钢筋混凝土核心筒结构受力性能的数值模拟

第３２卷第２期　２０１０年４月　工程抗震与加固改造　Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１０　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ　［文章编号］　１００２—８４１２（２０１０）０２－０００１—０７　钢筋混凝土核心筒结构受力性能的数值模拟　史庆轩，委　旭，门进杰，侯　炜（西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安７１００５５）　［摘要］　钢筋混凝土核心筒是一种空间性能较好的抗侧力构件，其在地震作用下受力机理复杂，故准确模拟其非线性受力　过程是结构抗震分析的重要课题。本文利用先进的数值模拟技术，在已有试验研究的基础上，对混凝土核心筒进行合理建　模，并系统分析了轴压比、配筋率、加载角、高宽比和连梁刚度等对混凝土核心筒承载力和变形性能的影响规律。分析结果表　明，数值模拟结果和试验结果吻合较好；轴压比、配筋率对核心筒的弹性和弹塑性性能影响显著；加载角和连梁刚度主要影响　混凝土筒体开裂后的性能；而高宽比既影响核心筒的承载力和变形性能，又决定着核心筒的破坏形式。研究结果对混凝土核　心筒的地震弹塑性计算具有一定的参考价值。　［关键词］　核心筒；弹塑性分析；数值模拟；抗震计算　［中图分类号］ＴＵ３７５；ＴＵ３１３　［文献标识码］　Ａ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｒｅ　Ｔｕｂｅ　Ｓｈｉ　Ｑｉｎｇ—ｘｕａｎ，Ｗｅｉ　“，Ｍｅｎ　ｆｉｎ　ｊｉｅ，Ｈｏｕ　Ｗｅｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｘｉａｎ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｌａｔｅｒａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＲＣ）ｃｏｒｅ　ｔｕｂｅ　ｔａｋｅｓ　ｏｎ　ｇｏｏｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｈｏｗ　ｔｏ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ，　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ，ｌｏａｄ　ａｃｔｉｏｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍａｔｃｈ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｈａｖｅ　ｄｉｓｔｉｎｃｔ　ａｆｆｅｅｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｅｌａｓｔｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ；ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ａｃｔｉｏｎ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｂｅａｍｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｈａｖｅ　ａｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｓｔ—ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ；ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ａｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｒｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｏ—ｐｌａｓｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＣ　