淺談框架—核心筒結(jié)構(gòu)

王潤清

【摘要】本篇論文介紹了在中國高層建筑中被廣泛采用的框架—核心筒結(jié)構(gòu)。通過其簡單的力學(xué)分析，了解其受力特點(diǎn)。為了滿足抗風(fēng)抗震性要求，其具體的設(shè)計規(guī)范。通過上海中心大廈的簡易分析，讓人們簡單深刻認(rèn)識到框架—核心筒結(jié)構(gòu)。同時提出了我國目前在框架—核心筒結(jié)構(gòu)技術(shù)中研究方面的不足與問題。

【關(guān)鍵詞】 框架—核心筒；力學(xué)分析；設(shè)計

1、框架—核心筒技術(shù)的發(fā)展

框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系是伴隨著高層建筑的發(fā)展而出現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于筒體結(jié)構(gòu)，用于30層以上的超高層建筑，經(jīng)濟(jì)高度不超過80層為限。簡單來說，中央是鋼筋混凝土核心筒（薄壁筒）外圍梁柱構(gòu)成的框架受力體系，一般梁柱距為5～12m. 框架—核心筒結(jié)構(gòu)有不同的形式，其框架部分可采用鋼骨混凝土柱（或鋼骨混凝土柱）和鋼梁的組合框架。此外，周邊鋼架必要時可設(shè)置鋼支撐加強(qiáng)。

第二次世界大戰(zhàn)后，伴隨著鋼材焊接技術(shù)的成熟和發(fā)展，世界和平帶來的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。在世界范圍內(nèi)，掀起了高層建筑建設(shè)的高潮。尤其是在60年代美國人坎恩提出了框筒體系，為高層建筑的設(shè)計帶來了理想的結(jié)構(gòu)形式。芝加哥的Gateway III Building（36層，137米）是最早用到鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的建筑。在這短短的幾十年里，一座座摩天大樓拔地而起，這其中框架核心筒結(jié)構(gòu)功不可沒，尤其深受中國結(jié)構(gòu)工程師喜愛。例如在我國位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)的環(huán)球金融中心，高度達(dá)492米，地上101層，地下3層，為鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。還有上海金茂大廈（88層420.5m）、深圳地王大廈（81層325米）。然而隨著時代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人類不斷完善和衍生了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以中央核心筒為主導(dǎo)的高層建筑“內(nèi)核”空間構(gòu)成模式也受到挑戰(zhàn)。

2、框架—核心筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性

在建筑空間使用上可以很好的優(yōu)化整合，爭取了盡量寬敞的空間，將電梯、樓梯、設(shè)備用房以及衛(wèi)生間、茶爐房等服務(wù)性用房向平面的中央靠近，那么相應(yīng)的，人們的辦公的功能空間就會有最佳的采光位置，視線良好。

雙重的抗側(cè)力系。鋼筋混凝土筒體與框架相結(jié)合形成的雙重抗側(cè)結(jié)構(gòu)能夠滿足高層建筑的抗風(fēng)、抗震的要求。結(jié)構(gòu)墻和筒體具有較大的側(cè)向剛度，對結(jié)構(gòu)的層間位移有很好的控制作用，并且在結(jié)構(gòu)上部樓層部位延性框架與結(jié)構(gòu)墻和筒體相互作用，可以起到明顯的能量消耗作用。

結(jié)構(gòu)面積小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于在鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系中，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)中鋼柱承擔(dān)較少的剪力，其截面甚至可以小于鋼結(jié)構(gòu)中的柱子?？蓽p少柱子在建筑面積上的使用，增大功能空間。

施工速度快?？蚣堋诵耐步Y(jié)構(gòu)的建筑物是通常安排混凝土核心筒先施工，然后根據(jù)筒體施工的進(jìn)度安排鋼框架的施工， 最后壓型板上澆筑混凝土。施工周期相應(yīng)縮短。

3、框架—核心筒結(jié)構(gòu)的簡單力學(xué)力學(xué)分析

核心筒彎曲為彎曲型 框架彎曲為剪切型

在受到水平荷載時，框架—核心筒結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢，當(dāng)各層剛度相同時，單獨(dú)的框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線是剪切型，曲線凹向原始位置，而核心筒的側(cè)移曲線是彎曲型。這使得框架—核心筒結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線介于彎曲型與剪切型之間。在這種情況下，在結(jié)構(gòu)底部，框架將核心筒拉向一側(cè)，說明核心筒牽制著框架變形，而在頂部是框架牽制核心筒的變形，又由于剛度相同，側(cè)向位移連續(xù)性變化，因此核心筒與框架這種組合形式具有良好的抗側(cè)力，同時能夠避免結(jié)構(gòu)在柱上產(chǎn)生塑性鉸，形成薄弱層。而且通過國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)核心筒在地震作用下的開裂，導(dǎo)致整體的剛度和強(qiáng)度下降，核心筒底部剪力降低，而外框架承擔(dān)的底部剪力顯著提高，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)力的重新分布，同時連梁發(fā)生了屈服協(xié)調(diào)核心筒和外框架的協(xié)調(diào)抗震能力，故仍然具有良好的抗震性。

3、框架—核心筒受力特點(diǎn)

豎直上受力特點(diǎn)：在無加強(qiáng)層的情況下，隨著結(jié)構(gòu)高度的上升，核心筒和外框架之間的變形增大，外框架上的剪力和彎矩都隨高度上升而增大。同時需要調(diào)整的內(nèi)力和變形也增大，因此連梁上傳遞的內(nèi)力也隨之上升。

