框架-核心筒体系二道防线合理性研究（一） | 新论文：改变框架-核心筒结构剪力调整策略对其抗震性能影响的研究
工程力学，2019, 36(1): 183-191
简短摘要
“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃。”这条谚语告诉我们虽然人多力量大，但人多也会带来管理和协同问题。如果让两个稍瘦的和尚和一个壮实的和尚比赛挑水，谁挑得多不比比还真不好下定论。
我国的抗震设计理念中也有类似的问题。我国规范对框架-核心筒结构设计时的框架剪力做了相关的调整规定，初衷是为了保证双重抗侧力体系，也就是保证结构在地震下有两道防线。但是，随着技术的发展，此规定的适用性还需要进一步研究。也就是说：到底是框架和核心筒一起“挑水”（这里当然指抗震了）厉害，还是一个更加结实的核心筒“挑水”厉害？
本文就针对此问题，对比了中美规范的相关规定，并基于一400m级实际超高层建筑，设计了对比模型，让他两出来比比。比试结果表明：就本文研究的这栋超高层建筑来说，一个更加结实的核心筒胜出！
研究对象
加强剪力墙的方案（模型B）抗倒塌能力优于加强框架的方案（模型A）
研究背景
框架-核心筒结构体系是国内外超高层建筑的常用结构体系之一，由延性框架和核心筒两个系统组成，属于双重抗侧力体系。由于核心筒的抗侧刚度一般比框架大很多，地震作用下核心筒承担大部分底部总剪力，是抗震第一道防线；在中、大震作用下，核心筒剪力墙发生开裂，抗侧刚度下降，一部分地震剪力转移到框架上，整个结构体系内力重分布，框架此时成为抗震第二道防线。出于保证中、大震下抗震二道防线发挥作用的目的，不少国家的抗震规范都对框架-核心筒体系中框架所能承担的剪力做了量化规定。我国的《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)也对框架剪力调整方法做了规定，见表1。
但随着建筑高度的不断增加，对于超高层建筑结构，满足上述框架剪力分担比的规定会带来设计难度较大，技术经济指标较差等问题。实际设计当中，大部分超高层框架-核心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%。如果仍按照表1要求提高框架的设计剪力，则会大幅增加设计难度和框架部分的建造成本，且不能完全保证剪力调整后的超高层结构抗震性能优于原结构。因此，对于超高层建筑，我国《抗规》和《高规》对框架-核心筒结构框架剪力调整规定的合理性有待进一步研究。
表1 我国规范对框架-核心筒结构框架柱剪力的调整规定
中美规范对双重抗侧力体系的规定
以美国1961年UBC规范为参考，我国自1979年引进了美国双重抗侧力体系的概念，并对框架-核心筒结构每层框架应当承担的剪力设定了如表1的调整规定，一直沿用至今。对上述调整方法，《高规》认为：“实际工程中，由于外周框架柱的柱距过大、梁高过小，造成其刚度过低、核心筒刚度过高，结构底部剪力主要由核心筒承担。在强烈地震作用下，核心筒墙体可能损伤严重，经内力重分布后，外周框架会承担较大的地震作用，从而需要提高外周框架按弹性刚度分配得到的地震剪力”。另外，我国2015版《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中规定：超高的框架-核心筒结构，其混凝土内筒和外框之间的刚度宜有一个合适的比例，框架部分计算分配的楼层地震剪力，除底部个别楼层、加强层及其相邻上下层外，多数不低于基底剪力的8%且最大值不宜低于10%，最小值不宜低于5%。可以看出，我国规范认为若要实现框架-核心筒结构双重抗震防线，外周框架需要具有足够的刚度，当外周框架不满足刚度要求时需要加强框架承载能力。因此，我国规范对框架剪力调整的规定可总结为“刚度和强度综合控制”。
