2024年3月12日发(作者：)
第３９卷增刊２
２０
哈尔滨工业大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ
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ＶＯＬ３９
０，年８月
ＩＮＳ唧７ｔｉＥ
ＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｓｕｐ．２
Ａｕｇ．２００７
钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构抗震性能分析
屠永清，涂远星，张贵林
（北京航空航天大学土木工程系，北京１０００８３）
摘要：钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构就是采用钢梁、钢管混凝土柱、钢筋混凝土核心筒的结构．因
其具有自重轻、构件截面尺寸小、能提供足够抗侧移刚度和造价低的优点，在我国高层建筑中得到了广泛应
用．以一典型的平立面较为规则的钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构为例，采用推覆分析（ｐｕｓｈ—ｏｖｅｒ）方
法对其在罕遇地震下的抗震性能进行了分析．结果表明：这种典型的钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构具
有良好的延性和耗能能力；混凝土核心筒进入弹塑性状态后，钢管混凝土框架可以承担由于内力重分配增大
的地震力，能够有效地起到第二道防线的作用；结构满足“大震不倒”的设防要求，规范对钢框架一混凝土核
心筒结构的剪力调整也适合于钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构．
关键词：钢管混凝土框架；混凝土核心筒；抗震性能；推覆分析
文章编号：０３６７—６２３４（２００７）增刊２—０５５４—０４
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钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构就是框
架梁采用钢梁、框架柱采用钢管混凝土柱、核心筒
混凝土混合结构的一种在我国高层建筑中得到了
广泛应用．
采用钢筋混凝土的结构．与传统的纯钢筋混凝土
结构相比，它具有减轻结构自重、减小构件截面尺
寸的优点；与传统的纯钢结构相比，它具有可提供
足够的抗侧移刚度、显著减低结构造价的优点，因
此钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构作为钢一
然而目前对钢管混凝土的研究多基于构件层
次，而对整个结构的研究相对较少［１］，尤其对钢
管混凝土框架一混凝土核心筒结构的研究还未见
相关文献．因此有必要对该类结构抗震性能进行
研究，尤其是大震作用下核心筒刚度退化后钢框
增刊２
屠永清，等：钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构抗震性能分析
．５５５．
架的工作性能．
本文以一典型的平立面较规则的钢管混凝土
框架一混凝土核心筒结构为例，采用Ｐｕｓｈ—ｏｖｅｒ
方法对其进行了罕遇地震下的抗震分析，并得出
一些有益结论．
１
结构模型的建立
根据规范要求并结合国内的工程实际，在考
。虑了多个实际工程共同特点的基础上，选取一建
筑高度在１２０ｍ左右，层数为３ｌ层的钢管混凝土
框架一混凝土核心筒结构作为研究对象．结构平
面尺寸及立面尺寸如图ｌ所示，楼梯间及相关功
ｌ
丝！鲤
Ｊ
Ｊ垫！四Ｊ
能房间均布置在核心筒内部，核心筒外墙厚度较
南北立面
求西立面
大，为主要的抗侧力构件，核心筒内部的墙体主要
起分隔作用，厚度较小．结构的最外侧为一圈钢管
图１结构平面尺寸、轴压比及立面图
混凝土柱，钢梁一端与钢管混凝土柱连接，另一端
与核心筒外墙连接．核心筒高度为１２０．９ｍ，宽度
平面构件即梁板的截面尺寸各层不变．对于
为１３．２ｍ，高宽比为９．２，核心筒剪力墙的最大厚
竖向构件，则底部截面较大且强度等级较高，往上
度为６００ｒａｍ，抗震设防烈度为８度（０．２９），主体分段减小．具体数据见表１和表２．
地上３０层，３ｌ层为出屋面的电、楼梯间，为了研
按现行规范对该结构进行了抗风验算，并采
究方便，未考虑地下各层．
用振型分解法进行了多遇地震下的验算，表明各
构件不但满足规范要求表２竖向构件截面信息
表１平面构件截面信息表
表而且应力比在０．８一Ｏ．９之间，各竖向构件的轴
层数
位置截面尺寸
材料规格
