为了解强外筒-核心筒结构在抗震安全性、稳定性和经济性上的特点^[1], 比较这一新型结构体系和传统框架-核心筒结构之间的差异, 以某高烈度区超高层结构为例, 在设计过程中分别考虑了三个不同的结构方案:钢框架-核心筒结构、带加强层的钢框架-核心筒结构和强外筒-核心筒结构, 分别比较了三种方案的结构抗震性能、材料用量、受力特点及罕遇地震下的构件破坏情况。

　　 该工程为一栋位于8度 (0.30g) 地区的超高层综合体项目, 主要功能为办公和公寓, 建筑效果图及立面图分别如图1, 2所示。结构地上60层, 地下3层, 结构总高度255m, 结构平面从46层开始收进, 在16层、32层和46层设避难层, 避难层层高为6.0m。办公和公寓结构的层高分别为4.2m和3.7m, 结构底部1～4层由于入口造型需要设人字形斜撑。结构所在地区抗震设防烈度为8度 (0.30g) , 场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第三组^[2], 结构抗震设防类别为乙类^[3]。

　　 根据建筑的特点及要求, 在结构方案设计阶段考虑了三种不同的结构体系, 分别建立了三组模型, 方案1 (图3) 为钢框架-核心筒结构 (无加强层) , 核心筒外围墙肢混凝土内置型钢, 外框柱采用方钢管钢柱, 最大截面为□2 000×2 000×60×60, 最大间距为9.0m, 角部柱间距为4.5m, 外框梁采用截面为H1 100×500×25×30的工字钢, 楼面采用压型钢板-钢梁组合楼面, 其中楼面梁与外框柱刚接, 与核心筒铰接。

　　 方案2为钢框架-核心筒结构 (带加强层) , 在平面布置上和方案1一致, 但是在避难层 (16层、32层和46层) 设置三个加强层, 加强层形式为钢桁架伸臂+环向桁架, 如图4所示。

　　 方案3是在方案1的基础上加密外框柱形成的强外筒-核心筒结构, 不设置加强层。如图5所示, 外框柱间距由9.0m变为4.5m, 加高外框梁至1 200mm, 形成一个密柱深梁结构。同时, 减小核心筒剪力墙的厚度, 且外框柱 (钢管混凝土柱) 钢管壁厚从最大60mm减小至45mm, 方案3的结构刚度与方案2结构相近。

　　 对三个方案的结构进行小震和风荷载下的弹性分析, 并对结构材料用量进行统计, 得到结构整体性能指标, 如表1所示。

　　 从表1可以看出, 采用钢框架-核心筒结构的方案1的结构刚度较小, 在8度区 (0.30g) 这样的高烈度地区很难满足最大层间位移角的限值为1/500^[4]的要求。如果在此基础上进一步增加柱截面、核心筒墙厚将导致结构更加不合理且不能满足建筑使用要求。在采用设置钢桁架伸臂+环向桁架加强层的方案2后, 计算结果显示, 加强层在增加结构刚度和控制结构位移方面效果显著, 方案2结构周期相对方案1减小, 最大层间位移角减小明显, 变形能够满足规范限值1/500的要求。而方案3虽然取消了加强层, 但强外筒-核心筒结构具有足够的刚度, 结构自振周期和最大层间位移角均与方案2相近, 而在保证相同刚度的情况下, 方案3混凝土和型钢用量相对方案2分别减少4.73%和17.03% (表2) , 说明外框柱距减小形成密柱强外筒结构, 能提供较大的刚度, 因此可以适当减小核心筒墙厚, 这样大大地提高了材料的利用效率, 从而实现了更好的经济性。

　　 在常规的超高层结构设计中, 加强层的设置虽然能提高结构的整体刚度, 但加强层本身的刚度较大, 在加强层附近往往会出现竖向刚度突变^[5], 图6和图7给出了三个方案X向层受剪承载力比和考虑层高修正的刚度比。

　　 由图6和图7可以看出, 方案2中加强层附近层受剪承载力比和竖向刚度比出现明显的突变, 在加强层的下一层, 即15层、31层及45层, 其与上层X向受剪承载力比分别为0.71, 0.80, 0.82, X向竖向刚度比则分别为0.85, 0.91, 0.92, 出现了薄弱层, 且在16层薄弱层和软弱层同时出现。而方案1和方案3中均没有出现薄弱层和软弱层, 整个刚度平稳过渡。

　　 由于外框架刚度的不同, 在地震作用下外框架承担的剪力占比也不同。图8给出了三个方案中结构外框架与核心筒的剪力分担情况, 方案1和方案3中由于设备层荷载较大, 出现质量突变, 外框架承担的剪力出现阶梯式变化, 而方案2中由于加强层钢桁架伸臂+环向桁架的存在, 使得外框架和核心筒承担的剪力出现了明显的突变, 甚至出现了外框架承担的剪力与核心筒承担的剪力正负号相反的情况。

