CN104712071B - 一种框架‑核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种框架‑核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，首先通过伪弹塑性大震分析法，即将框架‑核心筒结构的外框柱设为理想弹性，核心筒剪力墙按照实际的非线性材料参数设置并进行大震弹塑性分析，得到核心筒发生破坏后结构仍然保证直立的情况下外框柱的承载力需求，然后根据该承载力需求对外框柱进行设计，调整截面后再次进行伪弹塑性大震分析和柱设计，不断循环，直到外框柱截面不再发生变化，并将这个结果作为最终外框柱的设计结果。本发明可以保证最终设计得出的框架‑核心筒结构在罕遇地震下第一道防线发生严重破坏后，第二道防线具有足够的承载力和刚度确保结构不发生倒塌，最终实现双重抗震防线的目的。

Description

一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法

技术领域

本发明涉及建筑结构抗震防线的设计方法，具体涉及一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法。

背景技术

框架-核心筒结构体系是目前高层建筑最常用的一种双重抗侧力结构形式，该体系由框架和核心筒两个系统组成，并由它们协同工作来抵抗外力作用。为确保大震下多道防线，不少国家的抗震规范做出框架部分承担剪力的量化规定。美国Internationalbuilding code2000中提出，在框架-核心筒(框架-剪力墙)结构中，在地震作用下，当框架部分的设计层剪力不小于该层总剪力的25％时作为双重抗侧力体系。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)规定:“钢框架-钢筋混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25％和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。”《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第6.7.1条规定：框架-核心筒结构中，除加强层及其相邻上下层外，按框架-核心筒计算分析的框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部总地震剪力的10％。然而，实际设计中，大部分超高层框架-核心筒结构都不满足该规定，很多工程中框架承担的地震剪力仅为结构总剪力的4％-5％，与规范要求有较大差距，但是为了满足规范要求，必须不断加大构件截面尺寸，不仅使设计不合理，并且付出很大的经济成本。

另外，按刚度分配地震剪力比例的不合理之处在于，目前并没有理论依据可以明确给出这个限值应该是多少，也没有足够多的工程震害资料表明什么样的限值是合适的，只是从概念上设置一个限值，这就导致了设计人员和权威专家讨价还价的情况。实际上，限值定得高和定得低都不能绝对保证双重防线的安全，在这种情况下，寻找其它保证安全的更为明确、直接的方法和措施具有十分重大的意义。

如何通过合理设计确保框架-核心筒结构双重抗震防线在地震中的预期性能，成为当前业界讨论的热点。

目前结构的抗震设计，特别是超限高层的抗震设计，出现性能要求定得越来越高、设计越来越保守的趋势，这也导致对双重抗震体系实际抗震性能的认识出现问题。主要体现在两个方面：一是不少结构经过振动台试验或弹塑性分析，在大震下基本还保持弹性，由此判断结构抗震性能良好，认为达到双重抗侧力体系的设计目标，这是不科学的；二是对于一些混合结构，试验或分析结果显示大震下核心筒发生比较严重的损伤破坏，外框柱却几乎没有损坏，柱中钢筋(型钢)还处在弹性范围，而此前小震下外框柱分担的剪力比例又很低(刚刚满足最小剪力系数限值)，这种情况下简单地认为外框设计得太弱或太强也是片面的。

双重防线应以抗震安全为目标并同时兼顾经济适用，无限制追求安全系数既不科学也不现实，因此合理的双重防线破坏模式应为：小地震作用下，主要依靠核心筒(第一道防线)发挥作用；中大震作用时，允许核心筒首先发生一定程度破坏，伴随其破坏和刚度退化，外框柱的能力逐渐发挥，并且外框本身具有足够的延性和承载能力，在后续地震中不会发生严重破坏，能够和内筒一起抵抗地震作用，并保证内筒的破坏和侧向变形不会无限发展，最终实现整体结构不发生倒塌。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种框架-核心筒结构体系双重抗震防线的设计方法，通过采用一种伪弹塑性分析方法计算分析双重抗震防线中的第二道防线—外框柱需要具备的承载力，并据此对外框柱截面和配筋进行设计，解决目前片面控制外框柱按刚度分配地震剪力比例而实际二道防线作用仍无法完全保证的问题，最终使设计更为科学合理，安全节省。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，包括如下步骤：