压比如图１．
１—３０层边梁Ｈ６００×４００×１６×２２
Ｑ２３５
与核心筒角部连接梁Ｈ６００×４００×１６×２２
Ｑ２３５
表２竖向构件截面信息表
其它部位梁Ｈ５００
ｘ３００×１６
ｘ２０
Ｑ２３５
截面尺寸
材料规格
楼板１６０ｒａｍ板厚
Ｃ３０
层数
墙柱墙柱
外墙内墙外钢管外墙内墙外钢管内填混凝土
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第一，确定侧向荷载分布形式．本文采用美国
～
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应用技术委员会编制的《现有钢筋混凝土建筑的
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抗震性能评估和加固》（ＡＴＣ一４０）推荐的倒三角
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形的分布形式．
、
、
第二，逐渐增大侧向荷载至最薄弱的构件达
到刚度发生明显的变化，一般为构件达到屈服荷
载或达到极限承载力；对结构中“屈服”后的构件
刚度予以修正，针对修正后的计算模型，继续加大
侧向荷载，其分布形式不变．
第三，加载继续到结构性能达到不可接受的
・５５６・
哈尔滨工业大学学报
第３９卷
程度，或者层间位移超过规范规定的最大层间位
移．
第四，结构抗震能力的评估．建立两条相同基
准的谱线，一条是由荷载一位移曲线转化来的承
载能力谱线，另一条是由加速度反应谱转化来的
ＡＤＲＳ谱，考虑结构弹塑性的影响，对弹性ＡＤＲＳ
谱进行折减，再把两条曲线放在同一个图上，两曲
线的交点定为目标位移或结构抗震性能点．
３计算模型的建立
采用Ａｎｓｙｓ软件进行结构的弹塑性计算．钢
梁采用梁单元ｂｅａｍｌ８８，对钢管混凝土柱同样也
采用ｂｅａｍｌ８８单元，将外钢管与核心混凝土各取
一个梁单元，外钢管和核心混凝土具有相同的节
点、不同的单元、不同的截面属性和材料属性．楼
板假定平面内刚度无限大．
为避免单元数目过多，在整体结构分析时，核
心筒结构采用壳单元ｓｈｅｌｌｌ８１．为提高计算精度，
采用等效的处理方法，根据刚度等效原则，分别采
用壳单元和实体单元建立单独筒体模型，对壳单
元的材料参数进行调整，使其在相同的侧向力作
用下产生相同的位移．在利用实体单元分析时，采
用体积配筋率考虑核心筒中分布钢筋的作用，采
用分离式配筋考虑核心筒暗柱纵筋．
３
结构耗能能力分析
３．１结构的位移延性比
根据能量等效原理将计算出的总ｘ向基底
剪力Ｐ与顶点位移△的关系曲线转化为理想的
弹塑性变形曲线（要求Ａ１＝Ａ２），再根据转化后
的结果计算出位移延性系数恤等于１０２／３２＝
３．１８（如图２），说明该结构有着良好的延性性能．
（ｘ１０１ｍｌ瑚
图２位移延性比曲线
图３结构各阶段耗能能力
３．２结构各阶段耗能能力比较
结构在其弹性阶段的耗能能力ｓｌ与弹塑性
阶段的耗能能力Ｓ２的关系如图３，￥２／Ｓ１＝３１．２，
说明是通过结构进人弹塑性阶段来耗能的．
４
结构目标性能点对应的状态分析
将基底剪力一顶点位移曲线及规范给出的
．ｓ。一丁谱均转化为标准的Ｓ。一Ｓ。谱，并对弹性谱
进行相应的折减．求得目标性能点坐标为
（０．４７２，０．１４７），经反推可得对应的基底剪力及
顶点位移为ｋ＝４４２０００ＫＮ，Ｄ。＝７４１ｍｍ，如
图４．
×
ｃ；５ｎ加
８
６
４
２
０
２
４
６
８
１０１２
１４（温．幻
图４目标性有点的确定
该结构目标性能点对应的各层层间相对位移
见图５，最大层间位移为２８ｍｍ，最大层问位移角
为２８／３９００＝１／１３９，满足“大震不倒”的抗震设防
要求．
到达目标性能点时，核心筒进入了比较大的
弹塑性状态，开裂较严重．此时钢管混凝土柱承担
了更多的地震剪力，部分钢管混凝土柱也进入了
弹塑性状态，而且底部的钢管混凝土柱还处在较
大的轴压力作用下．结构的耗能能力主要是通过
混凝土核心筒进入弹塑性实现，而钢管混凝土框
增刊２
屠永清，等：钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构抗震性能分析
架部分起的作用较小．
在目标性能点处结构中钢管混凝土框架和混
凝土核心筒分担的ｘ向剪力见表３．由下表可知，
在罕遇地震作用下，由于混凝土核心筒的刚度下
降，钢管混凝土柱分担的剪力比例增大，其分担的
底部总剪力达到８．８８％，而且越往上，其分担的
剪力比例越大．说明钢管混凝土框架部分可以起
到有效的二道防线作用，能够承担由于混凝土刚
度下降内力重分配增加的内力．
由于多遇地震下基底总剪力为１５６１８．５ＫＮ，
