魏 忠， 馮中偉， 鄧世斌， 雷 云

(中國建筑西南設計研究院有限公司， 成都 610042)

0 引言

框架-核心筒結構通過外圍框架和內(nèi)部筒體的協(xié)調(diào)受力，具有良好的抗震性能，廣泛應用于超高層建筑中。多數(shù)情況下，核心筒外周剪力墻與框架柱軸線不能對齊，一般設置斜向框架梁連接邊柱與核心筒角部剪力墻[1-3]。當建筑功能不允許設置斜向框架梁時，常規(guī)的處理方式是增設內(nèi)柱[4-5]，或采用半框架梁間接傳力到核心筒上[6-7]。增設內(nèi)柱將大大減小核心筒角部墻肢分擔的豎向荷載，導致墻肢出現(xiàn)拉應力的程度更大，影響核心筒的抗剪和抗傾覆能力，對結構不利。半框架梁傳力路徑較長，梁截面不易控制，且梁與核心筒外周墻肢面外剛接，剪力墻將受到較大的面外彎矩。采用了Y形框架梁連接核心筒角部剪力墻與兩根外框柱的樓蓋梁布置方式，可以更好地滿足建筑功能要求和結構受力需要。

1 工程概況

某工程位于四川省成都市，地上由2棟超高層塔樓和7層的商業(yè)裙房組成，地下4層，局部地下3層，1號樓、2號樓和商業(yè)裙房共用一個地下室，建筑效果圖如圖1所示。±0.000m以上用防震縫將1號樓、2號樓和裙樓分開，使各棟塔樓單體都形成平面和豎向均較規(guī)則的結構單元。其中1號樓高度179.65m，地上50層，平面呈長方形，長邊長48.2m，短邊長32.6m；核心筒尺寸X向為11.9m，Y向為25.15m。結構體系采用鋼筋混凝土柱(中下部設置型鋼)-鋼筋混凝土梁-鋼筋混凝土核心筒組成的框架-核心筒結構。典型的建筑和結構標準層平面布置圖如圖2，3所示。

圖1 建筑效果圖

該工程結構設計基準期及設計使用年限均為50年，建筑結構安全等級為二級。建筑抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g，地震分組第三組，場地類別屬Ⅱ類建筑場地，特征周期0.45s?；撅L壓0.30kN/m2，地面粗糙度為B類。

塔樓基礎采用筏板基礎，以中風化泥巖為基礎持力層。

圖2 建筑標準層平面布置圖

圖3 結構標準層平面布置圖

2 角部樓蓋梁布置方式分析

本工程靠近角柱的八個邊柱與核心筒外周剪力墻未對齊，若直接在邊柱和核心筒角部之間設框架梁，如圖4(a)所示，則角部的室內(nèi)將出現(xiàn)斜梁，建筑功能不允許如此布置。解決方案之一是增設內(nèi)柱，如圖4(b)所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)柱承擔了角部的大部分豎向荷載，導致核心筒角部剪力墻的壓重大大減小，抗剪能力降低，如表1所示為有無內(nèi)柱時核心筒角部剪力墻的重力荷載代表值，可見減小幅度至少12%。增設內(nèi)柱還影響建筑使用面積，尤其不利于底部商業(yè)區(qū)域的使用。解決方案之二是采用半框架梁與核心筒外周剪力墻連接，如圖4(c)所示，此方案傳力途徑較長且不直接，剪力墻會受到較大的面外彎矩，且半框架梁截面尺寸太大，影響建筑使用，結構整體剛度也有所減小。

有無內(nèi)柱時核心筒角部剪力墻的重力荷載代表值 表1

經(jīng)以上分析，本工程決定采用Y形框架梁布置方式，如圖4(d)所示，該方案能夠滿足室內(nèi)不露斜梁的建筑功能要求，也能直接將角部房間的豎向荷載傳遞至核心筒，有利于核心筒抗剪能力的發(fā)揮。

