高层框筒结构抗展性能分析方法研究
发布时间：2019-01-05 点击：
发布：中国论文期刊网
第 1 章 高层建筑结构发展及分析方法概况
1.1 高层建筑结构的起源和发展
1.1.1 世界高层建筑结构的起源和发展
目前，对高层建筑的划定，国内外并无一致的规定，我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的规定是：不少于 10 层的房屋建筑为高层建筑[1]。高层建筑的产生得益于社会和经济的发展进步，是伴随着新技术、新结构和新材料而产生的。
现代高层建筑起源于 19 世纪中后期的美国纽约和芝加哥，由美国人 Jenney 设计的家庭保险大楼（Home Insurance Building），因其达到了 11 层而被认为是世界上第一幢高层建筑[2]。自此直至 20 世纪中期，以美国为典型代表的西方国家进入了高层建筑的发展时期，这一时期的高层建筑以钢结构为主，以曾经保持世界最高建筑记录长达 40 余年的帝国大厦为主要代表。直到 1903 年，16 层、113m 高的Ingalls 大楼在美国辛辛那提建成，世界上才首次出现了钢筋混凝土高层建筑。随着高强混凝土和其他新材料、新技术的产生和发展，国外高层建筑迎来了发展繁荣期，这一时期一直持续到上世纪 90 年代初，更多更高的建筑在世界范围内迅速产生和发展，并推动了钢—混凝土构件和钢—混凝土结构的发展。建筑向高空发展是城市化进程中人口剧增，地价暴涨的必然结果，但随之而来的问题是高层建筑的昂贵造价和资源浪费。直到 1965 年，美国的 Falur Rahman Khan 博士发明了筒体结构体系，这一结构体系的革命，摆脱了此前人们仅用钢结构框架营造各种建筑的束缚，大大节省了钢材资源。Khan 博士这种筒体结构体系具体包括框筒、桁架筒和束筒结构，不同的结构体系适用于不同高度的建筑。
相比于传统的框架结构，筒体结构具有三大明显的区别和优势：
筒体结构作为空间抗水平力结构，当遭遇风荷载或地震荷载时，所有结构都将参与受力，具有协同工作能力，而框架结构中只有平行于水平作用方向的构件参与受力，正交方向的构件不能发挥抗侧力作用。
建筑结构外围是受力最显著的地方，框架-核心筒结构充分利用此点，将建筑材料尽量布置于结构外围，大大减少了材料的浪费，而框架结构却是在平面内均匀分布的。
筒体结构可以提供很大的无柱空间，而且空间的分割和布置比较灵活，而框架结构却很难实现高层大空间的要求。
由于筒体结构以上的优势，自其产生之初，便得到了广泛的应用。世界上第一个框筒结构是 Khan 设计的 Dewitt-Chestnut 公寓大楼，采用钢筋混凝土结构；第一个钢筋混凝土桁架筒是 Khan 设计的芝加哥 Onterie Center 办公大楼，结构共 59层、174m 高，周边采用密间距小截面的外柱，桁架筒承担风荷载。该结构充分利用场地条件的同时降低了建筑造价，是 Khan 经典的也是最后的设计作品。世界上第一个筒中筒结构是芝加哥的 Brunswick，共 38 层。世界上第一个束筒结构是当今世界最高的钢结构建筑——美国希尔斯大厦（Sears），110 层，443m 高，同样也是 Khan 的设计作品。筒体结构的发展也推动了结构设计的创新，近数十年来，在筒体结构的基础上，人们又采用如组合结构、高强混凝土结构和钢管混凝土结构等进行结构设计，经典高层作品不断出现更新[3]。
1.1.2 我国高层建筑结构的发展
