钢筋混凝土核心筒结构抗震性能分析和设计方法研究

杜勇

（中国十九冶集团有限公司勘察设计公司，四川 成都 611730）

随着社会经济与科技水平稳步提高，超高层建筑数量增多，工程建设期间的钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒混合结构抗震性能已然成为社会关注的重点。为确保编制出的设计方案能够使核心筒结构抗震性能与设计目标相符，需要采用更加先进科学的设计方式，明确钢筋混凝土核心筒结构细节与参数数值，使设计方案能够为钢筋混凝土核心筒结构后期施工提供重要理论依据。

1 钢筋混凝土核心筒结构抗震性能理论研究

1.1 钢筋混凝土核心筒结构形式

现阶段我国钢结构年产量逐步增加，预计到2023年将达到13000千万t。与传统单一结构相比，钢筋混凝土使用性能更高，可进一步提升建筑工程的稳定性，控制工程后期维护成本。由于钢结构自身高度较小、抗侧移性能较弱，在增加支撑系统或减震系统后，会在地震或强风的作用下产生较大摇摆，难以满足高层建筑用户舒适度要求。同时，钢结构自身的防火以及防腐蚀性能不高，在将其用在建筑工程中，需要与混凝土共同组成钢管混凝土、钢筋混凝土等复合结构。

钢筋混凝土核心筒结构由两种不同性能的材料构成，被使用在组合楼板、组合梁、组合柱中，可进一步提升结构承载力。由于两种材料共同受力，能够传递变形作用，保障建筑结构完整。

1.2 钢筋混凝土核心筒结构特征

钢筋混凝土核心筒位于建筑平面布置中心，包括电梯井道、楼梯、通风井及电缆井，与外部框架共同形成外框内筒结构形式，以钢筋混凝土材料为主。钢筋混凝土核心筒结构是当前超高层建筑中的主流结构形式之一，可以切实提升建筑内部空间利用率，使其他辅助性服务空间功能集聚在一起，为主功能空间提供最佳采光位置。

钢筋混凝土核心筒结构主要分为束筒空腹式与钢筋混凝土剪力墙下实腹式核心筒两种类型。在该结构实际使用期间，混凝土筒心肩负起抵抗建筑整体水平侧力的重要职责。由于钢结构及混凝土材料存在较大性能差异，两种构件的截面差距较大，可进一步提升建筑整体承载力。核心筒内部钢框架需要承担最大的竖向荷载与小部分水平荷载，在高层或超高层建筑工程中，钢框架承担的水平荷载比重更小，相应的柱体截面被控制在合理范围之内，进一步扩大了建筑工程内部的可利用空间。

经过实际调查研究发现，过于注重提升钢筋混凝土核心筒刚度，弱化钢框架结构体系，会导致建筑结构整体难以承担起强震作用。在地震工况下，钢框架结构需要承担的水平荷载将进一步增大，严重则会超过钢框架设计承载能力，导致建筑倾斜甚至倒塌的问题出现。下图1为钢筋混凝土核心筒结构。

图1 钢筋混凝土核心筒结构

2 钢筋混凝土核心筒结构受力

在高层或超高层建筑结构设计期间，不仅需要使用单一框架、剪力墙结构，还应当设计出合理的核心筒、筒中筒等结构形式。在部分地震灾害频发地区，为确保建筑工程能够更好抵御地震作用，还应当配合使用双重或多重抗侧力体系结构形式。具体而言，设置第一道结构体系承载地震力。在地震力不断增大情况下，结构体系变形作用增大，构件变形程度不断累加。为确保建筑结构体系内部的塑性内力分布更加合理，需要采用第二或第三道结构体系承载地震作用。

钢筋混凝土核心筒属于多重防线结构体系，其内部核心筒主要由剪力墙组成，可以有效提升建筑工程的整体性能和抗侧力刚度。核心筒外围主要是框架柱，可以在地震作用下与内部核心筒结构协同受力，保障建筑总体结构的稳定性。