　　 图8 剪力分配情况

　　 由图9 (a) 三个方案外框架承担的剪力比例可以看出, 方案3由于对外框架进行加强形成框筒结构, 所以方案3外框架承担的剪力比例最大, 平均为64%。方案1和方案2外框架承担剪力平均比例分别为57%和52%, 值得注意的是, 方案2中由于钢桁架伸臂+环向桁架加强层的设置, 起到协调外框架和核心筒变形的效果, 在结构中上部外框架承担剪力的比例较方案1减小, 出现显著的突变。

　　 图9 (b) 给出了水平荷载下 (以风荷载为例) 外框架角柱的轴力沿楼层的分布。可以看出, 在方案2中加强层的位置, 伸臂传递给与之相连的角柱很大的轴力, 导致加强层角柱轴力出现了巨大的突变, 并不利于外框架构件在地震中的安全性。

　　 加强层的伸臂及楼面梁能够起到实现核心筒和外框架之间的联系, 在水平荷载作用下, 加强层的水平伸臂构件承受很大的弯矩和剪力, 同时加强层上下楼板产生较大的翘曲, 主应力符号发生改变^[6]。

　　 为了了解楼板在地震作用下的受力情况, 利用MIDAS软件建立有限元模型, 单元尺寸为0.5m, 加强层上下层楼板厚度为150mm, 在考虑楼板平面外刚度的情况下, 计算了多遇地震作用下楼板的应力, 图10和图11给出了方案1, 2中结构15层楼板在多遇地震下的应力分布情况。

　　 由图10可以看出, 方案1中没有设置加强层, 在地震作用下楼板应力分布较为均匀, 正应力大部分在0～1.53MPa以内, 最大值约为3.74MPa, 楼板剪应力在1.17MPa以内, 在与核心筒相连部位出现局部应力集中, 最大值为9.82MPa;而在方案2加强层下一层楼板大部分位置都处在较低的应力水平, 约在1.18MPa以内, 但在与外框柱或核心筒相连的部位, 楼板应力很大, 最大值超过20MPa (图11) 。综合来看, 带加强层的结构在加强层上、下楼板翘曲效应明显, 出现了明显的应力集中。

　　 由于方案1模型刚度不足, 难以满足罕遇地震下变形和构件性能的要求。本节仅仅对方案2、方案3进行罕遇地震下弹塑性时程分析, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (2016年版) 的要求选取了两组天然波和一组人工波, 在三组地震波作用下方案2和方案3结构均满足相应的性能要求, 选取了其中地震反应最大的人工波作用下计算结果进行对比。图12和图13分别给出了方案2和方案3在8度 (0.3g) 罕遇地震和9度 (0.4g) 罕遇地震下核心筒混凝土受压损伤情况。

　　 由图12可以看出, 8度 (0.3g) 罕遇地震作用下, 方案2中核心筒角部在加强层上下层处出现较为严重受压损伤, 而方案3中核心筒混凝土受压损伤比较均匀, 且范围和幅值较小。这说明了设置钢桁架伸臂+环向桁架会导致结构在这些加强层附近承载力和刚度突变, 增加了罕遇地震下结构首先从这些部位破坏而倒塌的潜在风险。

　　 由图13可以看出, 相对8度 (0.3g) 地震作用结果, 9度 (0.4g) 罕遇地震下构件损伤没有突变的情况。由图13看出, 加强层核心筒角部混凝土压坏范围增大, 而方案3结构的剪力墙混凝土压损伤比较均匀。

　　 本文对所选的8度区 (0.3g) 的超高层结构分别设计了方案1钢框架-核心筒结构 (无加强层) 、方案2钢框架-核心筒结构 (带加强层) 和方案3强外筒-核心筒结构三种方案, 得出以下结论:

　　 (1) 在保证相同刚度的情况下, 方案3与方案2相比较, 混凝土和型钢用量分别减少4.8%, 17%, 说明在本文实例结构条件下, 强外筒-核心筒结构材料利用更加充分, 经济性较好;方案2与方案1相比, 加强层的设置有效地提高了结构的刚度, 有效地约束了结构的变形;而方案3取消加强层并适当减小竖向构件的尺寸和厚度的情况, 强外筒能为结构提供足够的刚度。

　　 (2) 加强层会给结构带来较大的内力突变, 在加强层处外框架承载的剪力与核心筒承担的剪力正负号相反。加强层会引起结构的竖向刚度突变, 甚至在加强层的下一层同时出现薄弱层和软弱层;带加强层的结构在加强层上、下层楼板翘曲效应明显。

　　 (3) 在8度 (0.3g) 罕遇地震下, 核心筒角部在加强层上下层处出现较为严重的受压损伤, 而不带加强层的结构, 核心筒混凝土受压损伤范围和幅值较小, 且比较均匀, 9度 (0.4g) 罕遇地震下这一对比更加明显。

　　 (4) 强外筒-核心筒结构相比于传统的钢框架-核心筒结构和带加强层的钢框架-核心筒结构而言, 具有较好的抗震性能, 同时由于强外筒能承担较大的剪力和弯矩, 使得材料利用更充分, 因此新型强外筒-核心筒结构值得推广和应用在高烈度地区的超高层建筑中。