20 世纪 70 年代以前，我国的高层建筑数量很少，发展很慢，直到 1976 年北京前门工程的落成才开启了我国高层建筑快速发展的进程[2]。70-90 年代，是我国高层建筑的迅速发展期，由于该时期我国缺乏对高层结构的设计施工经验，大部分高层由国外设计施工。自 90 年代中期，我国高层建筑广泛快速发展起来，持续至今未衰，发展势头未见趋缓。目前，世界上超过 250m 的高层建筑数量，中国居首。其中包括金茂大厦，高 420 m；上海环球金融中心，高 492 m；武汉绿地中心，高 606 m；上海中心，高 632 m，深圳平安国际金融中心，高 648 m。
此外，还有一批正在规划中的超高层建筑，如湖南长沙天空之城，建成后高838m。我国已建和在建的高层结构普遍采用高强混凝土、高强钢筋的混合结构，且基本为框架-核心筒体系。工程实例证明，采用框架-核心筒体系，并配以钢骨柱、钢骨墙和周边支撑将使建筑的高度更高，经济更加合理。框架-核心筒结构体系空间受力合理，建筑材料利用充分，是高层建筑结构的首选，对高层框筒建筑结构的优化设计和抗震性能进一步研究具有重大的现实意义。
1.1.3 框筒结构抗震性能研究的必要性
我国处于环太平洋板块和亚欧板块之间，地壳运动活跃，因而地震活动频繁且强烈，造成了极大的地震灾害损失。据统计[4]，仅 20 世纪，我国发生 7 级以上地震 100 余次，世界占比 10%，8.5 级以上特大地震 2 次，世界占比 50%；因地震死亡人数多达 61 万，世界占比 36%，居世界首位，世界范围内共发生 3 次死亡人数超过 10 万的毁灭性地震，其中有两次发生在中国。地震造成的巨大破坏作用，直接或间接地由建筑物破坏倒塌导致，随着中国城市化进程的发展，城市规模扩大，城市人口密度剧增，建筑结构的高度不断提高，破坏性地震带来的损失更是灾难性的，1920 年的海原地震、1976 年的唐山地震、2008 年的汶川地震以及 2010年的玉树地震足以说明。受力合理，抗震性能良好的建筑能够显著地减少强震对城市的破坏作用，框架-核心筒是一种良好得结构体系，它使得建筑向高层、超高层发展，一方面可以解决城市发展中面临的城市用地紧张的问题，另一方面也为工程抗震提出了巨大挑战，研究框筒结构的抗震性能十分必要。
1.2 结构抗震设计理论
1.2.1 静力理论阶段
建筑抗震静力理论源于 20 世纪初的日本[5]，代表人物有大森房吉、佐野利器和真岛健三郎。静力理论不考虑结构的的动力特性，假定地震力水平作用于刚性结构的质心位置，且大小等于结构质量与某一比例系数的乘积。该设计理论虽在多方面作了极大的简化，但对建筑抗震理论的发展具有巨大的推动作用，现阶段结构剪重比概念即为该时期震度法的体现。
1.2.2 反应谱理论阶段
反应谱指的是单自由度体系在地震波作用下，位移、速度以及加速度等响应最大值与其自振周期之间的关系[6]。反应谱理论将反应谱与结构振型分解法相结合，计算结构各振型下内力并以一定的方法进行振型组合，从而得到结构总的内力值。通过这种方法，可以很简单地求出复杂多自由度体系的地震反应。随着对结构理论的深入研究，人们又相继提出非线性反应谱和随机振动等理论，反应谱得到了不断的改进和完善，世界各国普遍采用反应谱理论进行抗震设计。
1.2.3 动力理论阶段
反应谱理论虽然简易可行，但对于受高阶振型影响显著的高层长周期结构的适用性欠缺研究，振型组合的方法尚待改进[7]。相比于反应谱理论，动力理论具有更高的准确性，适用于各种结构类型。动力法是指将选取的合适地震动加速度时程输入多自由度体系，计算分析结构在每一地震作用时刻的弹性或弹塑性反应，依此进行结构设计[8]。选择合适的地震动记录是保证动力法计算结果准确性的前提，确立准确的结构非线性恢复力模型是采用该法进行弹塑性分析的关键和难点[10]。
1.2.4 基于性能的抗震设计理论阶段
