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摘要：对钢框架-混凝土核心筒体系中钢梁与核心筒连接的两种连接方式进行比较。分析表明，采用刚接做法，在不提高造价前提下，能有效增强结构的抗震延性，提高结构的安全性。
关键词：钢框架-混凝土核心筒 铰接 刚接
TWO CONNECTIONS OF STEEL FRAME-CONCRETE CORE WALL STRUCTURES
ABSTRACT:
KEY WORDS:mixed framehinged connectionstiff connection
1 前言
目前，钢框架-混凝土核心筒体系在高层建筑中应用越來越普遍：外框架采用钢管混凝土柱(或纯钢柱)+钢梁，内筒采用钢筋混凝土结构，建筑高度较高时，可设置若干道伸臂桁架，增强结构的水平刚度。其中外框架的钢梁与混凝土核心筒的连接有两种方法：铰接、刚接。采用铰接连接时，施工比较简便，只需在混凝土核心筒外侧设置预埋件，施工时与钢梁用高强螺栓连接；采用刚接连接时，需在混凝土核心筒内埋置钢芯柱，预留钢牛腿与钢梁连接。下图为两种典型连接做法：
a-铰接连接b-刚接连接
图1
本文试对这两种连接进行比较分析。
2 抗震概念分析
与钢筋混凝土的框筒结构体系相似，钢框架-混凝土核心筒体系在水平荷载作用下，混凝土内筒是主要抗侧力结构，经楼板变形协调后，钢框架承担少量的水平剪力，混凝土内筒即承担大部分倾覆力矩，又承担大部分水平剪力。由于混凝土内筒的变形曲线是弯曲型的，而钢框架是呈剪切型，因此，经楼板变形协调后，钢框架在顶部水平剪力将大于下部。这类结构体系在地震力的持续作用下，混凝土内筒进入弹塑性阶段后，墙体产生裂缝，侧向刚度急剧下降，致使钢框架要承担比弹性阶段大的多的倾覆力矩和水平剪力。
由于钢梁与混凝土核心筒的连接方式不同，在剪力墙底部出现塑性铰之后结构体系是完全不同的：当钢梁与核心筒采用铰接时，由于核心筒底部出现裂缝形成塑性铰，侧向刚度急剧降低，而一般框架核心筒体系中，框架一般只有一跨，此时整个结构体系的水平刚度将快速降低，难以继续抵抗较大的地震力作用，整个结构体系会发生脆性破坏。在弹性阶段设计时，我们按照新《高规》[2]中9.1.11等条款规定对框架部分承担的地震剪力进行调整，增大结构安全性，但该安全储备在弹塑性阶段，混凝土核心筒大部分退出工作后仍显不够；当钢梁与核心筒采用刚接时，加强了框架与核心筒的连接，增加了结构冗余度，提高结构的弹性阶段水平承载能力，延缓了塑性铰的产生。即使进入弹塑性阶段，混凝土核心筒底部出现塑性铰，但由于外框架与受混凝土约束的芯柱刚，改体系也能形成具有一定抗侧力的体系，能继续抵抗一定的水平作用。在重大地震力作用下，结构体系会发生塑性破坏。
3典型工程分析
我们以一典型的钢框架-混凝土核心筒结构为例：地下2层，地上29层，标准层层高4.2米，主楼高度为123米。工程设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计抗震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，基本风压按100年一遇的风压采用，为0.6KN/m2，地面粗糙程度为B类。核心筒剪力墙厚度从650~300不等，并随高度递减，GKZ1为矩形钢管混凝土，截面为700x700，壁厚25、22、20，由上递减，GKL1截面为H600x300x12x22，钢材材质均为Q345-C，标准层平面图如下，：
图2 结构平面图
我们仅对钢梁与核心筒的连接方式做调整，其余不变。采用SATWE程序分析，计算发现两种连接方式对钢梁的应力比影响比较大，以C轴北侧处GKL1为例，强度计算应力比比较如下：
图3应力比对比
