柱网参数对框架核心筒结构抗震性能的影响

张星 邹仁华 陈诚

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054)

柱网参数对框架核心筒结构抗震性能的影响

张星 邹仁华 陈诚

(西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054)

为了探究不同柱网尺寸对框架核心筒结构静力弹塑性能的影响，对某一高度为93.6 m的框架核心筒模型进行了静力弹塑性分析，研究了在不同柱网参数下，该框架核心筒结构的受力情况，并且基于所得出的研究数据，给出了优化建议，同时分析了该框架核心筒结构的基底剪力与顶点侧移曲线、极限层间位移角、塑性铰分布以及地震倾覆力矩，探究了采用不同柱网参数时，其抗震性能的差异。

框架核心筒结构，柱网参数，静力弹塑性分析，抗震性能

框架核心筒，是外围由梁和柱构成的框架结构，而中间为筒体结构的一种受力体系。目前，国内外有许多著名的建筑物或构筑物都采用这一结构形式，如纽约世贸中心、上海太平金融大厦等。

框架核心筒结构因其内部空间分割灵活，整体稳定性好，合理的结构设计可以达到良好的抗震性能，故而成为高层建筑常用的结构形式之一［1］。由于影响框架核心筒结构受力性能的因素众多，为了使高层建筑框架核心筒结构具有更好的建筑功能和受力性能，设计者们一直在探索如何改变相关参量，从而使该结构的相关性能或经济技术指标得以最优化。之前学者的研究主要集中在层高、连梁跨高比、核心筒布置、支撑形式等变化时结构受力性能的差异情况［2-5］，而对柱网参数变化对结构抗震性能的影响研究较少。本文利用由中科院编制的PKPM软件，对不同柱网参数下框架核心筒结构三维模型进行了静力弹塑性分析。

1 有限元模型

本文建立了5个框架核心筒结构三维模型。模型层高均为3.9 m，层数为24层，建筑总高度为93.6 m，核心筒尺寸为15m× 15 m，核心筒外墙与外框架柱间的中距为10 m。5个模型采用不同的柱网参数，外框架柱距分别为8.75 m，7 m，5 m，4.375 m，3.5 m，梁、柱截面尺寸依次随柱距的减小而等比例地减小，分别为400 mm×800 mm～150 mm×300 mm以及1 500 mm× 1 500 mm～600 mm×600 mm之间不等。场地类别为I0类，场地土特征周期为0.2 s，抗震设防烈度为7度(0.1g)，柱和剪力墙混凝土强度等级为C50，梁为C40，纵向钢筋选用HRB400，箍筋为HRB335，核心筒厚度为800 mm。各模型结构的主要参数见表1。

表1 各模型性能参数

2 静力弹塑性分析

通过对不同柱网参数下的5个模型进行静力弹塑性分析，分别从基底剪力与顶点侧移曲线、极限层间位移角以及塑性铰分布等三个方面对其作出对比，得出相关结论。

2.1 基底剪力与顶点位移对比分析

图1为5个模型在倒三角形侧向力分布模式下的基底剪力与顶点位移曲线图。在结构未发生屈服时的弹性阶段，各模型的P—Δ曲线基本相同且都呈线性增长;当结构逐渐进入塑性屈服阶段时，5个模型的P—Δ曲线呈现出一些差异:在相同的基底剪力下，随着外框架柱距的减小，顶点侧移逐渐增大，结构的刚度随之减小。由图1可以看出，在同一基底剪力作用下，当采用模型1 (即外框架柱距为8.75 m)时，结构的顶点侧移量最小，此时结构的总体刚度最大;当采用模型5(即外框架柱距为3.5 m)时，结构的顶点侧移量最大，此时结构的总体刚度最小。

图1 基底剪力—顶点位移关系曲线

2.2 层间变形对比分析

图2显示了各模型层间位移角的分布情况。从图中可以看出，5个模型的曲线基本重合，层间位移角的分布也近似相同。在总层数的1/3(即8层)以下时，随着层数的增加，层间位移角以较快的趋势逐渐增大;而当超过8层之后，层间位移角就不再有较大幅度地增长，而是稳定在一个较为固定的值附近，甚至在更高处还有微小的下降趋势。由此可见，柱网尺寸的差异并未对结构的层间位移角造成显著的影响。

图2 结构层间位移角曲线

2.3 塑性铰分布发展规律对比分析

图3为推覆过程完成后，各模型在最终阶段时的塑性铰分布情况。5个模型最初的塑性铰都产生于核心筒中部，之后逐渐向下部和上部延伸。随后，外框架梁端也逐渐开始出现塑性铰，最初分布于上半部分楼层(即12层～24层之间)附近，之后逐渐向下半部分楼层扩散，在此期间核心筒中的塑性铰仍在继续发展。当到达某一极限时，结构最终发生破坏。

图3 各模型最终状态时的塑性铰分布

在外框架刚刚出现塑性铰时，此时模型1的核心筒部分塑性铰最少，随着柱距的减小而逐渐增加，模型5的核心筒部分塑性铰最多;在最终破坏状态时，模型1整体的塑性铰数量最少，同样随着柱距的减小而逐渐增加，模型5整体的塑性铰数量最多，因此可以最大限度地耗散地震作用的能量。

2.4 底层框架柱地震倾覆力矩对比分析

分别对以上5个模型进行SATWE分析，从所得出的结果文件易知，当采用不同的柱网参数时，在规定水平地震力作用下，框架核心筒结构底层柱的倾覆力矩相差甚远。随着柱距增加、柱截面尺寸增大，其地震倾覆力矩显著减小，地震倾覆力矩百分比亦逐渐减小。具体计算结果见表2。

表2 各模型底层框架柱地震倾覆力矩及其百分比

3 结语

1)在一定范围内，框架核心筒结构当采用大柱距及大梁柱截面(即大柱网尺寸)时，结构的总体刚度较大;当采用小柱距及小梁柱截面(即小柱网尺寸)时，结构的总体刚度较小。2)柱网尺寸的大小对结构的层间位移角无显著影响。3)相较于大柱网尺寸，结构在小柱网尺寸下，外框架和核心筒的塑性铰都可以得到更为充分地发展，因此具有较大的延性，耗能效果也更好。4)在相同的地震力作用下，大柱网的底层柱X，Y双向地震倾覆力矩较小，倾覆力矩百分比亦较小;而小柱网的底层柱X，Y双向地震倾覆力矩较大，倾覆力矩百分比亦较大，且呈现出规律的增长之势。5)在实际设计中，设计者应在满足相关规范要求的基础上，综合考虑安全、适用、经济及美观等因素，最终选定一个较为理想的柱网参数。

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The column parameters’effects on seism ic performance of frame core tube structure

Zhang Xing Zou Renhua Chen Cheng

(College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Based on the analysis of the static elastic-plastic performance of a 93.6-meter-high frame core tube structure，structural behaviors in different column parameters were studied in this article，in order to research the different effects on static elastic-plastic performances of a frame core tube structure when different column parameters are adopted，and an optimized suggestion was given basing on the result.By analyzing the frame core tube’s base shear-top story drift curves，ultimate story-drift angle，distribution of plastic hinge and seismic overturningmomentwith different column parameters，the seismic performance of the structure was discussed.

frame core tube structure，column parameters，static elastic-plastic analysis，seismic performance

TU973.23

A

1009-6825(2015)29-0036-02

2015-08-09

张 星(1991-)，男，在读硕士; 邹仁华(1970-)，男，副教授; 陈 诚(1989-)，男，在读硕士