ｔｕｂｅｓ　ｏｒ　ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｅ　ｔｕｂｅ；ｅｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ｅ－ｍａｉＩ：ｓｈｉｑｘ＠ｘａｕａｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　近年来，由于高层建筑的快速发展，有较好抗侧　刚度和空间刚度的钢筋混凝土核心筒广泛地应用于　高层和超高层建筑中。然而，由于混凝土核心筒为　济大学吕西林等…对钢筋混凝土核心筒进行了拟　静力试验研究，主要研究了两组５个钢筋混凝土简　体试件在不同轴压比和剪跨比下的破坏机理、承载　能力、破坏形态、延性、耗能能力以及层间剪力在连　空间受力构件，其在地震作用下受力机理复杂，国内　外对其研究较少且研究成果不完善。我国对混凝土　梁中的传递规律等。北京工业大学曹万林、杜修力　等　也分别对混凝土核心筒模型进行了低周反复　试验研究，并对比了带暗支撑混凝土核心筒和普通　核心筒抗震性能的研究，仅仅在近几年才开始。同　混凝土核心筒抗震性能的异同。同济大学李国强　【收稿日期］２００９－０５—１５　［基金项目］　国家自然科学基金（５０７７８１４９）、陕西省自然科学基金　（ＳＪ０８Ｅ２０２）、陕西省教育厅专项基金（０７ＪＫ２９１）　等　对一钢一混凝土混合结构进行了缩尺模型模　拟地震振动台试验，主要分析了模型的位移、加速度　工程抗震与加固改造　２０１０年４月　反应，底层混凝土核心筒的竖向动应变，钢框架柱的　凝土核心筒的工程设计提供参考。　１核心简模型简介　竖向动应变等。在国外，仅在日本有少量的和混凝　土核心筒相关的试验研究　～　，在欧美对混凝土核　本文中的混凝土核心筒来自于文献［１］中的试　心筒抗震性能的研究非常缺乏，究其原因主要是欧　美等国家的高层建筑主要以钢结构为主，由钢桁架　组成各类简体，同时，由于对框架一混凝土核心筒混　合结构抗震性能的看法不一，在地震区很少采用此　类结构。　验模型，该模型是以上海金茂大厦主结构钢筋混凝　土核心筒为原型设计的。根据模型几何尺寸的不　同，分为两组。本文选用两组试件中的其中各一个　模型ＧＪ３和ＧＪ４。第一组试件与原型的比例为１：５，　混凝土核心筒为３层，试件高度３．２５ｍ，高宽比为　卜　目前，对混凝土核心筒在高轴日ｉ比条件下、结构　的高宽比很大时、结构的薄弱部分和剪力滞后规律　等方面，还需更加深入和系统的研究。为了弥补试　验研究的局限性，更加全面地研究混凝土核心筒的　抗震性能，本文结合已有试验研究结果．利用先进的　１．５，墙体厚度为９０ｒａｍ，配筋构造与原型相同，在筒　体角部沿墙高设约束箍筋，连梁上配置斜向抗剪钢　筋，如图１所示。第二组试件与原型的尺寸比例为　１：６，混凝土核心筒为５层，试件高度为４．２５ｍ，高宽　比为２．０，墙体厚度为７５ｍｍ，配筋构造与第一组模　数值模拟技术，系统分析和研究轴压比、高宽比、加　载角、配筋率、洞口大小和连梁刚度等参数对混凝土　核心筒抗震性能的影响规律，研究结果可为钢筋混　型及原型相同，在简体角沿墙高设约束箍筋，连梁上　配置斜向抗剪钢筋，详细尺寸见文献［１］。　一目　３数值模拟结果及分析　图１模型ＧＪ３尺寸及配筋　Ｆｉｇ．１　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ＧＪ３　模型中混凝土设计强度等级为Ｃ１５，西４、４，６钢　筋的屈服强度分别为３１１ＭＰａ、３２５ＭＰａ，极限强度分　别为５０１　ＭＰａ、４７５ＭＰａ。　２有限元模型的建立　利用大型通用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ，采用　３．１　单调水平荷载作用下的性能　３．１．