3 Y形框架梁布置方式優(yōu)化

通過分析發(fā)現(xiàn)，圖4(d)的Y形框架梁與內(nèi)筒相連的斜梁在豎向荷載和地震作用下，由于兩根直段梁端的不平衡彎矩使得其承受扭矩，此扭矩極大地影響Y形框架梁的抗震性能，為此采取以下兩種布置方式減小扭矩影響：其一是通過增設次梁及調(diào)整各次梁的相對截面的方式調(diào)整豎向荷載的傳遞路徑，使得兩直段梁對斜寬梁產(chǎn)生的扭矩最??；其二是增加兩直段梁的延伸段，止于另一根框架梁，這樣Y形框架梁交點和延伸段端點形成的兩支點將提供一個反向力偶，可大大減小斜寬梁的扭矩,如圖5所示。

圖4 角部樓蓋梁布置方式

圖5 增設次梁+兩肢直段梁貫通

圖6 豎向荷載下的梁扭矩/(kN·m)

計算結果表明，在豎向荷載作用下，Y形框架梁各肢扭矩均較小，最大僅為25.7kN·m，如圖6所示。采取優(yōu)化布置前后Y形框架梁各肢支座處恒載+活載下的剪力和扭矩標準值如表2所示，斜梁段的扭矩降低幅度達80%，說明樓蓋梁布置合理，有效減小了扭矩。

對比計算的結果表明，采用圖4(d)Y形框架梁和圖4(a)斜向框架梁兩種布置方式的周期、位移、基底剪力、剪重比、剛度比等指標均非常接近，初步判斷Y形框架梁方案可行。

優(yōu)化布置前后Y形框架梁各肢支座處的剪力和扭矩表2

4 Y形框架梁性能水準及結構整體分析結果

7度設防時鋼筋混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構高度限值為130m，本工程總高179.650m，超出較多，接近《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8](簡稱《高規(guī)》)B級高度限值180m，屬于超限高層建筑工程。其他關于超限高層判別的指標如平面規(guī)則性、剛度比等均不超限。

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建造費用、震后損失等因素，本工程的性能目標定為D。Y形框架梁作為非常規(guī)及較重要的構件，將其定為關鍵構件提高其性能水準，達到性能目標C對應的性能水準，見表3。

Y形框架梁的性能水準 表3

本工程采用SATWE，YJK，MIDAS-Building軟件進行小震彈性反應譜的計算比較，并進行了小震彈性時程補充分析，各項控制指標均滿足規(guī)范要求；采用SATWE進行中震等效彈性和不屈服計算，并采用EPDA進行中震動力彈塑性時程分析，各項控制指標均滿足設定的性能目標；采用SATWE進行了大震不屈服計算，并采用SAUSAGE和ABAQUS進行大震動力彈塑性時程分析，各結構構件及整體結構能滿足大震作用下預設的性能目標要求。表4和表5列出了結構自振周期及小震彈性反應譜分析的結果，其余具體的分析過程和結果不再贅述。

結構自振周期 表4

水平荷載作用下結構主要指標 表5

5 Y形框架梁的受力特點和性能

Y形框架梁承擔了角部的大部分豎向荷載，且作為抗側力體系的組成部分，對抵抗地震作用發(fā)揮了一定的作用，因此需要對其受力性能重點關注。

通過調(diào)整樓蓋梁布置方式，盡量使Y形框架梁兩肢承擔的豎向荷載接近，減小不平衡彎矩從而減小Y形框架梁各肢中產(chǎn)生的扭矩。但在水平地震作用下，由于Y形框架梁的彎折，斜寬梁還將產(chǎn)生一定的扭矩，這是和常規(guī)直框架梁的不同之處。

計算表明，小震作用下Y形框架梁處于彈性，在彎、剪、扭共同作用下的承載力滿足要求。

在中、大震作用下，梁鉸開始出現(xiàn)，逐漸明顯增多，結構塑性進一步發(fā)展，大震下結構典型標準層梁鉸狀態(tài)如圖7所示。

圖7 大震下最大層間位移角時刻的第8層構件形態(tài)

