框架—核心筒结构筒体平面尺寸限值研究

论文摘要

钢筋混凝土框架-核心筒结构是目前高层建筑中广泛采用的一种结构形式,而钢筋混凝土核心筒体作为高层以及超高层建筑中主要的抗侧力构件,有着举足轻重的作用。一方面筒体具有较大的抗侧向刚度,地震、风荷载作用时,对结构侧向位移具有很好的控制作用,并且能避免结构在柱上产生塑性铰,形成薄弱层;另一方面,尤其在结构上部楼层部位,筒体与延性框架相互作用,可以起到明显的能量消耗作用。尽管此种结构具有多种优点,但对于钢筋混凝土核心筒体的研究,特别是复杂受力状况下筒体破坏机理、构件强度、刚度和延性的匹配、抗震性能等方面的研究还很不透彻。我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称“高规”）,对于不同类型的结构规定了最大适用高度、筒体宽高比等一系列规定,但由于历史性原因其中部分条文是依据经验制定。其中《高规》9.2.1中规定:“核心筒宽度不宜小于筒体高度的1/12”。而基于我国按烈度区分的抗震设防措施,《高规》这种笼统的不区分的做法显然过于粗糙。为此,本文根据烈度差异,对不同筒体宽高比模型进行弹性及非线性动力反应分析,并最终给出按烈度划分的筒体宽高比建议取值。在上述分析研究背景下,本文完成了下列研究工作:①严格按照我国规范要求设计了6度区到8度区随烈度变化的不同筒体宽高比的19个框架-核心筒结构。基于弹性分析理论应用ETABS软件对以上多个模型进行了弹性阶段内力及变形分析。对结构各组成部分的反应状况进行了较细致的分析整理,并按照本文思路对不同烈度不同筒体宽高比取值问题进行深入分析。②对基于弹性分析确定的各比例模型进行多条地震动（5+1、4+1）罕遇地震水准下的拟三维非线性动力反应分析。对各部件变形状况、内力组成以及出铰、耗能等情况进行了识别;与此同时,根据上述结论对结构延性需求进行了评价,并最终确定了对基于弹性分析所确定的框架-核心筒结构大震下变形验算考察了所建议筒体宽高比合理性。通过以上分析验算得出了以下初步结论:①通过对不同烈度算例模型计算分析表明,低烈度区（6度）风荷载作用大于水平地震作用,对结构性能起主要控制作用;7度风荷载与水平地震作用相当,两者双控;8度水平地震作用以增大到6度的数倍,水平地震引起的反应已大幅超越风荷载作用起主要控制作用。②基于弹性分析结果表明:低烈度区（6度）水平荷载较小,相应结构侧向刚度较大,各模型层间位移角均较小,且较规范限值有较大幅度富余,而随筒体平面尺寸减小模型轴压比显著上升,部分构件轴压比已接近或超过规范限值,此时应重点控制轴压比等内力性指标;中等烈度区（7度）,层间位移角增加明显,其与轴压比作用均较突出,应对两者同时重点关注;较高烈度区（8度）水平地震作用已大幅增加,位移分析表明,层侧移及层间位移角均已接近或超过规范上限,相比内力而言应着重控制结构层间位移。④基于多波输入非线性动力反应分析结果表明,筒体尺寸减小后框架部分承担变形、内力有所增加,相应筒体连梁变形有所减缓。从出铰分布状况来看,框架所承担整体变形增加,塑性铰分布状况与部分研究认为墙体出铰严重框架不出铰保持弹性观点有些许差异。框架部分塑性变形均集中在梁端,且塑性发展不深需求在均1.2左右,而框架具有良好的延性能力及耗能储备,按本文研究一定程度上引导框架出铰,既遵循了规范要求框架作为第二道抗震设防防线的措施,又一定程度上减轻了剪力墙负担,充分利用了两部分作用保证了结构整体性能。⑤在基于弹性及非线性动力反应分析基础上,综合考察了结构变形、结构内力分布及单个构件塑性发展特征状况等指标因素,从计算结果考察,对于本文所选择典型模型同类结构筒体宽高比限值可按本文计算结果取用,同时,如果实际工程中结构有额外加强筒体平面尺寸可以进一步放宽。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的与内容
• 2 钢筋混凝土框架-核心筒结构的动力分析模型
• 2.1 结构整体分析模型
• 2.1.1 按空间维度划分的结构整体分析模型
• 2.1.2 按构件类型划分的结构整体分析模型
• 2.2 杆件单元分析模型
• 2.2.1 梁、柱单元分析模型
• 2.2.2 剪力墙的非线性分析模型
• 2.3 非线性分析程序选用及参数确定
• 2.3.1 单元恢复力模型
• 2.3.2 IDARC 程序滞回曲线选用
• 3 基于弹性分析的框架-核心筒结构筒体平面尺寸限值研究
• 3.1 框架-核心筒受力机理
• 3.1.1 变形特征
• 3.1.2 内力特征
• 3.2 分析思路及算例设计
• 3.2.1 分析思路
• 3.2.2 算例设计
• 3.2.3 弹性分析程序选用
• 3.3 基于位移的筒体平面尺寸限值研究
• 3.3.1 6 度0.05g 层间位移角
• 3.3.2 7 度、8 度区层间位移角
• 3.4 基于内力的筒体平面尺寸限值研究
• 3.4.1 轴压比
• 3.4.2 水平剪力分配
• 3.4.3 倾覆弯矩对结构性能影响
• 3.4.4 墙率
• 3.5 本章小结
• 4 基于弹塑性分析的框架-核心筒结构筒体平面尺寸限值研究
• 4.1 时程分析方法及参数选取
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 弹塑性动力分析的步骤
• 4.1.3 地震动输入确定
• 4.1.4 材料强度取值
• 4.2 结构破坏准则
• 4.3 结构弹塑性反应分析
• 4.3.1 基于变形的结构弹塑性反应分析
• 4.3.2 基于内力的结构弹塑性反应分析
• 4.3.3 基于延性性能和损伤能力评价
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本论文主要结论
• 5.2 存在的工作和后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 弹性层间位移、层间位移角、剪力分布
• 附录B 罕遇地震下层侧移及层间位移角分布
• 附录C 罕遇地震输入下顶点位移时程
• 附录D 罕遇地震下层剪力分布
• 附录E 罕遇地震下连梁端部剪力、弯矩分布
• 附录F 罕遇地震下剪力墙肢剪力、弯矩分布
• 附录G 罕遇地震下塑性铰分布
• 附录H 作者在攻读硕士学位期间发表的论文