S1首先得到基于框架-核心筒结构的建筑设计方案，并生成建筑三维模型，确定外框柱截面；

S2对建筑结构进行伪弹塑性大震分析：将建筑结构中作为的全部外框柱或部分外框柱设定为理想弹性，而建筑结构的其它构件设定为非线性材料参数并进行大震弹塑性分析；

需要说明的是，大震弹塑性分析是复杂建筑结构抗震设计中经常采用的一种非线性分析方法，一般是全部结构构件都设为非线性材料参数，而在本发明中的步骤S2中，是将全部外框柱或部分外框柱设定为理想弹性，而建筑结构的其它构件设定为非线性材料参数并进行大震弹塑性分析的，因此称之为伪大震弹塑性分析，也是本发明的核心部分。与理想弹性分析结果不同，在实际地震过程中，若核心筒发生明显破坏，整体刚度退化后，总的地震力降低，外框柱实际承担的地震力有可能提高也有可能降低，因此若进行理想弹性分析，采用弹性计算得到的内力结果进行外框柱设计是不能保证安全的。相反，若采用完全弹塑性分析，如果外框柱发生一定程度的损伤破坏，所得到的外框柱内力也是偏小的，即采用完全弹塑性分析的内力去进行构件截面和配筋设计从概念上也无法保证结构不发生破坏。因此线弹性分析和完全弹塑性分析的结果都不能作为外框柱设计的依据。要实现理想的双重抗震防线，应该满足在第一道防线出现严重破坏后，第二道防线能有效发挥作用，并且第二道防线不应有较严重的损坏，否则两道防线均严重破坏将导致结构倒塌风险加大。这就是将第二道防线设定为不发生破坏，即在计算机程序中设定为理想弹性，再进行大震弹塑性分析并由此得到第二道防线的承载力需求的根本原因。

S3根据分析结果以及规定的荷载组合得到核心筒发生破坏后建筑结构仍然能够保持直立状态时外框柱所需要具备的承载力；

S4根据步骤S3中得到的承载力需求对外框柱进行大震不屈服设计，得到调整后的外框柱截面和配筋率，并判断调整后的外框柱截面与调整前的外框柱截面相比是否有变化，如果无变化，则以本次调整所得结果作为最终设计，否则以本次调整所得结果为基础返回步骤S2。

需要说明的是，步骤S2中，被设定为理想弹性的建筑结构构件还可以包括部分框架梁。对于可以设定为理想弹性的部分外框柱或部分框架梁，主要是经专业人员判断确定对建筑结构安全影响较大的起关键作用的外框柱和框架梁。

需要说明的是，步骤S2中，在进行大震弹塑性分析后，如果建筑结构不满足直立状态则需要调整建筑结构的设计方案，如增大墙体或柱子的断面，并返回步骤S1。

需要说明的是，判断建筑结构是否保持直立状态的标准为建筑结构的最大层间位移角不大于预设标准值。

进一步需要说明的是，所述预设标准值为1/50。

需要说明的是，在步骤S2中，进行大震分析时，地震波根据规范参数要求和数量要求进行选择，地震波峰值则选取建筑结构场地和烈度要求的罕遇地震峰值。

本发明的有益效果在于：

1、无需限制外框柱按照刚度分配的地震剪力比例，使得设计不会陷入为了满足该比例限值而不合理增大柱子断面从而导致地震力增加的无限循环；

2、外框柱的承载力需求可以明确获得，做到有的放矢，定量设计，而不是需要人为规定一个没有依据的剪力比例系数使得结构的实际二道防线性能还有得不到控制的可能；

3、概念清晰，操作简单，且设计结果可控。

附图说明

图1为本发明实施流程图；

图2a和图2b分别为实施例中建筑结构三维图与平面图；

图3a和图3b分别为对采用常规设计方法所得的建筑结构进行大震弹塑性分析得到的核心筒损伤示意图和外框柱损伤示意图；

图4a和图4b分别为对采用本发明设计方法所得的建筑结构进行大震弹塑性分析得到的核心筒损伤示意图和外框柱损伤示意图；

图5为不同模型的楼层总剪力曲线；

图6为不同模型的外框剪力曲线；

图7为不同模型的外框剪力比例曲线；

图8为不同模型的顶部位移时程曲线；

图9为不同模型的底部总剪力时程曲线。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，所述框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法具体包括如下步骤：

S1首先得到基于框架-核心筒结构的建筑设计方案，并生成建筑结构三维模型，确定外框柱截面和配筋；

S2对建筑结构进行伪弹塑性大震分析：将建筑结构中作为的全部外框柱或部分外框柱设定为理想弹性，而建筑结构的其它构件设定为非线性材料参数并进行大震弹塑性分析；

S3根据步骤S2的分析结果和规定的荷载组合得到核心筒发生破坏的情况下建筑结构仍然能够保持直立状态时外框柱所需要具备的承载力；

S4根据步骤S3中得到的承载力需求对外框柱进行大震不屈服设计，得到调整后的外框柱截面和配筋率，并判断本次调整后的外框柱截面与调整前的外框柱截面相比是否有变化，如果无变化，则以本次调整所得结果作为最终设计，否则以本次调整所得结果为基础返回步骤S2。

需要说明的是，步骤S2中，被设定为理想弹性的建筑结构构件还可以包括部分框架梁。对于可以设定为理想弹性的部分外框柱或部分框架梁，主要是经专业人员判断确定对建筑结构安全影响较大的起关键作用的外框柱和框架梁。

