The Influence of Coupling Beam's Damage to the Double Earthquake Fortification Lines of Frame-core Wall System and Its Seismic Performance
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摘要: 通过案例分析，讨论了框架－核心筒结构体系在地震中连梁能否有效发生破坏耗能对双重抗震防线、以及对整体结构抗震性能的影响规律。结果显示，连梁对整体结构抗震性能影响非常关键，其刚度退化是导致地震力降低的主要因素；外框柱在芯筒发生严重破坏之前和之后承载能力均较难有效发挥，其阻止芯筒发生严重破坏的效果很弱；在双重防线设计中，可将重点放在芯筒本身二道防线的设计，从而弥补在芯筒和外框柱之间双重防线的设计困难和不足。Abstract: According to the cases, the influence law of coupling beam's damage to the double earthquake fortification lines of frame-core wall system and its seismic performance is discussed.The results show that the coupling beam's damage is a major factor in reducing seismic forces, and the external columns are difficult to give full play to the seismic capacity before and after the core wall's severe damage.In the double earthquake fortification lines' design work, more attention should be paid on the core wall's double earthquake fortification lines, thus, it can make up the deficiency of outer frame.
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1. 引言
框架-核心筒(框架-剪力墙)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(剪力墙)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，不少国家抗震规范都给出框架承担剪力之量化规定，以便于采用线弹性分析的设计方法。美国International building code 2000[1]中提出，在框架-核心筒(框架-剪力墙)结构中，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》(JGJ3-2002)[2]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)[3]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%。而实际设计当中大部分超高层框-筒结构很难满足该规定，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。而大量的超高层结构弹塑性分析结果表明，罕遇地震下外框柱的性能通常较好，并且不少工程外框柱甚至处于弹性，损坏主要出现在核心筒当中。若能通过适当的措施保证芯筒具有良好的抗震性能(承载能力和延性)，对整体结构的抗震能力是更为有利的。因此可将设计的重点放在保证芯筒的性能上。而芯筒本身也应具有良好的双重防线，第一道防线为连梁，第二道为墙肢。良好的设计应使地震中连梁首先发生破坏耗能，降低地震力，避免主要墙肢的严重破坏。本文将通过工程案例研究连梁能否有效破坏对核心筒墙肢性能以及外框剪力分担比例的影响规律。
2. 案例介绍
地震作用中，连梁应具备良好的耗能作用，连梁发生破坏可以有效保护主体墙肢。因此在抗震设计中经常将连梁作为第一道抗震防线。一般认为连梁破坏后会使得地震力降低，主要原因有两个：一是连梁破坏后芯筒整体刚度下降，结构周期变长；二是连梁的塑性变形及损伤会直接产生耗能效果，相当于结构等效阻尼增加。本部分将从连梁破坏和外框剪力比例变化的角度出发，讨论其相互影响的一般规律。以某超高层框架－核心筒结构为蓝本，进行适当简化和变换，得到的基本结构分析模型参数如下：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。
基本构件截面：
1~20层：柱1 500×1 500, 墙体800mm混凝±C60
21~40层：柱1 200×1 200, 墙体600mm混凝±C50
41~50层：柱1 000×1 000, 墙体400mm混凝±C40
框架梁：600×900mm
楼板：120mm，C30
3. 等效弹性静力分析中连梁刚度的影响
首先从简单的弹性等效静力出发，大致观察连梁对整体刚度及内外剪力、倾覆力矩分配的影响，由于是静力分析，因此仅讨论连梁刚度的影响，而忽略耗能(阻尼增加)的因素影响。
由表 1可以看出，将连梁删除后，结构周期从3.576s增加至7.883s，若考虑总质量不变的情况下，大约相当于总侧向刚度降低为原来的1/4。
表 1 基本周期对比表模型情况 基本周期(s) 有连梁 3.576 无连梁 7.883 从外框剪力分配的比例来看，由于原模型在底部即存在比例突变，在删去连梁后，底部外框剪力比例有一定程度增加，但幅度不大；除底层外，上部最大比例楼层变化显著，从原来的8%增加到40%以上。
对于外框倾覆力矩，也有非常显著的变化，以底层为例，删除连梁后，外框倾覆力矩从30%增加至95%；并且2层以上大部分楼层超过100%。说明此时将由外框承担绝大部分倾覆弯矩。
以上说明连梁对芯筒保持整体刚度发挥着非常关键的作用，移除连梁后各墙肢之间失去整体抗弯(倾覆)能力，独立墙肢各自的抗弯刚度之和与原来整体抗弯刚度相比要小很多。剪力分配比例的大小由内外相对抗侧刚度的大小决定，内筒抗侧刚度原来占到90%以上，当降低到原来1/4时，外框的刚度比例约为25%~30%，说明芯筒在分担地震力方面的贡献仍然大于外框柱。
