钢筋混凝土筒体结构的发展及抗震特点

李 新 马奎升 刘焕磊

(山东科技大学，山东青岛 266590)

在经济高速发展和城镇化建设不断发展的同时，从建筑形式上来说，现代建筑有很大的变化和创新;从功能上来看，多样化以及综合化的特点越来越明显，所以筒体结构在高层建筑结构体系中的比重越来越大。随着建筑结构层数的增多，水平的风荷载以及竖向荷载和地震对它们的影响越来越大，由平面抗侧力结构所构成常规的框架、剪力墙和框架—剪力墙结构仅仅是一种平面抗侧力结构，已不能满足现在高层建筑结构的功能要求。随之出现了由平面剪力墙可组成空间薄壁筒体或者由密柱深梁形成框筒来抵抗水平力的筒体结构。

1 钢筋混凝土筒体结构的发展

从20世纪70年代开始高层建筑进入快速发展时期，由于常规体系(如剪力墙、框架和框架—剪力墙结构)已不能满足建筑和结构的强度、刚度和延性的要求，筒体结构随之出现。美国的坎恩(Fazler R.Khan)第一次在框架结构中采用密柱深梁结构。

我国对框筒及筒中筒结构的研究从20世纪70年代开始进行，并建造一批筒中筒结构，如50层的深圳国贸中心大厦和63层的广州国际大厦。近年来，由于经济实力增强和城市建设步伐的加快，出现了很多钢筋混凝土核心筒结构的超高层建筑，如上海的金茂大厦和广西南宁的地王大厦。总之，钢筋混凝土筒体结构因其内外筒之间形成了大面积的无柱空间，从而具有很大的承载力和抗侧力刚度，以及很好的抗扭刚度。因此，筒体结构在各类高层建筑中得到了广泛的应用。

2 钢筋混凝土筒体结构的抗震特点

钢筋混凝土筒体结构包括筒中筒结构、框筒结构以及框架—核心筒结构等(见图1)。对于常规的建筑结构起决定作用的是竖向荷载，而在高层筒体结构中竖向荷载虽然仍起了重要作用，但是水平荷载已成为影响建筑结构的关键性因素。

如图2所示，竖向构件受到竖向荷载时，其轴力N与结构高度H呈线性关系，N随着H的增加而增加。而构件受到水平荷载时其底部的弯矩M与高度H的关系式为:M=f(H2);结构的侧向位移Δ随着建筑高度H的增大而增大，建筑结构顶点的侧移Δ与高度H的关系式:Δ=f(H4)。综上所述，钢筋混凝土筒体结构中起控制作用的是水平作用，因此，必然要研究水平地震作用下钢筋混凝土筒体结构的受力特点。

对于钢筋混凝土筒体结构来说，实际工程中常见的形式是框架—核心筒结构和筒中筒结构，下面就仅这两种结构的抗震特点进行总结分析。

钢框架—核心筒体系是一种服务性设施，是指刚接或铰接的框架和钢筋混凝土的芯筒所组成的一种混合的结构体系。这种结构体系一般将钢框架或型钢混凝土框架布置于中心部位的服务性竖井外围，并将剪力墙核心筒设置于服务性设施周围。理论分析和试验研究表明，这种核心筒整个截面变形基本符合平截面假定，当受到水平地震作用力时，水平垂直的翼缘和水平方向的腹板均参与工作。在地震作用下这种框架—核心筒结构可能会发生以下几种破坏形式:剪力引起的斜向受拉破坏及斜向受压破坏、施工缝截面上的剪切滑移破坏或薄壁界面墙的压屈失稳。前四种破坏全部都属于脆性破坏，当结构发生破坏时，结构的强度会急剧下降。此外当结构发生破坏时如果在连续梁的墙体根部和端头产生塑性铰，核心筒甚至会发生连梁的弯曲剪切破坏以及墙体底部的受弯钢筋屈服破坏，此时结构中由于地震所产生的能量可以以某种稳定的形式耗散掉。分析结构的破坏过程可知，该结构处于弹性阶段时，绝大部分的水平力由芯筒承担，但是芯筒底部在地震荷载的往复作用下首先开裂，于是框架承受了大部分的水平力，且随着结构破坏程度的加强，框架部分承担的荷载比例逐渐加大，随着破坏程度的继续增加，楼板四周的中部出现了开裂，且底层部分几乎全部开裂，但是结构的承载力没有明显下降，直到内部配筋屈服后承载力才开始下降并发生脆性破坏，则框架部分成为了第二道抗震防线，所以此类结构称为双重抗震结构。

水平荷载作用产生的变形对于框架—核心筒结构产生不利影响。那么如何限制结构的侧向位移就成为结构抗震研究的重点，目前有两种比较常用的限制侧向位移的方法:设置水平加强层以及设置耗能减震层。设置加强层会使结构发生刚度和内力突变从而容易形成薄弱层，并且这与“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性设计概念不符。而设置耗能减震层会使框架柱的轴力变化比较缓和且对结构底部的剪力和弯矩影响不大。因此，从对结构的整体控制效果上来考虑，设置耗能减震层的抗震效果要优于设置加强层。

框筒的翼缘和腹板框架部分在中间部分的应力大于框筒结构，而在角区附近实腹筒体的应力要大于框筒的，这种现象称为剪力滞后(见图3)。此效应会产生较大的层间剪切变形，是因为结构不能充分发挥整体抗弯性能。外框筒在水平地震荷载作用下会产生较大比重的剪弯变形，内筒在水平地震荷载作用下会产生弯曲变形，其层间剪切变形较小。筒中筒结构外筒和内筒的剪弯变形与弯曲变形位移相反，结构底层的层间最大位移角和顶点水平位移均减小。内筒结构具有较强的水平承载力，则外框筒柱发生脆性剪切破坏。筒中筒结构的空间承载力减弱，为了消除剪力滞后效应带来的不利影响，应当采取限制框筒结构的柱距、控制框筒结构的长宽比等措施来缓和剪力滞后效应。

3 结语

经过分析，我们可以看出钢筋混凝土筒体结构抗侧移刚度大，且具有多道抗震设防体系，虽然框架—核心筒结构会产生较大的顶点侧移，其结构的剪力滞后效应比较显著，但相对来说筒体具有较强的抵抗水平荷载的能力。值得注意的是关于结构抗震方面的理论仍不完善，考虑的地震影响因素并不完全，在抗震性能方面依然需要进一步的研究。

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