框架-核心筒结构是高层、超高层建筑中常用的结构体系之一 ^[1]。通常框架-核心筒结构中核心筒布置在楼层平面的中心位置,从而兼顾建筑功能要求及结构抗震的平面布置规则性要求。但是目前出现的一些有特殊建筑功能要求的高层建筑及建筑方案要求采用不规则平面形状的结构形式,提出了将核心筒偏置甚至偏置于结构一侧的特殊要求 ^[2,3,4,5]。此类“核心筒偏置结构”在竖向荷载与水平地震作用下的受力性能与核心筒居中布置的框架-核心筒结构存在较大的不同 ^[6,7,8,9,10]。

　　 在文献[11]中,作者先从理论上推导了核心筒偏置对结构扭转位移比、周期比等结构整体指标的影响; 然后采用数值分析的方法验证了理论推导的正确性,并给出了水平荷载作用下核心筒偏置对结构整体受力及构件内力的影响。本文将在此研究基础上,进一步分析竖向荷载和大震作用下核心筒偏置对结构整体受力特点、破坏模式及构件内力的影响。并针对核心筒偏置结构的受力特点,提出了相应的设计对策。

　　 采用ETABS软件建立了5个钢筋混凝土框架-核心筒结构数值计算模型(模型A～E),所有模型的结构平面尺寸均为54m×54m,核心筒平面尺寸均为24m×24m,柱间距均为10.8m。框架柱截面为1 000mm×1 000mm,外框梁截面为300mm×1 000mm,内框梁截面为300mm×900mm; 核心筒剪力墙外墙肢厚度为800mm,内墙肢厚度为500mm; 墙、柱混凝土强度等级为C60,梁、板混凝土强度等级为C30; 框架梁柱之间为刚接,框架柱与核心筒之间均为铰接,结构各层层高均为4.5m。各计算模型参数如表1所示,各模型平面布置形式如图1所示,其中δ为偏置距离。

　　 由于框架-核心筒结构的各层刚度中心位置并无明确的定义,因此本文采用核心筒的偏置程度来表征结构偏置水平的大小。结构的偏置程度定义为核心筒中心相对于结构平面几何中心的距离(即偏置距离)与结构平面边长(偏置方向)的比值。结构分析时考虑竖向荷载及水平地震作用(设防烈度为7度(0.1g)),楼面均布恒载2.5kN/m²,均布活载3.5kN/m²。

　　 选用“恒载+活载”工况计算结构在竖向荷载作用下的内力及位移等荷载效应。

　　 由于核心筒偏心布置,楼层上部结构的竖向荷载合力作用点与本楼层竖向构件中和轴不重合,因此在结构自重和楼面均布荷载(恒载+活载)作用下,结构会产生楼层倾覆力矩(图2)。不同偏置程度下楼层的倾覆力矩见图3,结构底层的倾覆力矩见表2。

　　 从图3可以看出,楼层从上而下,倾覆力矩逐渐增大,在竖向构件截面突变处,倾覆力矩出现突变。随着核心筒偏置程度的增加,结构在竖向荷载作用下的倾覆力矩逐渐增大。

　　 由于楼层倾覆力矩的存在,核心筒偏置结构在竖向荷载作用下会出现较为显著的结构顶点位移。不同偏置程度下结构顶点位移见图4;竖向荷载作用下结构X向顶点位移见图5(a),竖向荷载作用下结构顶点位移及其与结构总高度的比值见表3。从表3及图4、图5(a)可以看出,结构的顶点位移随偏置程度的增大而增大; 顶点位移/结构总高度的最大值为1/1 985,相较于水平荷载作用而言数值较小。

　　 竖向荷载作用下,结构的层间位移角随核心筒偏置程度的增大而增大,随楼层高度增加而增加(图5(b))。竖向荷载作用下,模型E顶层X向层间位移角达到最大,为1/1 220。

　　 通过以上分析可以看出,核心筒偏置结构在竖向荷载作用下会产生一定的楼层附加弯矩和楼层水平位移。这一效应随核心筒偏置程度增加而增加,但总体而言对结构的影响不大。

　　 同样选用“恒载+活载”工况计算结构的构件内力。结构平面布置、柱编号如图2所示,各典型柱的轴力变化如图6所示。

　　 从图6可以看出,核心筒偏置将导致结构产生向左的倾覆弯矩; 随着核心筒偏置程度的增加,结构中和轴左侧柱轴力逐渐增大,中和轴右侧柱轴力逐渐减小。核心筒偏置情况下底层柱轴力较核心筒不偏置的情况最大增加60%,其中由于柱受荷面积增加导致其轴力增加的比例约为48%; 因此,若对建筑功能影响不大,则可通过设置中柱来减小柱轴力,附加弯矩仅会使得柱轴力增加12%,由此产生的附加应力比约为0.06,影响并不明显。

　　 核心筒剪力墙平面布置、墙肢编号如图2所示,各典型墙肢的轴力变化如图7所示。由图7可以看出,各典型墙肢与框架柱的受力特点相同,随着核心筒偏置程度的增加,中和轴左侧墙肢轴力逐渐增大,中和轴右侧墙肢轴力逐渐减小。在本文考虑的范围内,底层墙肢轴力最大增加31%,其中由于墙肢受荷面积增加导致墙肢轴力增加的比例约为13%,可通过设置中柱来减少墙肢受荷面积; 附加弯矩仅会使得墙肢轴力增加18%,由此产生的附加轴压比约为0.10,影响不明显。