１　底部剪力一顶部位移曲线　对核心筒ＧＪ３进行建模和数值模拟，该模型的　轴压比为０．３，对简体顶面沿　方向施加单调水平　位移，得到的底部剪力一顶部位移曲线如图２所示。　分离式单元建立模型，混凝土剪力墙采用三维８节　点六面体一阶实体单元Ｃ３Ｄ８Ｒ模拟；离散的钢筋采　用三维２节点桁架单元Ｔ３Ｄ２。将钢筋网埋入混凝　与试验结果曲线对比表明，在上升段中，开裂刚度与　试验相比较接近，但在之后的屈服阶段得到的屈服　土核心简单元中即建立了混凝土与钢筋共同作用的　剪力墙有限元模型。　本文对模型的分析步骤分为三步：首先对模型　刚度比试验值略大，从而导致计算分析得到的屈服　位移偏小，但承载力与试验结果基本一致。数值模　拟的下降段曲线比试验曲线要平缓一些，并且得到　的承载力下降程度、结构变形比较充分。图２中的　横坐标（Ｕ１）表示顶点位移，纵坐标（ＲＦ１）表示基底　剪力，以下与此相同。　从图２还可以看出混凝土核心筒的受力过程可　施加自重荷载；其次在顶层施加竖向集中荷载，数值　模拟时将竖向集中荷载等效成均布面荷载施加于顶　层的表面；在顶层　方向施加单调水平荷载、循环　水平荷载。　分为３个阶段：①弹性阶段，顶点位移不超过３ｒａｍ，　第３２卷第２期　史庆轩，等：钢筋混凝土核心筒结构受力性能的数值模拟研究　５００　４００　，　３００　ｌ　壶２００　ｌ００　｝　０．０１　０．０２　０．０３　　．／，、　ｌ一－试验曲线　ｌ　ｉ　Ｊ——数值计算曲线Ｊｌ　ｌ　ｌ　　０．０４　０．０５　２　Ｏ　０　Ｕ１（ｍ）　３ｆ　人ｌ　一　图２底部剪力一顶部位移曲线　Ｆｉｇ．２　Ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　图４　最大水平荷载时连梁钢筋应力云图　位移与荷载曲线按比例线性递增。此时卸载，结构　可完全恢复，结构处于弹性工作阶段。②弹塑性强　化阶段，在这一阶段顶层位移与荷载不再保持直线　变化而呈曲线关系。随着荷载的增加，１、２层连梁　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｂａｒ　ｓ［ｖｅｓｓ　ｏｆ　ｗｅｂ　ｗａｌｌ　ａｔ　ｍａｘｉｍｕｍ！ｏａｄ　ｐｏｉｎｔ　端部出现斜裂缝，此时，连梁内部的箍筋和纵向销筋　的应力逐渐增大，当达到最大荷载时，部分箍筋　经　屈服，如图３、图４所示为最大水平荷载时模　ＧＪ３　的混凝土拉伸破坏图和连梁钢筋应力云图。从图３　中可以看出连梁损伤严重。③塑性阶段，达到最大　承载力之后，曲线进入下降阶段，位移增加不大而承　载力急速下降。该阶段腹板墙体混凝土的损伤逐渐　增大，最后使整个腹板墙体破坏较严重，并且２、３层　连梁破坏严重，如图５所示。　图５最大水平位移时混凝土拉伸破坏图　Ｆｉｇ．５　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ａｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｐｏｉｎｔ　图３　最大水平荷载时混凝土的拉伸破坏图　Ｆｉｇ．３　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ　ｗａｌｌ　ａｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｏａｄ　ｐｏｉｎｔ　图６所示为核心筒底部截面的应力云图，可以　看出，在核心筒的翼缘墙体上出现了墙体角部的应　图６最大水平荷载时模型底部混凝土的应力云图　Ｆｉｇ．６　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　ａｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｏａｄ　ｐｏｉｎｔ　力大于墙体中部的应力，即所谓的“剪力滞后”现　工程抗震与加固改造　２０１０年４月　象。出现“剪力滞后”现象的原因，是由于核心简体　不是实心截面受弯杆件，墙体截面上有剪切变形，而　周边楼板平面外刚度较弱，无法保证整个筒体的横　截面按平截面假设产生轴向变形。