钢框架—混凝土核心筒结构的抗震设计

关键词：钢框架－混凝土核心筒、抗震设计、强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。

　　1 工程简介

　　某工程，地上主体25层，地下2层，主体高度96米。工程所在地地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，场地类别Ⅲ类。

　　2 结构形式

　　①根据建筑的平面功能，接合结构受力特性，以及经济、工期等因素，本工程采用钢框架－砼核心筒结构。

　　②钢框架－混凝土核心筒结构设计主要控制指标与混凝土结构、钢结构的比较见表一。

　　说明 抗震设防烈度7度，多遇地震下计算。

　　3 结构计算

　　根据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98)，结构的作用效应可采用弹性方法计算。抗震设防的结构除进行地震作用下的弹性效应计算外，尚应计算结构在罕遇地震作用下进入弹塑性状态时的变形。因此，本工程采用两介段设计法。第一阶段为多遇地震作用下的弹生分析，验算构件的承载力、稳定性及结构的层间位移；第二阶段为罕遇地震作用下的弹塑性分析，验算结构的层间位移和层间延性

　　比，找出结构的薄弱层位置，防止在水平地震作用下，由于局部先形成破坏机构，引起结构整体失效。

　　①进行结构的作用效应计算时，遵循楼面在其自身平面内为绝对刚性的假定。

　　②在进行结构弹性分析时，考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作，梁的刚度根据具体情况可取钢梁刚度的1.5－2倍；在进行结构弹塑性分析时，不考虑楼板与钢梁的共同工作。

　　③抗震设计时，钢框架一砼核心筒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。因为在钢框架一砼核心筒结构中，砼核心筒承担了绝大部分的地震力，钢筋混凝土抗震墙的弹性极限变形值很小，约为1/3000，在达到规范规定的变形时，钢筋混凝土抗震墙已开裂，此时钢框架尚处于弹性阶段，地震力在抗震墙和钢框架之间实行再分配，钢框架承受的地震力增加，而钢框架作为主要的承重构件，它的破坏和竖向承载力的降低，将危及房屋的安全，因此对钢框架承

　　受的地震力作更严的要求。

　　④本工程结构分别采用《高层建筑空间有限元分析与设计软件SATWE》和《ETABS中文版》进行计算，主要结果见附表二。

　　说明 地震剪力与地震倾覆力矩均为嵌固端的。

　　计算控制的各项指标均满足规范要求。

　　4 结构抗震设计及构造

　　4.1 混凝土核心筒的抗震设计

　　根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第11.2.19条，本工程钢框架一砼核心筒结构的砼核心筒抗震等级为一级，按特一级采取抗震构造措施。若为相同规模的钢筋混凝土框架一核心筒，则核心筒抗震等级为二级，按一级采取抗震构造措施。这是因为在钢框架一砼核心筒结构中，砼核心筒承担更大的地震力和地震倾覆荷载，抗震措施相应提高。

　　4.2 钢框架的抗震设计

　　多高层钢结构房屋与钢筋混凝土房屋一样，同样遵守。

　　强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件的抗震设计基本原则，而现行《建筑抗震设计规范》和《高规》未完全贯彻这一基本设计准则，在设计中应根据具体情况采取相应措施。

　　①强柱弱梁

　　根据《抗震规范》第8.2.5条，钢框架梁、柱节点应满足下式要求：

　　∑Wpc(fyc－N/Ac)≥η∑Wphfyb(4－1)

　　式中η－强柱系数，超过6层的钢框架，6度Ⅳ类场地和7度时可取1.0，8度时可取1.05，9度时可取1.15。

　　而根据《抗震规范》第6.2.2条，钢筋混凝土梁、柱节点应满足下式要求：

　　∑Ec≥ηc∑Mh(4－2)

　　式中ηc—柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。

　　对比(4－1)式和(4－2)式，对于相同规模的钢框架和钢筋混凝土框架，钢框架的强柱系数均低于钢筋混凝土框架，设计上应根据情况予以加强。因此，钢框架虽不分抗震等级，应根据抗震设防烈度提高和考虑强柱系数n，建议：6度和7度时取1.1，8度时取1.2，9度时取1.4。本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，IⅡ类场地，强柱系数n

　　取为1.15。

　　②强剪弱弯

　　《抗震规范》第6.2.4条，钢筋混凝土框架粱应满足下式要求：

　　V=ηvb(Mb1+Mbr)／1b+VGb(4－3)

　　式中ηvb为粱端剪力增大系数，抗震等级一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1。

　　《抗震规范》第6.2.5条，钢筋混凝土框架柱应满足下式要求：

　　V=ηvc(Mcb+Mcr)/Hn(4－4)

　　式中ηvc为柱剪力增大系数，抗震等级一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。

　　《抗震规范》未对钢框架强剪作具体要求，弹性设计时分别按下式计算梁、柱剪力：

　　V=(Mb1+Mbr)／1n+VGb(4－5)

　　V=(Mcb+Mcr)/Hn(4－6)

　　对比(4－3)、(4－4)和(4－5)、(4－6)式，可知《抗震规范》对于钢框架基本未考虑强剪，对于钢筋混凝土框架考虑了强剪，强剪系数为1.1～1.4。因此在设计钢框架时，应根据抗震设防烈度、场地类别、

　　结构类型及规模等适当提高强剪系数。

　　③强节点弱构件

　　《抗震规范》主要从构造和计算两方面采取相应加强措施，来实现钢框架的强节点弱构件，详见《抗震规范》第8.2.8条规定。

　　5 结语

　　①钢框架一砼核心筒结构体系能够充分利用钢结构和凝土结构各自的特长，具有施工速度快、成本低、自重轻、节省建筑面积等

　　诸多优点。

　　②现行《抗震规范》和《高规》对于钢框架一砼核心筒结构中钢结构抗震设计的规定，有部分不是非常明确，在设计中应予以重视，根据具体情况采取相应加强措施。

　　参考文献

　　[1]《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99－98)

　　[2]《建筑抗震设计规范》(GB50011－2001)