美国几本比较有影响力的规范，如UBC 1997，IBC 2000-2012，ASCE 7-05和ASCE 7-10等，对双重抗侧力体系也有相关的规定。Uniform Building Code, Volume 2, 1997规定：由剪力墙或支撑框架和受弯框架抵抗侧向荷载，受弯框架按照能独立承担至少25%的设计基底剪力进行强度设计。International Building Code 2000和2003版本规定：对于框架核心筒结构，地震作用下受弯框架部分的设计层剪力不小于该层总设计剪力的25%时作为双重抗侧力体系；当框架核心筒结构中的框架构件截面较小，框架承担的水平力小于25%总剪力时，只考虑剪力墙筒体独立承担水平荷载，以保证主体结构的安全。Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7-05，ASCE 7-10)规定：双重抗侧力体系中的受弯框架应能承担至少25%的设计地震作用，包括剪力、弯矩、轴力等。可以看出，ASCE 7-05和7-10版本基本沿用IBC 2000中的双重抗侧力体系概念，但将受弯框架承载力指标由设计层剪力扩大到设计地震作用。International Building Code 2006及其之后的版本沿用ASCE 7-05中对双重抗侧力体系的规定。在实际操作中，美国规范对双重抗侧力体系中的受弯框架一般有两种设计方法：(1) 将剪力墙或支撑框架忽略，将25%的基底总剪力以倒三角的分布模式施加到受弯框架上，框架将按由此计算得到的层剪力和按刚度分配计算的层剪力进行包络设计；(2) 对受弯框架按刚度分配计算得到的框架层剪力和整体计算得到的楼层剪力的25%进行包络设计。
超高层结构研究案例
为讨论超高层框架-核心筒结构中，外周框架与核心筒相对强弱对结构抗震性能和抗特大震倒塌性能的影响，本文以一栋400m级超高层建筑为例，改变其剪力调整策略，在原方案基础上削弱框架并将节省的材料用于增强核心筒而形成对比方案，并建立了相应的有限元模型。通过对原方案和对比方案进行弹塑性时程分析和倒塌分析，讨论改变其剪力调整策略后，超高层框架-核心筒结构抗震性能和抗倒塌性能的变化。
该超高层结构位于我国抗震设防6度区，场地特征周期为0.35s。主体结构地上88层，总高度为438m，为巨柱框架-核心筒-伸臂桁架结构体系，如图1。
图1 超高层结构三维示意图
该超高层结构设计时依据《抗规》和《高规》对框架剪力进行了调整，以此工程为基础，本研究欲改变其框架剪力调整策略，即削弱该超高层的外周框架并增强核心筒，这样形成的设计方案虽然不满足我国规范剪力调整要求，但是在实际工程中设计难度大大降低。因此，本研究在原设计方案基础(以下称为“模型A”)上，通过减小外围钢管混凝土巨柱的截面来削弱外周框架，并将节省的混凝土材料用于增加核心筒剪力墙外墙墙厚。另外，为保证整体结构用钢量基本不变，将削弱钢管混凝土巨柱而节省的钢材用于增加核心筒剪力墙配筋量，提高剪力墙配筋量的方式为均匀增加剪力墙外墙非边缘约束区域的配筋，由于剪力墙外墙墙厚也有所增加，调整后的外墙配筋率与原设计方案基本一致。经过不断尝试以保证整体结构材料用量、结构自振周期基本一致，且调整后的方案仍然满足我国规范对超高层框架-核心筒结构设计除框架剪力调整要求之外的其余相关规定，最终对比方案(以下称为“模型B”)的调整方案如表2所示。
表2 模型B的调整方案
更改设计后，对模型B的巨柱轴压比、连梁与剪力墙剪压比以及强柱弱梁等设计要求进行校核，发现模型B仍然满足我国规范要求。与模型A相比，模型B各个楼层框架剪力占底层总剪力的百分比相对减少，模型A各层框架剪力分担比基本位于5%~10%区间，而模型B大部分楼层的框架剪力分担比已低于5%。对模型B框架柱的抗剪承载力进行验算，发现模型B框架柱在较多楼层不满足0.2倍底部总剪力的要求。这说明：模型B不满足我国规范对框架-核心筒结构框架剪力调整的要求。