就翼缘墙体而　言，其中间部分的受力，要由角部的竖向变形，通过　墙体的剪切变形，逐渐向中部传递，所以墙体的轴向　变形和正应力越向中部越小。筒体正应力出现角部　大、中间小的这一现象被称为“剪力滞后”。如图１１　所示为较大高宽比为３．０和４．５核心筒的混凝土应　力分布情况，可见，“剪力滞后”现象因矩形筒体截　面长宽比的增大而愈加明显。这与以往理论分析的　结论是一致的。　３．１．２轴压比的影响　试验表明，轴压比对钢筋混凝土核心筒抗震性　能影响很大，为了得到更广泛的规律性结果，在上述　模型ＧＪ３（轴压比为０．３）的基础上增加了轴压比为　０．４、０．６和０．８的工况，模型层数、几何特征、材料　强度、配筋特征均相同。在水平方向施加单向水平　荷载，数值模拟所得到的底部剪力一顶部位移曲线　啪　咖　㈣　姗　伽　姗　瑚　ｏ　如图７所示。　６ＯＯ　５００　４００　／　：　一　Ｚ　邑３００　‘　＼‘　、　２００　１Ｗ‘　ｔ．４．ｔ　Ｖ　Ｊ　１００　｜　一・轴压比０…轴压比０．．４６　　一－轴压比０．８　Ｏ　Ｊ　Ｕ　ｏ　Ｕ１　０Ｕ２　Ｕ　Ｕｊ　Ｕ１（ｍ）　图７轴压比对底部剪力一顶部位移曲线的影响　Ｆｉｇ．７　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ・ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　由图７可以看出，随着轴压比的增大，核心筒的　开裂荷载和最大荷载都将增大，例如：轴压比从　０．３、０．４增大到０．６时，相应的开裂荷载和最大荷　载均增大。但当轴压比增大到一定程度，最大荷载　反而降低，例如：轴压比为０．８时，相应最大荷载低　于轴压比为０．６时的最大荷载。分析其原因，主要　是受Ｐ－△效应的影响，高轴压比加快了简体的受压　破坏。　３．１．３墙体内分布钢筋的影响　核心筒模型ＧＪ３墙体内的分布钢筋为双向西６　＠１２５，数值模拟时，改变核心筒墙体内的分布钢筋，　增加两种工况：分别为双向　８＠１２５和　ｌ２＠１２５，　其它条件不变，得到墙体内不同分布钢筋的底部剪　力一顶部位移曲线如图８所示。　／　‘　．　＿、　　．≥　—　’’　、　一ｒ　、　ｌ　’　、　～　●　｛蚕Ｉ　．　—。ｙ　＿＿：…￣８＠１２线５＝￣…６＠１２　５　ｏ　Ｕ　Ｕ１　Ｕ　ＵＺ　ＵＵｊ　００４　Ｕ．Ｕ　Ｕ．ＵＯ　Ｕ１（ｍ）　图８、分布钢筋对底部剪力一顶部位移曲线的影响　Ｆｉｇ．８　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　由图８可以看出，筒体分布钢筋的配筋率对曲　线的形状影响较大，随着配筋率的增大，核心筒的承　载力显著提高，与模型ＧＪ３相比（体积配筋率为　０．２５％），增加的两种工况（体积配筋率分别为　０．４５％和１％）的最大荷载分别提高了１６．１５％和　５５．２８％。而且，随配筋率的增大，结构的位移延性　也相应的增强。另外，分析筒体混凝土的裂缝情况，　可以看出，对于分布钢筋配筋率较高的核心筒，墙身　裂缝开展程度较小，剪切斜裂缝得到了更加有效的　抑制。　３．１．４加载角的影响　若定义加载方向与混凝土简体法线方向的夹角　为加载角，则核心筒模型ＧＪ３试验时的加载角为　０。，数值模拟时增加两种工况，分别分析加载角为　０。、２６。、４５。时混凝土核心筒的受力性能和变形性　能，分析结果如图９所示。可以看出，在其它条件不　变时仅改变加载角的大小，核心筒的底部剪力一顶　部位移曲线发展趋势是基本相同的，特别是在刚开　始加载的弹性阶段，３条模拟曲线是重合的；然而，　随着荷载的增大，核心筒表现出塑性之后，３条曲线　出现了偏离，并且随着加载角度的增大，曲线越靠近　竖向坐标轴，结构的承载力也越大。分析原因在于　混凝土核心筒是一个空间抗侧力构件，在加载角为　０。时，实际上抵抗外荷载的只是与荷载平行方向的　第３２卷第２期　史庆轩，等：钢筋混凝土核心筒结构受力性能的数值模拟研究　墙体和部分翼缘墙体；而加载角为２６。和４５。时，核　心筒两个方向的墙体均参与受力，筒体的空间抗侧　力作用得到更加充分的发挥，从而提高了结构的承　载力。　