可見，Y形框架梁的塑性鉸均出現(xiàn)在梁的兩端，Y形框架梁的交叉處均未出現(xiàn)塑性鉸，計算結果表明交叉處單元損傷也較小，因此Y形框架梁的出鉸模式和常規(guī)框架梁是相同的。

以第8層左上角Y形框架梁為例，罕遇地震彈塑性時程分析中的出鉸順序如圖8所示。

圖8 Y形框架梁在罕遇地震時程分析時的出鉸順序

從圖8中可知，本層該處Y形框架梁的出鉸順序為：首先在Y向直段梁支座出鉸，其次為斜寬梁支座出鉸，最后為X向直段梁支座出鉸。時程分析完成時，交叉處未出鉸，單元損傷仍較小，表明Y形框架梁在地震作用下的薄弱部位并非在交叉處，其出鉸形式與常規(guī)的框架梁是相似的。

6 Y形框架梁的截面設計

6.1 Y形框架梁的剪、扭驗算

Y形框架梁與結構主要抗側力體系斜交，與常規(guī)框架梁相比，會受到較大的扭矩作用，其在彎、剪、扭復合作用下的安全性需重點關注。進行小震彈性計算時，常規(guī)的鋼筋混凝土梁的扭矩折減系數(shù)為0.4，Y形框架梁分肢段扭矩折減系數(shù)可偏安全取為0.6～1.0，交叉后與筒體相連的斜寬梁較為重要，扭矩折減系數(shù)取為1.0。

計算結果表明，小震作用下，扭矩不折減，Y形框架梁截面滿足剪扭截面控制條件；中震等效彈性計算時，扭矩折減系數(shù)取0.86時滿足剪扭截面控制條件；大震等效彈性計算時，扭矩折減系數(shù)取0.27時滿足剪扭截面控制條件。

協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)構件開裂后扭轉(zhuǎn)剛度降低較大，扭矩明顯減小，一些國外規(guī)范[9-10]通常采用零剛度設計法，即取扭轉(zhuǎn)剛度為零，忽略扭矩，但按構造配置不少于開裂扭矩所需的受扭縱筋和箍筋?！陡咭?guī)》性能設計時中、大震下的截面控制條件同樣未考慮扭矩的影響。此外等效彈性計算明顯高估了構件受到的內(nèi)力，因此上述驗算的結果表明，Y形框架梁能滿足剪扭驗算的要求。

6.2 Y形框架梁的截面構造

Y形框架梁交叉處受彎、剪、扭綜合作用，受力較復雜，鋼筋較密集，為減小應力集中，交叉處進行了加腋。綜合考慮Y形框架梁的受力要求和施工方便，其具體構造見圖9。

圖9 Y形框架梁配筋構造詳圖

7 Y形框架梁局部結構地震作用擬靜力試驗研究

為了研究Y形框架梁在小震、中震及大震時受彎、剪、扭共同作用下的性能,驗證理論分析的可靠性，進行了1∶3縮尺模型試驗[4]。模型截取如圖10所示。

圖10 模型截取平面圖示

由于試驗模型是從整體模型中選取出來的一部分，邊界條件等發(fā)生了改變，難以同時保證各截面的內(nèi)力均與整體模型分析的結果一致。為解決上述問題，在優(yōu)先保證A截面(圖11)的彎矩和扭矩相等的情況下，盡量調(diào)整其他幾個截面的內(nèi)力接近。為了便于結構試驗時加載，施加水平力的方式如圖11所示。采用SAP2000軟件建立局部結構模型進行小震計算，求得保證A截面的彎矩和扭矩相等時所需的水平力H1和H2。

圖11 施加水平力的方式

圖12 局部模型加載示意圖

經(jīng)過計算分析，局部模型按圖12作用水平力時，求得的各截面內(nèi)力與整體模型最為接近，內(nèi)力比較如表6所示。

根據(jù)相似比，取圖12作用水平力的1/9(即H1=35.88kN，H2=42.11kN)施加于1∶3的縮尺模型上，SAP2000計算得到的各截面內(nèi)力與按相似比求得的內(nèi)力如表7所示?？梢?，按此相似比得到的各控制截面內(nèi)力基本一致。

