核心筒的加强部位和加强措施，如在筒体的四角加强配筋或设置型钢柱等，这些都有待于进行试验研究和理论分析。(5)混凝土核心筒的剪力滞后研究缺乏对框筒结构的剪力滞后进行了较多的理论分析和研究，但混凝土核心筒和实腹筒也存在剪力滞后问题，特别是国内对此认识不足，研究缺乏。如剪力滞后对混凝土核心筒受力性能的影响，影响剪力滞后的因素有哪些等问题，都亟待加以研究解决。(6)对型钢混凝土核心筒的抗震性能研究匮乏随着型钢混凝土结构的发展，其性能优势和经济优势越来越被肯定，已广泛地用于我国的高层建筑中，一些高层建筑中的核心筒也采用型钢混凝土。然而，国内外对型钢混凝土核心筒的抗震性能，包括试验研究和理论分析基本上属于空白，开展相应的研究工作，对型钢混凝土核心筒的破坏机制、耗能能力、承载能力等进行试验研究和理论分析，也是实际工程的迫切需要。(7)框架-混凝土核心筒混合结构中水平作用力的分配有待进行更深入研究我国已有的工程实践和试验研究表明，混凝土核芯筒结构刚度相对有余，强度不足，外钢框架强度相对有余，刚度不足，使得这种混合结构体系的抗震性能不协调。当结构遭受罕遇大震时，塑性铰主要出现在混凝土核心筒上，这样的塑性铰机制对结构体系十分不利，一旦核心筒发生过大的变形和严重破坏，外钢框架因刚度不足就会导致整个结构体系或子结构局部倒塌。因此如何使框架和混凝土核心筒具有较好的变形和强度协调性也值得深入研究。另一方面，现在一般认为，在水平力作用下，框架—核心筒混合结构的协同工作原理，类似于框架—剪力墙结构的协同工作，即框架的侧向变形为剪切型；而实际上，对于高宽比很大的框架—核心筒混合结构，框架的高宽比也相应的很大，其侧向变形似应该以弯曲型为主，从而框架和核心筒的水平力分配也会发生变化，值得进行研究。参考文献[1]刘大海,杨翠如,钟锡根.高层建筑抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.[2]张令心,郭丰雨．钢-混凝土混合结构抗震研究述评[J]．地震工程与工程振动，2004，24(3):51~56．[3]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社,2004.[4]徐培福,傅学怡,王翠坤,肖从真.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.[5]方鄂华,钱稼茹.我国高层建筑抗震设计的若干问题[J].土木工程学报,1999,32(1):3～8.[6]刘大海,杨翠如.高楼钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.[7]BahramM.Shahrooz,BingnianGong,GokhanTuncandJeremyT.Deason.Anoverviewofreinforcedconcretecorewall-steelframehybridstructures[J].Prog.Struct.EngngMater，ASCE.2001(3):149~158.[8]吕西林,李俊兰.钢筋混凝土核心筒体抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2002,22(3):42~50.[9]曹万林,张建伟,黄选明,卢智成.带暗支撑短肢剪力墙及核心筒抗震研究与应用[J].工程力学(增刊),2005,94~106.[10]李国强,周向明,丁翔.高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究[J].建筑结构学报,2001,22(2):2~7.[11]KenichiSugayaetc.．Experimentalstudyoncarryingshearforceratioof12storeycoupledshearwalls[C]．12WCEE，2000,PaperNo.2152.[12]MakotoMarutaetc.StructuralcapacitiesofH-shapedRCcorewallsubjectedtolateralloadandtorsion[C],12WCEE,2000,PaperNo.1028.[13]T.Nakachietc.Experimentalstudyondeformationcapacityofreinforcedconcretecorewallsafteryielding[C],11WCEE.1996,PaperNo.1747.