６ＯＯ　３．１．５高宽比的影响　将核心筒模型的层数增加到６层和９层，其高　宽比分别为３．０和４．５，并按照倒三角形模式加载，　每３层设一加载点，其它条件不变，数值模拟得到的　底部剪力一顶部位移曲线如图１０所示。简体混凝　５ＯＯ　，　二．　．　土的开裂情况见图１１。　４ＯＯ　一　，　．　一ｒ　从图１０中可以看出，高宽比的变化对核心筒的　：’＼３００　一　底部剪力一顶部位移曲线影响很大。随着高宽比的　增大，核心筒的初始刚度和承载力都在降低，并且曲　线的走向趋于平缓。这表明，随着高宽比的增大，简　‘　山＿　　．２００　一－一一＼一　一１ＯＯ　试验曲线　加载角度０　ｌ　０　０１　…加载角度２一－加载角度４６５。　００２　００３　０　０４　０　０５　Ｕ１（ｍ１　体的破坏形式由剪切破坏向弯曲破坏演变。　通过分析筒体混凝土裂缝的开展情况，可以发　Ｏ　０　现，①不同高宽比的核心筒开裂位置相似，都是从底　层的连梁开始，属于连梁端部因弯曲而开裂。②开　裂荷载随着核心筒高宽比的增大而降低，开裂位移　则随着高宽比的增大而增大，说明了高宽比对弹性　阶段简体受力性能的影响很大。③墙体的开裂均始　图９加载角度对底部剪力一顶部位移曲线的影响　Ｆｉｇ．９　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ・ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　５００　４００　３００　’　／＼，．　●一ｒ　＿　于筒体腹板墙体受拉端，随着荷载的增加，高宽比较　大的９层核心筒裂缝向翼缘墙体扩展很快，而腹板　、　、　兰　２００　Ｈ　墙体上的裂缝发展比较缓慢并且裂缝比较平，裂缝　主要集中在下面的３层，以受拉开裂为主。④高宽　比较小的３层核心筒裂缝主要在连梁和腹板墙体向　ｌ０ｏ　Ｉ／‘　—一・—３３层模型试验数据Ｊ层模型计算数据Ｉ　｛　０　０２　，　－－　ｔ６层模型计算数据Ｉ　０　０８　０　１　０　１２　ｒ　０　一・９层模型计算数据ｌ　Ｏ　０４　０　０６　受压区墙体底部发展，主要是剪切裂缝。这也说明　高宽比的不同直接影响筒体的破坏形态。⑤高宽比　小的模型破坏发生在简体的腹板墙体，而高宽比较　大的模型破坏主要发生在下面几层。　３．１．６洞口大小的影响　０　Ｕ１（ｍ）　图１０高宽比对底部剪力一顶部位移曲线的影响　Ｆｉｇ．１０　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　（ａ）６层（高宽比为３　Ｏ）　（ｂ）６层（高宽比为４　５）　图儿　不同高宽比时简体的开裂情况　Ｆｉｇ．１１　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　・　６　・　工程抗震与加固改造　２０１０年４月　核心筒墙体上的洞口大小情况，可以用连梁的　跨高比表示，它反映了连梁刚度与墙肢刚度之比。　本文参照文献［１］中的模型ＧＪ４，以跨高比为０．９２　首先发生破坏，从而使筒体的整体性减弱，也使“剪　切滞后”效应增强，如图１３；连梁刚度过大，会导致　墙肢之间的错动困难。另外，连梁刚度小的模型，在　同级荷载下筒体翼缘墙体两端先受拉开裂。　３．２　循环荷载作用下的受力性能　的试件（层数５层，高宽比２．Ｏ３’，轴压比为０．４，连梁　跨度为２７６ｍｍ，高度３００ｍｍ）为对比原型，分别对连　梁高度为１５０ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ，跨高比为１．８４、　０．９２、０．６１的筒体进行数值模拟和分析，得到的底　部剪力一顶部位移曲线如图ｌ２所示。　７ｏｏ　６ｏｏ　５ｏｏ　一　对核心筒模型ＧＪ３顶层施加　方向水平循环　荷载。数值模拟得到的滞回曲线见图ｌ４。从图１４　ＲＦ１（１ｄ　）　一，　’　一　三４ｏｏ　３００　２００　１ＯＯ　Ｒ，Ｉ　，．．　’　多。　０　Ｏｌ　一・试验曲线　・－　∞　连梁１５０ｍｍ　连梁３００ｍｍ　ｆ　ｌ　一・连粱４　５Ｉ０ａｒ　ｌｍ　０　Ｏ２　０　０３　０　０４　０　０５　０　０６　线　０　０　Ｕ１（１）　图１２跨高比对底部剪力一顶部位移曲线的影响　Ｆｉｇ．