整體和局部模型各截面內(nèi)力比較 表6

不同方法計算得到的各截面內(nèi)力比較 表7

圖13 結構試驗裝置

縮尺模型的配筋按相似比進行等效，以保證構件的承載力和原結構等效。由于鋼筋直徑模數(shù)的影響，配筋率略有差異。

試驗裝置如圖13所示，柱下部采用球鉸支座。試驗時H1，H2采用水平千斤頂施加荷載，H1與H2的比例保持35.88/42.11≈0.85不變，加載至結構出鉸破壞。加載結束時H2為259.6kN，是小震時的6.2倍，遠大于大震下Y形框架梁的內(nèi)力。

Y形框架梁與筒體相連的斜梁段在整個加載過程中出現(xiàn)的裂縫很少，加載至H1=84kN(約為小震的2.3倍)時，斜梁上部出現(xiàn)0.08mm寬的受彎裂縫；繼續(xù)加載至H1=108kN(相當于中震)時，裂縫發(fā)展至寬0.11mm，但無新增裂縫；加載至H1=130kN時，斜梁側面新增兩條斜裂縫，此后直至加載結束，不再出現(xiàn)新的裂縫。斜梁上下部縱筋、抗扭腰筋及箍筋的應變均未達到屈服值，整體看Y形框架梁具有很高的可靠性，與理論分析的結果基本一致。加載結束后的裂縫情況如圖14所示。

圖14 Y形框架梁斜梁段的裂縫情況

Y形框架梁斜梁段的扭轉(zhuǎn)與水平力H2的關系曲線如圖15所示，可見斜梁在大震前的扭轉(zhuǎn)較小且變化不大，最大扭轉(zhuǎn)角度約0.1°。加載超過大震后由于Y形框架梁直梁段的端部出現(xiàn)塑性鉸，樓板開裂，抗扭能力下降，斜梁扭轉(zhuǎn)增加較大，但直至加載破壞其扭轉(zhuǎn)角度最大僅為0.6°。

圖15 Y形梁斜梁段的扭轉(zhuǎn)角度與水平力H2關系曲線

通過試驗現(xiàn)象及鋼筋應變數(shù)據(jù)分析，試驗中Y形框架梁的F端下部鋼筋在水平力達到2.7倍小震作用水平時首先屈服，隨后G端下部鋼筋在水平力達到4.4倍小震作用水平時屈服，出鉸順序符合預期設想。Y形框架梁交叉處的鋼筋直至加載結束均未屈服，斜梁在加載過程中鋼筋均未屈服。水平力超過大震作用水平，直至加載結束時，Y形框架斜梁上的裂縫數(shù)量較少、寬度較小，說明在彎、剪、扭共同作用下Y形框架梁斜梁是安全可靠的，Y形框架梁能達到預設的性能目標。

8 施工現(xiàn)狀

Y形框架梁的施工現(xiàn)場鋼筋綁扎如圖16(a)所示。對Y形框架梁的鋼筋進行施工圖放樣后，施工現(xiàn)場根據(jù)放樣圖綁扎的鋼筋間距合理，構造簡單，具有良好的可施工性?；炷翝仓瓿珊蟮腨形框架梁如圖16(b)所示，表明Y形框架梁混凝土成型質(zhì)量良好。

圖16 Y形框架梁現(xiàn)場施工狀況

9 結語

本工程的整體結構分析、Y形框架梁構件分析及試驗結果表明，Y形框架梁與常規(guī)框架梁的性能基本相同，帶Y形框架梁的框架-核心筒結構與常規(guī)框架-核心筒結構的屈服機制和單元損傷情況等類似，其抗震性能也基本一致，能滿足現(xiàn)行規(guī)范及預設的性能目標要求。

本項目中Y形框架梁的應用既能滿足建筑功能要求，對結構整體受力也更為合理和有利，在類似的結構體系中可以根據(jù)需要加以采用。

致謝：重慶大學土木工程學院張川教授和清華大學土木工程系錢稼茹教授對結構模型試驗做了重要指導工作，特此致謝。