基于性能的抗震设计目的是使所营建的工程结构能够在预设水平的地震作用下，结构的反应或破坏满足期望的限度，同时节省投资成本，降低经济损失。该理论最早于 1997 年，由美国人 Bertero 提出。随后世界各国都积极对此进行了深入研究。我国 2016 年最新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[11]中的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防，两阶段抗震设计的的理念已经具有基于性能的结构设计思想，但并不完善。2016 年最新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）都明确将结构抗震性能设计纳入其中。相比于传统的抗震设计理论，该理论具有广泛的应用前景和价值。其主要的研究内容包括以下几点：
1.划定设防水准；
2.划分结构的性能水平；
3.选择合适的性能目标；
4.确定抗震设计的性能准则；
5.研究抗震性能的研究方法；
6.研究基于性能的抗震设计方法；
7.制定基于性能的抗震设计规范。
1.3 本文的研究内容
基于某高层框架-核心筒结构，采用 SATWE、SAP2000、Midas-Gen 和EPDA&PUSH 等多种空间模型分析软件，利用反应谱法、静力弹塑性分析法、动力弹性时程分析法和动力弹塑性时程分析法进行结构的设计和性能分析。校核了模型整体控制指标周期比、剪重比、层间受剪承载力之比、位移比、层间位移角、刚度比、刚重比和轴压比。探讨了四种不同侧向加载模式及 P-Δ效应对高层框筒结构静力弹塑性分析结果的影响；研究了增量动力时程分析在高层框筒结构中的应用与评估方法；选取了 100 条地震动时程记录，利用 SAP2000，分别对单自由度体系和高层框筒实际结构模型进行弹性动力时程分析，在考虑高阶振型影响的情况下，考察了 16 种地震动强度指标与结构响应的相关性，从工程实用角度出发，推荐采用 PGV 作为地震动强度指标，并提出了采用振型组合提高反应谱值地震动强度指标适用性的方法。
1.1 高层建筑结构的起源和发展
1.1.1 世界高层建筑结构的起源和发展
目前，对高层建筑的划定，国内外并无一致的规定，我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的规定是：不少于 10 层的房屋建筑为高层建筑[1]。高层建筑的产生得益于社会和经济的发展进步，是伴随着新技术、新结构和新材料而产生的。
现代高层建筑起源于 19 世纪中后期的美国纽约和芝加哥，由美国人 Jenney 设计的家庭保险大楼（Home Insurance Building），因其达到了 11 层而被认为是世界上第一幢高层建筑[2]。自此直至 20 世纪中期，以美国为典型代表的西方国家进入了高层建筑的发展时期，这一时期的高层建筑以钢结构为主，以曾经保持世界最高建筑记录长达 40 余年的帝国大厦为主要代表。直到 1903 年，16 层、113m 高的Ingalls 大楼在美国辛辛那提建成，世界上才首次出现了钢筋混凝土高层建筑。随着高强混凝土和其他新材料、新技术的产生和发展，国外高层建筑迎来了发展繁荣期，这一时期一直持续到上世纪 90 年代初，更多更高的建筑在世界范围内迅速产生和发展，并推动了钢—混凝土构件和钢—混凝土结构的发展。建筑向高空发展是城市化进程中人口剧增，地价暴涨的必然结果，但随之而来的问题是高层建筑的昂贵造价和资源浪费。直到 1965 年，美国的 Falur Rahman Khan 博士发明了筒体结构体系，这一结构体系的革命，摆脱了此前人们仅用钢结构框架营造各种建筑的束缚，大大节省了钢材资源。Khan 博士这种筒体结构体系具体包括框筒、桁架筒和束筒结构，不同的结构体系适用于不同高度的建筑。
相比于传统的框架结构，筒体结构具有三大明显的区别和优势：