１２　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｐａｎ　ｔｏ　ｈｅｉｇｈｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ・ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｕｒｖｅｓ　图ｌ４模型ＧＪ３滞回曲线　Ｆｉｇ．１４　Ｈｙｓｔｅｒｉｃ　ｃｕｒｅｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ　ＧＪ３　中的滞回曲线可以看出，筒体开裂之前，滞回曲线近　似于直线，加载和卸载曲线基本重合，滞回环面积非　常小，试件处于弹性阶段。开裂初期，筒体刚度退　化，滞回环近似弓形，反映了一定的滑移影响。这主　要由于连梁开裂，产生了斜裂缝。随着连梁上斜裂　缝的扩展，滞回环面积逐渐增大，发展比较稳定，表　现出一定的耗能能力。当循环进入屈服阶段以后，　位移一次比一次增加，而结构的承载力变化很小，滞　从图ｌ２可以看出，连梁的刚度对试件开裂前的　弹性刚度影响较小，各模型开裂荷载和位移比较接　近。核心筒进入弹塑性阶段后，随着连梁刚度的增　大，混凝土核心筒的屈服荷载和最大荷载增加，而相　应的屈服位移和峰值位移减小。进一步分析可以发　现，连梁刚度变化主要影响混凝土筒体开裂后的性　能。连梁刚度较小，墙肢之间的错动能力较强，连梁　（ａ）连粱高为１５０ｌｎｌｎ　（ｂ）连粱高为４５０ｍｍ　图１３最大水平荷载时混凝土的应力云图　Ｆｉｇ．１３　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｕｂｅ　ａｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｌｏａｄ　ｐｏｉｎｔ　第３２卷第２期　史庆轩，等：钢筋混凝土核心筒结构受力性能的数值模拟研究　２００２，２２（３）：４２～５Ｏ（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　回曲线非常饱满，结构具备很强的能量吸收和耗散　能力。从图１４还可以看出，数值模拟的骨架曲线与　曹万林，黄选明，卢智成，吕西林．钢筋混凝土带暗支　撑核心简体抗震性能试验研究［Ｊ］．地震工程与工程　振动，２００５，２５（３）：８１～８７　Ｃａｏ　Ｗａｎ—ｌｉｎ，Ｈｕａｎｇ　Ｘｕａｎ—ｍｉｎｇ，Ｌｕ　Ｚｈｉ—ｃｈｅｎｇ，Ｌｉｉ　Ｘｉ—　ｌｉｎ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｗａｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｃｅａｌｅｄ　ｂｒａｃｉｎｇｓ　试验曲线符合较好。在弹性阶段两者基本吻合，在　弹塑性阶段，数值模拟得到的屈服后承载力比试验　结果要大一些。分析其原因，是数值模拟未考虑模　型的初始缺陷等，是一种较理想的分析结果。　４　结语　［Ｊ］．　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００５，２５（３）：８１～８７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　混凝土核心筒在实际工程中得到越来越广泛的　使用，而对其弹塑性分析和计算尚未得到很好解决。　本文利用数值模拟技术，系统分析了轴压比、配筋　率、加载角、高宽比和连梁剐度等对混凝土核心筒承　载力和变形性能的影响规律。结果表明，随着轴压　贾鹏，杜修力，赵均．不同轴压比钢筋混凝土核心筒　抗震性能［Ｊ］．北京工业大学学报，２００９，３５（１）：６３　～６８　Ｊｉａ　Ｐｅｎｇ，Ｄｕ　Ｘｉｕ—ｌｉ，Ｚｈａｏ　Ｊｕｎ．Ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｗａｌｌ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｉｅｒｅｎｔｆ　ａｘｉａｌ　ｌｏａｄ　比的增大，核心筒的开裂荷载和最大荷载都将先增　大后减小，临界轴压比约为０．