4. 弹塑性分析中连梁破坏耗能的影响
前面通过等效弹性静力方法初步分析了连梁刚度的极端情况，而实际地震中连梁的刚度不可能降低为0，通常只有部分折减。因此本部分通过实际的动力弹塑性分析来讨论连梁刚度退化对内外刚度变化的影响。
本部分的分析对比主要采用五个模型的计算结果：1、全楼弹性模型；2、全楼弹塑性模型；3、仅连梁考虑弹塑性的模型；4、仅连梁考虑弹性的模型；5、仅连梁和外框柱设为弹性的模型。通过这五个模型的详细分析比较，可以比较全面地了解连梁对超高层框－筒结构整体性能及抗震防线的影响。主要的比较的参数有总地震力、结构变形、内外剪力分配比例以及结构和构件的破坏情况。
分析结果如下：
(1) 地震力的对比
如表 2，从不同模型得到的总地震力来看，考虑全楼弹塑性地震力最小，约降为完全弹性的56%；若仅假定连梁发生破坏，其它均保持弹性，则总地震力也有很大程度的降低，约为完全弹性的65%，说明连梁破坏后导致动力特性的改变以及增加的耗能能力可以实现较大程度的降低地震作用；反之将连梁设为弹性，或连梁与外框柱设为弹性，主要考虑墙肢破坏时，也能得到较大程度的地震力降低，此时约降为弹性的69%，但这种情况将是以墙肢本身的严重破坏为代价的。
表 2 不同模型工况最大地震力和变形对比表模型 描述 最大
变形（m）与弹性
比值最大地震
剪力（kN）与弹性
比值1 全部弹性 0.665 1.000 154 707 1.000 2 整体弹塑性 0.586 0.882 87 301 0.564 3 仅连梁弹塑性 0.640 0.962 99 514 0.643 4 仅连梁弹性 0.964 1.450 106 219 0.687 5 连梁和外框柱弹性 0.707 1.064 106 322 0.687 (2) 水平变形的比较
从地震中结构的最大水平变形以及变形的时程曲线来看，不同情况的弹塑性模型与弹性模型相比，最大变形可能降低也可能增大。模型1、2、3、5的整体侧向变形较为稳定，表现为在平衡位置两侧往复振动；而模型4在10s以后整体结构出现了沿一个方向的较大变形，且无法回到原始竖直位置，说明该模型工况下结构整体出现了严重破坏，无法在地震中保持完全直立状态，达到或接近倒塌状态。进一步表明，仅将连梁设为弹性的情况是最为不利的，连梁不能发挥耗能作用，而导致主体结构发生严重破坏。而同时将连梁和外框柱设为弹性时，尽管墙肢发生严重破坏，但外框柱的能力可以无限发挥，保证了结构在后续地震中变形稳定。
(3) 外框柱剪力比例对比
图 4-图 7给出了模型2-模型5分别与模型1(纯弹性)外框剪力比例及绝对量值的对比情况。对于模型3，仅将连梁设为弹塑性的情况，由于在连梁发生较严重破坏后，核心筒的刚度大幅度降低，外框相对刚度提高，因此外框剪力比例与纯弹性相比，几乎所有楼层都有提高，其中30层以下提高幅度更为明显，最大提高幅度超过100%。从绝对地震剪力来看，与弹性相比，尽管总地震力降低较多，但部分楼层外框分担的实际剪力反而上升(主要在30层以下)。对于仅假定连梁为弹性的模型4，仅在底层出现外框柱的剪力比例和绝对值有显著提高，其它楼层反而减小，这是由于该模型中核心筒墙肢首先在底层出现严重破坏，刚度丧失严重，很大一部分地震力转移给外框柱，同时底层的严重破坏相当于在底部形成隔震层，地震力无法进一步向上传递，一层以上的芯筒和外框刚度几乎没有明显的退化。模型5与模型4的趋势类似，仅由于模型5同时将外框柱设为了弹性，在其刚度不能退化的情况下，底层分担了更大比例的地震力。
(4) 破坏形态的比较
模型2连梁发生显著破坏，主体墙肢在底部局部有较严重破坏，其它楼层性能良好，外框柱混凝土刚度没有出现受压退化。模型3由于仅假定连梁为弹塑性，因此实际中连梁也发生了预期的严重破坏。模型4连梁刚度无法退化，导致主体墙肢在底层出现沿整个横断面的贯通型严重破坏，而芯筒底层破坏后地震力转移给外框，底层外框柱也无法承担，大部分出现了严重损坏。底层破坏后，上部墙体和柱子不再有明显破坏。模型5尽管将外框柱也设为弹性，但仍然无法阻止芯筒墙肢的严重贯通破坏。
5. 结论
通过案例对比分析研究得到以下结论：
连梁对整体结构抗震性能影响非常关键，其刚度退化是导致地震力降低的主要因素；外框柱在芯筒发生严重破坏之前和之后承载能力均较难有效发挥，其阻止芯筒发生严重破坏的效果很弱；在双重防线设计中，可将重点放在芯筒本身二道防线的设计，从而弥补在芯筒和外框柱之间双重防线的设计困难和不足。
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表 2 不同模型工况最大地震力和变形对比表
模型 描述 最大
变形（m）与弹性
比值最大地震
剪力（kN）与弹性
比值1 全部弹性 0.665 1.000 154 707 1.000 2 整体弹塑性 0.586 0.882 87 301 0.564 3 仅连梁弹塑性 0.640 0.962 99 514 0.643 4 仅连梁弹性 0.964 1.450 106 219 0.687 5 连梁和外框柱弹性 0.707 1.064 106 322 0.687 
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[1] 2000 International Building Code[S].International Code Council.IBC-2000.
[2] JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S], 北京: 中国建筑工业出版社, 2002. [3] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010. [4] 黄忠海, 廖云, 李志山等. 朱江新城J2-5地块框架-核心筒超高层结构的罕遇地震弹塑性时程分析[J]. 结构工程师2009年4月. [5] 田淑明, 聂建国, 尚志海等. 钢管混凝土框架-混凝土核心筒混合结构弹塑性分析[J]. 建筑结构2010年2月. [6] 李国强, 周向明, 丁翔. 高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究[J]. 建筑结构学报. 2001年4月.
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