　　 当核心筒偏置程度较大,结构又受到较为强烈的水平荷载或地震作用时,核心筒底部剪力墙将会产生显著的拉应力。

　　 中震不屈服组合作用下墙肢最大拉应力随着核心筒偏置程度的增大而增大。不同偏置程度下典型墙肢应力如图8所示。由图8可以看出,墙肢最大拉应力出现在核心筒偏置程度最大的模型E的底层,为3.76MPa。

　　 当地震作用水平提高时,墙肢拉应力将明显增大,可在墙肢受拉一侧墙体内设置型钢,改善墙体的受拉承载力。

　　 为研究核心筒偏置对结构大震弹塑性分析结果的影响,采用软件SAUSAGE建立8个计算模型,各计算模型参数及与弹性计算模型(表1)的对应情况如表4所示。选用了SHW8,SHW10,SHW11三组地震波,其中SHW8为人工地震波,SHW10及SHW11为天然地震波。地震烈度分别考虑7度(0.1g)及8度(0.2g)。

　　 《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定,结构体系布置宜有多道抗震防线。在大震作用下,核心筒偏置情况下的框架和核心筒结构能否有效协调工作,发挥多道抗震防线的作用,并最终形成合理的破坏模式是值得关注的问题。

　　 大震下8个模型的弹塑性发展情况见表5。在大震作用下,核心筒的连梁首先大部分进入屈服。核心筒墙肢在7度地震下几乎未产生损伤; 8度地震下,模型A的少量墙肢重度损坏,模型C,D,E的少量墙肢严重损坏,形成了耗能机制,以上损坏均发生在结构底层(集中在1,2层)。在各个模型中,外框架的钢梁和钢柱均未发生明显屈服现象。

　　 在所研究的偏置程度范围内,不同偏置程度的核心筒偏置结构在7度、8度两种烈度大震作用下均仍具有合理的破坏模式,各结构构件的破坏层次分明,核心筒先于框架屈服,且外框架具有足够的承载力,可以充分发挥框架-核心筒结构的多道抗震防线作用。

　　 由于核心筒存在偏置,各个墙肢所分担的竖向荷载差别较大,靠近边缘一侧的墙体由于受荷面积较小,承担竖向荷载较少。边侧墙体在竖向荷载下的轴压比较低,地震作用下非常容易受拉,当拉力较大时可能出现严重破坏,导致结构的整体侧向振动出现不对称,侧倾的风险加大。

　　 各计算模型墙肢受拉损伤云图如图9所示。由图可以看出,随着偏置程度的增加,墙肢受拉损伤云图变得不均匀,靠近边缘一侧的墙肢的受拉损伤较其他墙肢明显。

　　 通过第2节和第3节的论述可知,在竖向荷载与地震作用下核心筒偏置对结构和构件都造成了一定的不利影响,为此从“结构”和“构件”两个层面出发,针对核心筒偏置结构的受力特点及破坏模式,提出相应的设计对策。

　　 竖向荷载和地震荷载作用下,核心筒偏置结构扭转效应较大、附加倾覆力矩明显,可采用以下措施减小核心筒偏置对结构的影响:1)调节楼层刚心与质心的位置,以减小竖向荷载作用点与楼层中和轴的距离,例如在相对核心筒偏置的另一侧外围框架柱间设置支撑/剪力墙; 适当降低偏置筒体一侧框架的刚度; 2)增加结构的抗扭刚度,提高结构自身抵抗扭转效应及附加倾覆力矩的能力。

　　 对于由于核心筒偏置导致内力增大的构件,可采用以下措施减小其对构件的影响:1)中大震作用下,核心筒偏心一侧的墙肢可能产生较大拉应力,对此可采用设置型钢等措施,以提高墙肢的抗拉能力; 2)在竖向荷载作用下,由于附加倾覆力矩的作用,外框柱中会产生附加轴力,可适当提高框架柱的强度; 3)对于剪力墙中的附加轴力,可适当提高墙肢的强度和增设型钢来解决。

　　 本文采用数值分析的方法,分析了竖向荷载及大震作用下核心筒偏置对结构整体的受力性能、破坏模式以及构件内力的影响,总结了核心筒偏置结构的受力特点。针对这些特点,从结构与构件两个层面给出了相应的设计对策。

　　 (1)在竖向荷载作用下,由于上部结构竖向荷载作用点与楼层中和轴不重合,导致楼层受到附加倾覆力矩的作用,结构将产生一定的整体弯曲变形,对应位置的柱与墙肢轴力也会有所增加。

　　 (2)在竖向荷载作用下,墙柱轴力的增加主要是由受荷面积增加引起的,可通过设置中柱等措施改善。

　　 (3)在大震作用下,核心筒偏置结构仍具有合理的破坏模式,各结构构件的破坏层次分明,核心筒先于框架屈服,外框架具有足够的承载力。随着核心筒偏置程度的增加,墙肢受拉损伤的分布变得不均匀,靠近边缘一侧的墙肢的受拉损伤愈加较其他墙肢明显。

　　 (4)针对核心筒偏置结构的受力特点及破坏模式,提出了相应的设计对策。在结构层面上可以采取调节楼层刚心与质心的位置,增加结构抗扭刚度等措施,如在相对核心筒偏置的另一侧外围框架柱间设置支撑/剪力墙,适当降低偏置筒体一侧框架的刚度。在构件层面上,可采取在偏心一侧墙肢中设置型钢、提高墙肢抗拉能力、适当提高墙柱的强度等措施。