６；随着配筋率的增　ｒａｔｉｏ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｒＬ　大，不但核心简的承载力显著提高，其位移延性也明　２　３　ｒＬ　ｒＬ　］　］　２００９，３５（１）：６３—６８（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　ｒＬ　］　ｒＬ　４　］　５　６　李国强，周向明，丁翔．高层建筑钢一混凝土混合结　］　显增强；加载角较大时，混凝土核心筒的空间性能发　挥的较充分，结构的承载力有一定程度的提高；高宽　比不但影响核心筒的承载力和变形性能，且决定筒　构模型模拟地震振动台试验研究［Ｊ］．建筑结构学　报，２００１，２２（２）：２～７　Ｌｉ　Ｇｕｏ—ｑｉａｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｘｉａｎｇ—ｍｉｎｇ，Ｄｉｎｇ　Ｘｉａｎｇ．Ｓｈａｋｉｎｇ　体的破坏形式；连梁刚度变化主要影响混凝土筒体　开裂后的性能；高宽比和连梁刚度对核心筒“剪力　滞后”现象影响显著。最后，通过对核心筒在循环　荷载作用下的分析，说明了本文模拟技术在实际工　ｔａｂｌｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔａｌｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００　１，　２２（２）：２～７（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　Ｍａｋｏｔｏ　Ｍａｒｕｔａ，Ｎｏｒｉｏ　Ｓｕｚｕｋｉ，Ｔａｋａｓｈｉ　Ｍｉｙａｓｈｉｔａ　ａｎｄ　Ｔａｋａｍａｓａ　Ｎｉｓｈｉｏｋａ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｈ—ｓｈａｐｅｄ　程中应用的可行性，对混凝土核心筒的弹塑性计算　具有一定的参考价值。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　ＲＣ　ｃｏｒｅ　ｗａｌｌ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｌａｔｅｒａｌ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｔｏｒｓｉｏｎ［Ａ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１２ｔｈ　ＷＣＥＥ［Ｃ］．Ｎｅｗ　Ｚｅａｌａｎｄ，　２０００，Ｐａｐｅｒ　Ｎｏ．１０２８　Ｎａｋａｃｈｉ　Ｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｙ　［１］　吕西林，李俊兰．钢筋混凝土核心筒体抗震性能试验　研究［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００２，２２（３）：４２～５Ｏ　Ｌｖ　Ｘｉ—ｌｉｎ．Ｌｉ　Ｊｕｎ－ｌａｎ．Ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｗａｌｌｓ　ａｆｔｅｒ　ｙｉｅｌｄｉｎｇ［Ａ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｌｔｈ　ＷＣＥＥ［ｃ］．Ｍｅｘｉｃｏ，１９９６，　Ｐａｐｅｒ　Ｎｏ．１７４７　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｗａｌｌｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，　［作者简介］　史庆轩（１９６３～），男，山东甄城人，博士，教授，博士生导师，主要从事土木工程结构及其抗震研究