在不同连接形式下，钢筋混凝土核心筒结构也可分为刚接框架核心筒、铰接框架核心筒两种类型。其中，铰接框架核心筒主要被应用在以钢结构为主的水平梁连接过程中，通过将铰接点与混凝土紧密连接在一起，增强建筑承载力。在此种结构体系下，建筑节点难以承担弯矩，无法在水平力作用下提供抗弯刚度，致使建筑柱脚应力较为集中；钢筋框架核心筒主要作用是将楼面梁与外围框架柱的核心筒整浇在一起，形成刚接节点，以更好承担起框架柱与核心筒之间的框架变形差异，切实提升建筑结构整体侧向承载力。

在钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构中，核心筒与框架结构刚度差异较大，外围框架成为抗震第二防线，使框架结构的承载力与高层建筑混凝土设计规范、建筑抗震设计要求相符。不仅如此，在钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构设计期间，需要保证外围框架柱的截面尺寸适宜，增强框架柱的刚度，并使用适宜的设计方式提高核心筒墙体的延性。

3 钢管混凝土框架——钢筋混凝土核心筒结构设计参数

本文以某市一建筑工程为例，分析该建筑工程结构构件尺寸，制定出专项合理的钢筋混凝土核心筒抗震性能设计目标，确保后期抗震设计的计算工作能够高效高质开展。

3.1 工程概况

建筑工程占地总面积共71250m2，共41层，属于高层建筑形式。从功能上划分，建筑主要分为交易场所、办公场所以及酒店场所三部分。依照当地颁布的建筑结构荷载规范，发现当地计算位移基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为A类。场地设计年限50年，超越概率为63%，水平向地震峰值加速度为43cm/s2。经实地勘察发现，建筑工程地震动峰值加速度是当前设计规范的1.2倍，因此需要在实际验算过程中，采用多遇地震验算方式，地震作用参数取抗震设计规范值。

3.2 工程抗震结构材料与平面布局

该建筑工程整体抗震设防烈度为7度，结构形式为钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒。为充分发挥混凝土及钢材的使用性能，柱体结构需要采用矩形钢管混凝土柱，核心筒的外梁应当为钢梁，内部应当为混凝土梁，楼面整体采用压型钢板现浇混凝土组合楼板。

在钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒抗震性能设计过程中，由于建筑结构整体为竖向不规则形式，因此需要采用更加精确的设计手段，确保建筑抗震性能能够满足相关标准，使建筑内部的墙肢在设防烈度下的整体抗剪承载力符合中震弹性指数。

4 钢筋混凝土核心筒结构抗震设计方式

4.1 静力弹塑性分析设计方式

借助静力弹塑性分析方式设计钢筋混凝土核心筒结构，确保建筑在多遇地震下的弹性设计更加合理，总结出潜在破坏机制，发现并加固核心筒内部存在的薄弱点。

在使用静力弹塑性分析设计手段时，需要假设地震反应能够受第一振型控制。使用相应设计软件，沿结构高度施加水平作用力，并将其加至结构目标处。获得目标位以下结构的基底剪力，绘制出相应的能量曲线。在同一坐标系中同时绘制能量曲线与需求曲线，将两曲线的交点作为特定作用下结构承载力与变形性能点。

与其他设计手段相比，该设计方式可以更为直观的找到钢筋混凝土核心筒薄弱部位，如最大层间位移、结构变性较大或塑性反应突出部位，从根本上提升核心筒设计方案的合理性及可行性。

4.2 动力弹塑性设计方式

动力弹塑性设计方式主要是计算出钢筋混凝土核心筒结构在地震波持续加长的情况下，结构对应地震加速度的结构弹塑性反应。有效运用此种设计方式，能够充分考虑到不同因素对结构抗震性能的影响，如地震幅度、频率特征、持续时长等，是当前分析地震波对钢筋混凝土核心筒结构弹塑性反应的主要方式。在该设计方式使用期间，需要配合使用三维结构非线性分析与性能评估软件，对结构变形及强度限制状态进行非线性分析，使钢筋混凝土核心筒抗震性能能够得到精准评估。

5 结语

总而言之，在钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构抗震性能设计过程中，需严格遵循国家及有关部门针对钢筋混凝土核心筒结构设计工作发布的规定，细致分析不同施工场地条件、结构类型特征、工程实际建设要求等因素，借助先进的有限元分析软件，对不同地震等级下钢筋混凝土核心筒结构的状态进行细致评估，确保所制定出的钢筋混凝土核心筒结构设计方案既能满足建筑功能需求，又能提升建筑工程整体稳定性，在延长工程全生命周期中发挥出重要作用。