筒体结构作为空间抗水平力结构，当遭遇风荷载或地震荷载时，所有结构都将参与受力，具有协同工作能力，而框架结构中只有平行于水平作用方向的构件参与受力，正交方向的构件不能发挥抗侧力作用。
建筑结构外围是受力最显著的地方，框架-核心筒结构充分利用此点，将建筑材料尽量布置于结构外围，大大减少了材料的浪费，而框架结构却是在平面内均匀分布的。
筒体结构可以提供很大的无柱空间，而且空间的分割和布置比较灵活，而框架结构却很难实现高层大空间的要求。
由于筒体结构以上的优势，自其产生之初，便得到了广泛的应用。世界上第一个框筒结构是 Khan 设计的 Dewitt-Chestnut 公寓大楼，采用钢筋混凝土结构；第一个钢筋混凝土桁架筒是 Khan 设计的芝加哥 Onterie Center 办公大楼，结构共 59层、174m 高，周边采用密间距小截面的外柱，桁架筒承担风荷载。该结构充分利用场地条件的同时降低了建筑造价，是 Khan 经典的也是最后的设计作品。世界上第一个筒中筒结构是芝加哥的 Brunswick，共 38 层。世界上第一个束筒结构是当今世界最高的钢结构建筑——美国希尔斯大厦（Sears），110 层，443m 高，同样也是 Khan 的设计作品。筒体结构的发展也推动了结构设计的创新，近数十年来，在筒体结构的基础上，人们又采用如组合结构、高强混凝土结构和钢管混凝土结构等进行结构设计，经典高层作品不断出现更新[3]。
1.1.2 我国高层建筑结构的发展
20 世纪 70 年代以前，我国的高层建筑数量很少，发展很慢，直到 1976 年北京前门工程的落成才开启了我国高层建筑快速发展的进程[2]。70-90 年代，是我国高层建筑的迅速发展期，由于该时期我国缺乏对高层结构的设计施工经验，大部分高层由国外设计施工。自 90 年代中期，我国高层建筑广泛快速发展起来，持续至今未衰，发展势头未见趋缓。目前，世界上超过 250m 的高层建筑数量，中国居首。其中包括金茂大厦，高 420 m；上海环球金融中心，高 492 m；武汉绿地中心，高 606 m；上海中心，高 632 m，深圳平安国际金融中心，高 648 m。
此外，还有一批正在规划中的超高层建筑，如湖南长沙天空之城，建成后高838m。我国已建和在建的高层结构普遍采用高强混凝土、高强钢筋的混合结构，且基本为框架-核心筒体系。工程实例证明，采用框架-核心筒体系，并配以钢骨柱、钢骨墙和周边支撑将使建筑的高度更高，经济更加合理。框架-核心筒结构体系空间受力合理，建筑材料利用充分，是高层建筑结构的首选，对高层框筒建筑结构的优化设计和抗震性能进一步研究具有重大的现实意义。
1.1.3 框筒结构抗震性能研究的必要性
我国处于环太平洋板块和亚欧板块之间，地壳运动活跃，因而地震活动频繁且强烈，造成了极大的地震灾害损失。据统计[4]，仅 20 世纪，我国发生 7 级以上地震 100 余次，世界占比 10%，8.5 级以上特大地震 2 次，世界占比 50%；因地震死亡人数多达 61 万，世界占比 36%，居世界首位，世界范围内共发生 3 次死亡人数超过 10 万的毁灭性地震，其中有两次发生在中国。地震造成的巨大破坏作用，直接或间接地由建筑物破坏倒塌导致，随着中国城市化进程的发展，城市规模扩大，城市人口密度剧增，建筑结构的高度不断提高，破坏性地震带来的损失更是灾难性的，1920 年的海原地震、1976 年的唐山地震、2008 年的汶川地震以及 2010年的玉树地震足以说明。受力合理，抗震性能良好的建筑能够显著地减少强震对城市的破坏作用，框架-核心筒是一种良好得结构体系，它使得建筑向高层、超高层发展，一方面可以解决城市发展中面临的城市用地紧张的问题，另一方面也为工程抗震提出了巨大挑战，研究框筒结构的抗震性能十分必要。