对两模型进行大震弹塑性时程分析。模型A与模型B大震下平均层间位移角对比如图2所示。可以看出，无论是考虑均值，还是考虑均值+标准差或者均值-标准差，两模型大震下平均层间位移角包络图整体分布趋势一致，最大层间位移角均值接近，均满足《高规》罕遇地震下1/100层间位移角的限值。总的来说，两模型的整体抗大震性能较好，均具有较高的安全储备，两模型在大震下的性能基本一致。可见，对于此超高层结构，削弱其框架而加强核心筒，虽然得到的新设计方案不满足我国规范框架剪力调整要求，但其大震下的抗震安全性与原设计方案相当。
图2 两模型大震下层间位移角包络图对比
“大震不倒”是建筑结构抗震设计的核心目标。尤其超高层建筑，一旦发生倒塌将造成极大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，本研究从抗倒塌角度出发，采用增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis, IDA)方法，对上述两模型进行倒塌易损性比较。两模型的倒塌易损性曲线如图3 所示。可以看出，与模型A相比，模型B的倒塌易损性曲线向右移动，即相同PGA下，模型B的倒塌概率更低，抗倒塌能力更强。模型A和模型B在50%倒塌概率下的PGA分别为1.48g和1.70g。
图3 两模型的倒塌易损性曲线对比
FEMA P695报告推荐采用抗倒塌安全储备系数(Collapse Margin Ratio, CMR)作为结构抗倒塌安全性能评价的定量指标，CMR的计算公式如下所示。
式中：Sa(T1)表示结构1 阶周期对应的加速度反应谱值，而Sa(T1)50%c 为模型倒塌概率为50%时所对应的Sa(T1)，Sa(T1)h 表示对应设防烈度的罕遇地震下的Sa(T1)。模型A和模型B的CMR如图4所示。模型A在50%倒塌概率下对应的PGA为1.48g，远大于该超高层的罕遇地震PGA，说明模型A抗倒塌能力较强，大震下模型A的层间位移角包络图(图2)也说明了这一点。但本研究关注的重点为改变剪力调整策略对该结构抗倒塌能力的影响。从图4可以看出，尽管模型A的CMR已达10.4，抗倒塌安全性较好，但调整设计后，该超高层结构的CMR从10.4提高到11.9，提高幅度为14.4%。
图4 两模型的CMR对比
由此可见，对于此超高层结构，在原设计基础上，削弱框架而将节省的材料用于核心筒，不仅减少了实际工程中为满足框架剪力分担比而造成的设计难度，而且使结构抗倒塌安全性有一定提高。
结论
（1）对中美主要抗震规范中框架-核心筒结构框架剪力调整方法的相关规定进行了综述和对比，指出我国规范剪力调整规定为“刚度和强度综合控制”，调整方案为垂直控制线，忽视了各层剪力的分配规律，实际设计时难度较大、经济性不理想。
（2）以一400m级的实际超高层结构为例，在保证整体结构材料用量和结构自振周期基本不变的前提下，改变其剪力调整策略得到新设计方案，对新、旧两设计方案进行了有限元建模，并通过大震弹塑性分析比较了两模型的抗震性能，结果表明：改变剪力调整策略的新模型虽然不满足中国规范的剪力调整规定，但其大震下各层层间位移角大小与原模型相当，两模型抗大震性能基本一致。
（3）采用IDA方法对上述两模型进行了倒塌易损性分析，结果表明：与原模型相比，改变剪力调整策略得到的新模型CMR提高了14.4%。这说明：就本文研究的实际超高层结构而言，不满足中国规范的新模型不仅设计难度较低，且其抗特大震倒塌能力更强，性能更优。
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