鋼框架—混凝土核心筒結構的抗震設計

關鍵詞：鋼框架－混凝土核心筒、抗震設計、強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件。

　　1 工程簡介

　　某工程，地上主體25層，地下2層，主體高度96米。工程所在地地震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，場地類別Ⅲ類。

　　2 結構形式

　　①根據建筑的平面功能，接合結構受力特性，以及經濟、工期等因素，本工程采用鋼框架－砼核心筒結構。

　　②鋼框架－混凝土核心筒結構設計主要控制指標與混凝土結構、鋼結構的比較見表一。

　　說明 抗震設防烈度7度，多遇地震下計算。

　　3 結構計算

　　根據《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ99-98)，結構的作用效應可采用彈性方法計算。抗震設防的結構除進行地震作用下的彈性效應計算外，尚應計算結構在罕遇地震作用下進入彈塑性狀態(tài)時的變形。因此，本工程采用兩介段設計法。第一階段為多遇地震作用下的彈生分析，驗算構件的承載力、穩(wěn)定性及結構的層間位移；第二階段為罕遇地震作用下的彈塑性分析，驗算結構的層間位移和層間延性

　　比，找出結構的薄弱層位置，防止在水平地震作用下，由于局部先形成破壞機構，引起結構整體失效。

　�、龠M行結構的作用效應計算時，遵循樓面在其自身平面內為絕對剛性的假定。

　　②在進行結構彈性分析時，考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作，梁的剛度根據具體情況可取鋼梁剛度的1.5－2倍；在進行結構彈塑性分析時，不考慮樓板與鋼梁的共同工作。

　�、劭拐鹪O計時，鋼框架一砼核心筒結構各層框架柱所承擔的地震剪力不應小于結構底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小值。因為在鋼框架一砼核心筒結構中，砼核心筒承擔了絕大部分的地震力，鋼筋混凝土抗震墻的彈性極限變形值很小，約為1/3000，在達到規(guī)范規(guī)定的變形時，鋼筋混凝土抗震墻已開裂，此時鋼框架尚處于彈性階段，地震力在抗震墻和鋼框架之間實行再分配，鋼框架承受的地震力增加，而鋼框架作為主要的承重構件，它的破壞和豎向承載力的降低，將危及房屋的安全，因此對鋼框架承

　　受的地震力作更嚴的要求。

　　④本工程結構分別采用《高層建筑空間有限元分析與設計軟件SATWE》和《ETABS中文版》進行計算，主要結果見附表二。

　　說明 地震剪力與地震傾覆力矩均為嵌固端的。

　　計算控制的各項指標均滿足規(guī)范要求。

　　4 結構抗震設計及構造

　　4.1 混凝土核心筒的抗震設計

　　根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第11.2.19條，本工程鋼框架一砼核心筒結構的砼核心筒抗震等級為一級，按特一級采取抗震構造措施。若為相同規(guī)模的鋼筋混凝土框架一核心筒，則核心筒抗震等級為二級，按一級采取抗震構造措施。這是因為在鋼框架一砼核心筒結構中，砼核心筒承擔更大的地震力和地震傾覆荷載，抗震措施相應提高。

　　4.2 鋼框架的抗震設計

　　多高層鋼結構房屋與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣遵守。

　　強柱弱梁、強剪弱彎和強節(jié)點弱構件的抗震設計基本原則，而現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》和《高規(guī)》未完全貫徹這一基本設計準則，在設計中應根據具體情況采取相應措施。

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　　根據《抗震規(guī)范》第8.2.5條，鋼框架梁、柱節(jié)點應滿足下式要求：

　　∑Wpc(fyc－N/Ac)≥η∑Wphfyb(4－1)

　　式中η－強柱系數，超過6層的鋼框架，6度Ⅳ類場地和7度時可取1.0，8度時可取1.05，9度時可取1.15。

　　而根據《抗震規(guī)范》第6.2.2條，鋼筋混凝土梁、柱節(jié)點應滿足下式要求：

　　∑Ec≥ηc∑Mh(4－2)

　　式中ηc—柱端彎矩增大系數，一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1。

　　對比(4－1)式和(4－2)式，對于相同規(guī)模的鋼框架和鋼筋混凝土框架，鋼框架的強柱系數均低于鋼筋混凝土框架，設計上應根據情況予以加強。因此，鋼框架雖不分抗震等級，應根據抗震設防烈度提高和考慮強柱系數n，建議：6度和7度時取1.1，8度時取1.2，9度時取1.4。本工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，IⅡ類場地，強柱系數n

　　取為1.15。

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　　《抗震規(guī)范》第6.2.4條，鋼筋混凝土框架粱應滿足下式要求：

　　V=ηvb(Mb1+Mbr)／1b+VGb(4－3)

　　式中ηvb為粱端剪力增大系數，抗震等級一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1。

　　《抗震規(guī)范》第6.2.5條，鋼筋混凝土框架柱應滿足下式要求：

　　V=ηvc(Mcb+Mcr)/Hn(4－4)

　　式中ηvc為柱剪力增大系數，抗震等級一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1。

　　《抗震規(guī)范》未對鋼框架強剪作具體要求，彈性設計時分別按下式計算梁、柱剪力：

　　V=(Mb1+Mbr)／1n+VGb(4－5)

　　V=(Mcb+Mcr)/Hn(4－6)

　　對比(4－3)、(4－4)和(4－5)、(4－6)式，可知《抗震規(guī)范》對于鋼框架基本未考慮強剪，對于鋼筋混凝土框架考慮了強剪，強剪系數為1.1～1.4。因此在設計鋼框架時，應根據抗震設防烈度、場地類別、

　　結構類型及規(guī)模等適當提高強剪系數。

　�、蹚姽�(jié)點弱構件

　　《抗震規(guī)范》主要從構造和計算兩方面采取相應加強措施，來實現(xiàn)鋼框架的強節(jié)點弱構件，詳見《抗震規(guī)范》第8.2.8條規(guī)定。

　　5 結語

　�、黉摽蚣芤豁藕诵耐步Y構體系能夠充分利用鋼結構和凝土結構各自的特長，具有施工速度快、成本低、自重輕、節(jié)省建筑面積等

　　諸多優(yōu)點。

　�、诂F(xiàn)行《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》對于鋼框架一砼核心筒結構中鋼結構抗震設計的規(guī)定，有部分不是非常明確，在設計中應予以重視，根據具體情況采取相應加強措施。

　　參考文獻

　　[1]《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ99－98)

　　[2]《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011－2001)