通过上图比较发现，当钢梁与核心筒铰接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.62~0.67，出现在钢柱一侧；当钢梁与核心筒刚接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.55~0.76，出现在核心筒一侧。可见由于刚接作用，钢框架与混凝土核心筒的相互作用增强，对于两种材质，两种结构形式组合而成的混合结构，这是有利于结构安全性的。此外，我们分析两种连接方式的其他计算信息，其中最大层间位移角与顶点位移均为该方向风荷载作用下的数值：
=
表1 铰接、刚接比较
上表中，铰接与刚接一表示结构布置相同，仅钢梁与核心筒连接方式不同。由于采用刚接做法，结构的刚度增加，第一周期显著变小，X方向的最大层间位移角和顶点最大位移都相应显著变小，结构的舒适性有明显提高，但用钢量有所增加，此外，由于采用刚接做法，楼面的竖向荷载能够更有效的传递至剪力墙一侧，使得钢柱的轴压比减小。刚接二为在刚接一基础上进行优化，使计算指标接近铰接做法，X方向主要剪力墙厚度减小100~150mm，局部剪力墙取消，钢管混凝土住的钢板厚度每层均减小2mm，。对比发现，在满足接近的计算指标前提下，采用刚接做法，可以适当减小剪力墙的厚度和数量，降低剪力墙部分的土建造价，增加建筑的有效使用面积，此外钢结构部分用钢量也有所减小。但由于核心筒需预埋芯柱，施工成本会略有增加。
4 结论
综上所述，在钢框架-混凝土核心筒体系中，采用钢梁与核心筒刚接的做法，能有效的提高结构的抗震性能，增加安全性，降低造价，减小核心筒的结构面积。广大设计工作者，在条件允许的前提下，应尽量采用该连接方式。
参考文献
[1] GB 5011-2010 建筑抗震设计规范
[2] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程
[3] 陈国富 邱国桦 范重.高层建筑钢结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2000 ISBN 7-112-03766-2
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：钢框架-混凝土核心筒 铰接 刚接
TWO CONNECTIONS OF STEEL FRAME-CONCRETE CORE WALL STRUCTURES
ABSTRACT:
KEY WORDS:mixed framehinged connectionstiff connection
1 前言
目前，钢框架-混凝土核心筒体系在高层建筑中应用越來越普遍：外框架采用钢管混凝土柱(或纯钢柱)+钢梁，内筒采用钢筋混凝土结构，建筑高度较高时，可设置若干道伸臂桁架，增强结构的水平刚度。其中外框架的钢梁与混凝土核心筒的连接有两种方法：铰接、刚接。采用铰接连接时，施工比较简便，只需在混凝土核心筒外侧设置预埋件，施工时与钢梁用高强螺栓连接；采用刚接连接时，需在混凝土核心筒内埋置钢芯柱，预留钢牛腿与钢梁连接。下图为两种典型连接做法：
a-铰接连接b-刚接连接
图1
本文试对这两种连接进行比较分析。
2 抗震概念分析
与钢筋混凝土的框筒结构体系相似，钢框架-混凝土核心筒体系在水平荷载作用下，混凝土内筒是主要抗侧力结构，经楼板变形协调后，钢框架承担少量的水平剪力，混凝土内筒即承担大部分倾覆力矩，又承担大部分水平剪力。由于混凝土内筒的变形曲线是弯曲型的，而钢框架是呈剪切型，因此，经楼板变形协调后，钢框架在顶部水平剪力将大于下部。这类结构体系在地震力的持续作用下，混凝土内筒进入弹塑性阶段后，墙体产生裂缝，侧向刚度急剧下降，致使钢框架要承担比弹性阶段大的多的倾覆力矩和水平剪力。