1.2 结构抗震设计理论
1.2.1 静力理论阶段
建筑抗震静力理论源于 20 世纪初的日本[5]，代表人物有大森房吉、佐野利器和真岛健三郎。静力理论不考虑结构的的动力特性，假定地震力水平作用于刚性结构的质心位置，且大小等于结构质量与某一比例系数的乘积。该设计理论虽在多方面作了极大的简化，但对建筑抗震理论的发展具有巨大的推动作用，现阶段结构剪重比概念即为该时期震度法的体现。
1.2.2 反应谱理论阶段
反应谱指的是单自由度体系在地震波作用下，位移、速度以及加速度等响应最大值与其自振周期之间的关系[6]。反应谱理论将反应谱与结构振型分解法相结合，计算结构各振型下内力并以一定的方法进行振型组合，从而得到结构总的内力值。通过这种方法，可以很简单地求出复杂多自由度体系的地震反应。随着对结构理论的深入研究，人们又相继提出非线性反应谱和随机振动等理论，反应谱得到了不断的改进和完善，世界各国普遍采用反应谱理论进行抗震设计。
1.2.3 动力理论阶段
反应谱理论虽然简易可行，但对于受高阶振型影响显著的高层长周期结构的适用性欠缺研究，振型组合的方法尚待改进[7]。相比于反应谱理论，动力理论具有更高的准确性，适用于各种结构类型。动力法是指将选取的合适地震动加速度时程输入多自由度体系，计算分析结构在每一地震作用时刻的弹性或弹塑性反应，依此进行结构设计[8]。选择合适的地震动记录是保证动力法计算结果准确性的前提，确立准确的结构非线性恢复力模型是采用该法进行弹塑性分析的关键和难点[10]。
1.2.4 基于性能的抗震设计理论阶段
基于性能的抗震设计目的是使所营建的工程结构能够在预设水平的地震作用下，结构的反应或破坏满足期望的限度，同时节省投资成本，降低经济损失。该理论最早于 1997 年，由美国人 Bertero 提出。随后世界各国都积极对此进行了深入研究。我国 2016 年最新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[11]中的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防，两阶段抗震设计的的理念已经具有基于性能的结构设计思想，但并不完善。2016 年最新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）都明确将结构抗震性能设计纳入其中。相比于传统的抗震设计理论，该理论具有广泛的应用前景和价值。其主要的研究内容包括以下几点：
1.划定设防水准；
2.划分结构的性能水平；
3.选择合适的性能目标；
4.确定抗震设计的性能准则；
5.研究抗震性能的研究方法；
6.研究基于性能的抗震设计方法；
7.制定基于性能的抗震设计规范。
1.3 本文的研究内容
基于某高层框架-核心筒结构，采用 SATWE、SAP2000、Midas-Gen 和EPDA&PUSH 等多种空间模型分析软件，利用反应谱法、静力弹塑性分析法、动力弹性时程分析法和动力弹塑性时程分析法进行结构的设计和性能分析。校核了模型整体控制指标周期比、剪重比、层间受剪承载力之比、位移比、层间位移角、刚度比、刚重比和轴压比。探讨了四种不同侧向加载模式及 P-Δ效应对高层框筒结构静力弹塑性分析结果的影响；研究了增量动力时程分析在高层框筒结构中的应用与评估方法；选取了 100 条地震动时程记录，利用 SAP2000，分别对单自由度体系和高层框筒实际结构模型进行弹性动力时程分析，在考虑高阶振型影响的情况下，考察了 16 种地震动强度指标与结构响应的相关性，从工程实用角度出发，推荐采用 PGV 作为地震动强度指标，并提出了采用振型组合提高反应谱值地震动强度指标适用性的方法。