其值的２５％为３９０４ＫＮ，而１．８倍的钢管混凝土
框架部分最大剪力为１７９６．４ＫＮ，故按规范Ｈ１要
求调整后各层框架剪力取为１７９６．４ＫＮ，相当于基
底总剪力的１１．５％．罕遇地震作用下，各层框架
承受的地震剪力与多遇地震作用下的总剪力的比
值见图６．由图可知，罕遇地震作用下，钢管混凝
土框架分担的剪力将增加较多，在结构的中部剪
力增加最多，其值达到弹性阶段设计剪力的３３％
左右，而底部为２０％左右，顶部为２８％左右．罕遇
地震作用下，底部框架分担的剪力为３９３７．２６ＫＮ，
增大了２倍多．且在此种状态下结构的层间位移
能够满足“大震不倒”的抗震设防要求，并且其延
性与耗能能力良好的，故根据本文计算结果可以
认为规范［４］对钢框架一混凝土核心筒结构的剪
力调整也适合于钢管混凝土框架一混凝土核心筒
结构．
表３Ｘ向柱、轴分担剪
３
３
牛
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冬
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辜
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卢
．≯
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０１０２０３０４０
图５Ｘ向各层层问位移
图６罕遇地震各柱剪力与多遇地震基底总剪力比值
结
语
在罕遇地震作用下，典型的平立面较规则的钢
管混凝土框架一混凝土核心筒结构有着良好的延
性和耗能能力，混凝土核心筒起着主要的耗能作
用．混凝土核心筒进入弹塑性状态，外钢管混凝土
框架承担了更多的地震剪力，而此时钢管混凝土框
架进入弹塑性状态的部位较少且满足“大震不倒”
的设防要求，说明其可以承担由于内力重分配增大
的地震力，能够起到有效的二道防线的作用．规范
［４］对钢框架一混凝土核心筒结构的剪力调整也
适合于钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构．
参考文献：
［１］钟善桐．高层钢管混凝土结构［Ｍ］．北京：清华大学
出版社，２００３．
［２］叶燎原，潘文．结构静力弹塑性分析（ｐｕｓｈ—ｏｖｅｒ）的原理
和计算实例［Ｊ］．建筑结构学报，２０００，２１（Ｉ）：３７—４３．
［３］杨溥，李东，李英民等．抗震结构静力弹塑性分析
（ｐｕｓｈ—ＯＶａｌ＂）方法的研究进展［Ｊ］．重庆建筑大学学
报，２０００，２２（Ｓ１）：８８—９２．
［４］ＪＧＪ３—２００２，高层建筑混凝土结构技术规程［Ｓ］．北
京，中国计划出版社。２００２．
５
钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析
作者：
作者单位：
屠永清， 涂远星， 张贵林
北京航空航天大学土木工程系,北京 100083
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向变形差时内力分析的首选方案；一次加载方式不适合用于高层混合结构内力分析；近似模拟施工方法可有条件地用于结构竖向变形和内力的计算,对于层数较高的混合结构应复
核连接柱筒之间的框架梁近墙端的抗剪承载力和跨中的抗弯承载力。
此外,论文研究了混凝土的徐变、收缩、建筑物室内外温差等因素对结构竖向变形的影响。针对现有研究都未考虑水平荷载的现状,首次将水平荷载与竖向荷载组合,利用有限
元分析软件SAP2000,在精确模拟施工计算方法下,计算了考虑以上因素的结构竖向变形量、竖向变形差以及框架梁的附加内力,计算结果表明,弹性压缩、徐变收缩及结构温度差对
结构的竖向变形、变形差和附加内力均有各自的影响特点：
(1)考虑弹性压缩以及混凝土收缩徐变时,结构竖向变形、变形差、附加内力都随楼层增加先增后减；考虑变形差后,框架梁近柱端剪力和弯矩减小了,近墙端剪力和跨中弯矩增
大了。
(2)考虑温度因素后,结构的竖向变形差发生了很大变化,由此引起梁附加内力也发生了较大变化,对框架梁内力的调整作用更加明显。
(3)考虑水平荷载组合后,结构竖向变形差变化很小,附加内力对框架梁内力的调整作用仍然较大,尤其是对近墙端剪力和跨中弯矩的影响较大。
本文在对结构变形差及附加内力分析的基础上,从材料、结构设计和施工三方面着手,对竖向变形差的控制措施进行探讨并提出了一些相关建议。
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下载时间：2011年2月15日
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