由于钢梁与混凝土核心筒的连接方式不同，在剪力墙底部出现塑性铰之后结构体系是完全不同的：当钢梁与核心筒采用铰接时，由于核心筒底部出现裂缝形成塑性铰，侧向刚度急剧降低，而一般框架核心筒体系中，框架一般只有一跨，此时整个结构体系的水平刚度将快速降低，难以继续抵抗较大的地震力作用，整个结构体系会发生脆性破坏。在弹性阶段设计时，我们按照新《高规》[2]中9.1.11等条款规定对框架部分承担的地震剪力进行调整，增大结构安全性，但该安全储备在弹塑性阶段，混凝土核心筒大部分退出工作后仍显不够；当钢梁与核心筒采用刚接时，加强了框架与核心筒的连接，增加了结构冗余度，提高结构的弹性阶段水平承载能力，延缓了塑性铰的产生。即使进入弹塑性阶段，混凝土核心筒底部出现塑性铰，但由于外框架与受混凝土约束的芯柱刚，改体系也能形成具有一定抗侧力的体系，能继续抵抗一定的水平作用。在重大地震力作用下，结构体系会发生塑性破坏。
3典型工程分析
我们以一典型的钢框架-混凝土核心筒结构为例：地下2层，地上29层，标准层层高4.2米，主楼高度为123米。工程设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计抗震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，基本风压按100年一遇的风压采用，为0.6KN/m2，地面粗糙程度为B类。核心筒剪力墙厚度从650~300不等，并随高度递减，GKZ1为矩形钢管混凝土，截面为700x700，壁厚25、22、20，由上递减，GKL1截面为H600x300x12x22，钢材材质均为Q345-C，标准层平面图如下，：
图2 结构平面图
我们仅对钢梁与核心筒的连接方式做调整，其余不变。采用SATWE程序分析，计算发现两种连接方式对钢梁的应力比影响比较大，以C轴北侧处GKL1为例，强度计算应力比比较如下：
图3应力比对比
通过上图比较发现，当钢梁与核心筒铰接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.62~0.67，出现在钢柱一侧；当钢梁与核心筒刚接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.55~0.76，出现在核心筒一侧。可见由于刚接作用，钢框架与混凝土核心筒的相互作用增强，对于两种材质，两种结构形式组合而成的混合结构，这是有利于结构安全性的。此外，我们分析两种连接方式的其他计算信息，其中最大层间位移角与顶点位移均为该方向风荷载作用下的数值：
=
表1 铰接、刚接比较
上表中，铰接与刚接一表示结构布置相同，仅钢梁与核心筒连接方式不同。由于采用刚接做法，结构的刚度增加，第一周期显著变小，X方向的最大层间位移角和顶点最大位移都相应显著变小，结构的舒适性有明显提高，但用钢量有所增加，此外，由于采用刚接做法，楼面的竖向荷载能够更有效的传递至剪力墙一侧，使得钢柱的轴压比减小。刚接二为在刚接一基础上进行优化，使计算指标接近铰接做法，X方向主要剪力墙厚度减小100~150mm，局部剪力墙取消，钢管混凝土住的钢板厚度每层均减小2mm，。对比发现，在满足接近的计算指标前提下，采用刚接做法，可以适当减小剪力墙的厚度和数量，降低剪力墙部分的土建造价，增加建筑的有效使用面积，此外钢结构部分用钢量也有所减小。但由于核心筒需预埋芯柱，施工成本会略有增加。
4 结论
综上所述，在钢框架-混凝土核心筒体系中，采用钢梁与核心筒刚接的做法，能有效的提高结构的抗震性能，增加安全性，降低造价，减小核心筒的结构面积。广大设计工作者，在条件允许的前提下，应尽量采用该连接方式。
参考文献
[1] GB 5011-2010 建筑抗震设计规范
[2] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程
[3] 陈国富 邱国桦 范重.高层建筑钢结构设计.北京：中国建筑工业出版社，2000 ISBN 7-112-03766-2
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。