需要说明的是，步骤S2中，进行大震弹塑性分析后，如果建筑结构不满足直立状态则需要调整建筑结构的设计方案，如增大墙体或柱子的断面，并返回步骤S1。

需要说明的是，判断建筑结构是否保持直立状态的标准为建筑结构的最大层间位移角不大于预设标准值。

进一步需要说明的是，所述预设标准值为1/50。

需要说明的是，在步骤S2中，进行大震分析时，地震波根据规范参数要求和数量要求进行选择，地震波峰值则选取建筑结构场地和烈度要求的罕遇地震峰值。

以下以某超高层框架－核心筒结构为蓝本，进行适当简化和变换，得到的原始基本结构分析模型，用于本发明的方法进行双重抗震防线设计，并论证最终设计的是否满足二道防线抗震要求。

原始基本结构分析模型的参数如下，如图2a和图2b所示：

总高200m，层高均为4.0m，共50层。外框平面尺寸为40m×40m，核心筒平面尺寸20m×20m。

(1)进行常规设计，得出各建筑构件截面尺寸和配筋

1～20层：柱1500×1500,墙体800mm，混凝土C60；

21～40层：柱1200×1200,墙体600mm，混凝土C50；

41～50层：柱1000×1000,墙体400mm，混凝土C40；

框架梁：600×900mm；

楼板：120mm，C30；

原设计外框柱配筋率平均在2.5％。

(2)对(1)中的原始结构设计进行常规罕遇地震弹塑性分析，判断原始结构设计的二道防线是否成立。

分析结果显示，如图3a和图3b、图5至图9所示，原始结构设计除底层以外，各层外框柱的剪力比例基本都在10％以内，在七度罕遇地震下，核心筒底部出现了较为严重的破坏，但外框柱仍然性能良好。最大层间位移角为1/182，满足要求。为了进一步发现问题，将地震力放大1.3倍，则核芯筒破坏程度进一步加重，并且外框柱在底部也出现严重破坏，最大层间位移角1/108，从顶部位移时程曲线看，建筑结构出现了偏向一侧的不可回复的变形，可认为结构接近倒塌。说明在该地震水平作用下，芯筒发生严重破坏后，外框柱承载能力不足，无法抵抗后续地震作用。

需要说明的是，图5至图9中的不同模型具体是指：

弹性——原始结构设计方案的全部构件均为弹性材料参数的模型；

外框弹性——原始结构设计方案中仅外框柱设为弹性材料，其它构件为非线性材料参数的模型；

弹塑性——原始结构设计方案的全部构件均设定为非线性材料参数的模型；

弹塑性1——使用本发明方法得到的最终设计的全部构件均设定为非线性材料参数的模型；

(3)进行伪弹塑性大震分析：将外框柱设定为理想弹性，而结构的其它构件设定为非线性材料参数，并大震弹塑性分析；

(4)根据分析结果以及规定的荷载组合得到核心筒发生破坏后建筑结构仍然能够保持直立状态时外框柱所需要具备的承载力；

(5)根据(4)中得出的承载力需求对外框柱进行大震不屈服设计，得到调整后的外框柱截面和配筋率。此时，外框柱截面与调整前的外框柱截面相比维持不变，配筋率从2.5％提高到6％。由于外框柱截面未发生变化，无需进行循环计算设计，可以以此设计作为最终设计。

(6)对最终设计进行完全弹塑性大震分析

如图4a和图4b、图5至图9所示，经过分析，对于最终设计，整体地震力基本维持不变，外框剪力的比例也变化不大，虽然核芯筒仍然破坏严重，但外框柱的性能得到明显改善，处于轻度损坏程度，整体变形稳定，没有出现不可回复的侧移。最大层间位移角为1/132，说明此方案的外框柱实现了第二道防线的作用。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1首先得到基于框架-核心筒结构的建筑设计方案，并生成建筑结构三维模型，确定外框柱截面和配筋；

S2对建筑结构进行伪弹塑性大震分析：将建筑结构中的全部外框柱或者部分外框柱设定为理想弹性，而建筑结构的其它构件设定为非线性材料参数并进行大震弹塑性分析；

S3根据步骤S2的分析结果和规定的荷载组合得到核心筒发生破坏的情况下建筑结构仍然能够保持直立状态时外框柱所需要具备的承载力；

S4根据步骤S3中得到的承载力需求对外框柱进行大震不屈服设计，得到调整后的外框柱截面和配筋率，并判断本次调整后的外框柱截面与调整前的外框柱截面相比是否有变化，如果无变化，则以本次调整所得结果作为最终设计，否则以本次调整所得结果为基础返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，步骤S2中，设定为理想弹性的构件还包括部分框架梁。

3.根据权利要求1所述的一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，步骤S2中，进行伪弹塑性大震分析后，如果建筑结构不满足直立状态则需要调整建筑结构设计方案，并返回步骤S1。

4.根据权利要求1或3所述的一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，判断建筑结构是否保持直立状态的标准为建筑结构的最大层间位移角不大于预设标准值。

5.根据权利要求4所述的一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，所述预设标准值为1/50。

6.根据权利要求1所述的一种框架-核心筒结构体系的双重抗震防线设计方法，其特征在于，在步骤S2中，进行大震弹塑性分析时，地震波根据规范参数要求和数量要求进行选择，地震波峰值则选取建筑结构场地和烈度要求的罕遇地震峰值。