水平上受力特點(diǎn)：框架—核心筒結(jié)構(gòu)平面上，核心筒受到大部分的剪力，而周邊框架較少。同時若有大梁的樓板，則核心筒受到的剪力將會增加，但是核心筒受到的傾覆力矩將會減小。

4、以上海中心大廈為實(shí)例作簡易分析

上海中心大廈結(jié)構(gòu)上采用了“巨型框架—核心筒—伸臂桁架”抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。巨型框架結(jié)構(gòu)由8根巨型柱、4根角柱以及8道位于設(shè)備層兩個樓層高的箱形空間環(huán)帶桁架組成，巨型柱和角柱均采用鋼骨混凝土柱。而核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式由底區(qū)的方形逐漸過渡到高區(qū)的十字形。建立簡易模型后，在框架—核心筒結(jié)構(gòu)中，樓板相當(dāng)于鉸鏈連桿，框架與筒體通過樓板使它們在水平荷載作用下保持側(cè)移一致，這時由受力特點(diǎn)可知，框架只承擔(dān)很小的一部分水平荷載，筒體承擔(dān)大部分水平荷載。所以核心筒所承受的傾覆力矩很大，而通過8道空間環(huán)帶桁架（加強(qiáng)層）相當(dāng)于伸臂將所有外圍框架柱與筒體連為一體，形成一個整體結(jié)構(gòu)來抵御傾覆力矩，因?yàn)橛型庵鶇⑴c使得結(jié)構(gòu)的等效力臂增大，抗傾覆能力增大，從而更加安全。

5、簡單對框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震性分析

隨著近年來，我國地震頻發(fā)，國家對建筑的抗震性關(guān)注也很大，抗震性成為了建筑設(shè)計與施工的重要指標(biāo)?？蚣堋诵耐布夹g(shù)材料上采用了鋼和混凝土，鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度非常高，而且鋼材結(jié)構(gòu)斷面小，自重輕，可以減輕基礎(chǔ)的負(fù)載。在地震作用時，鋼結(jié)構(gòu)一部分能夠進(jìn)入塑性狀態(tài)而不突然斷裂，具有良好的延性，能夠吸收一部分能量，但是隨著建筑物高度的增加，鋼框架結(jié)構(gòu)變形就會很大，此時的鋼筋混凝土做成的核心筒塑性相對較小，但是強(qiáng)度高，造價相對比鋼結(jié)構(gòu)低。這種結(jié)構(gòu)充分利用了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的優(yōu)點(diǎn)。在這樣的簡單的抗震分析中，可以看出框架—核心筒結(jié)構(gòu)的合理性，優(yōu)越性。

6、框架—核心筒的設(shè)計

1、核心筒設(shè)計

（1）核心筒為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，要求有較大的側(cè)向強(qiáng)度，當(dāng)核心筒的寬度不小于筒體總高度的1/12時，結(jié)構(gòu)的層間位移就能滿足規(guī)定，當(dāng)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)置角筒、剪力墻或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件時，核心筒的寬度可適當(dāng)減小。

（2）核心筒內(nèi)部墻肢宜均勻、對稱布置。

（3）筒體角部不宜開洞，當(dāng)不可避免時，筒角內(nèi)壁至洞口的距離不應(yīng)小于500mm和開洞墻的截面厚度。

（4）為提高核心筒個墻肢自身平面外的承載力和抗裂度，筒體墻的水平、豎向配筋不應(yīng)少于兩排。

（5）抗震設(shè)計時，核心筒的連梁宜通過配交叉暗撐、設(shè)置水平縫或減小梁截面的高寬比等措施來提高連梁的延性。

（6）核心筒外墻的截面厚度不應(yīng)小于層高的1/20及200mm，對一級、二級抗震設(shè)計的底部加強(qiáng)部位不宜小于層高的1/16及200mm，對一級、二級抗震設(shè)計的底部加強(qiáng)部位不宜小于層高的1/16及200mm，當(dāng)厚度不滿足上述要求時，應(yīng)計算墻體的穩(wěn)定，必要時可增設(shè)扶壁或扶壁墻；在滿足承載力要求以及軸壓比限值（僅對抗震設(shè)計）時，核心筒可適當(dāng)減薄，但不應(yīng)小于160mm.

2、框架設(shè)計

國內(nèi)外的震害表明，框架—核心筒結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下?lián)p壞程度明顯大于核心筒。滿足下式要求的樓層，其框架總剪力不必調(diào)整；不滿足要求的樓層，其框架承擔(dān)的總剪力應(yīng)按0.2V0與1.5Vf，max二者的較小值采用。

Vf ≥ 0.2V0

式中 V0——地震作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)底部總剪力的標(biāo)準(zhǔn)值。

Vf，max——地震作用產(chǎn)生的各層框架總剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值。

各層框架柱在地震作用下的剪力和彎矩可按相應(yīng)層的調(diào)整系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

純無梁樓蓋會明顯降低框架—核心筒結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度，影響結(jié)構(gòu)的抗震系數(shù)，因此在采用無梁樓蓋時，仍須設(shè)置外周邊柱間的框架梁。

框架的形狀沒有限制，框架柱距大，布置靈活，有利于建筑立面多樣化。但結(jié)構(gòu)平面布置盡可能規(guī)則、對稱，以減小扭轉(zhuǎn)的影響。核心筒與外柱距離一般以10～12m為宜，如果距離很大，則需要另設(shè)內(nèi)柱。

3、樓蓋結(jié)構(gòu)

（1） 應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，使其具有良好的平面內(nèi)剛度與整體性，以確?？蚣芘c核心筒的協(xié)同工作。

（2） 核心筒外緣樓板不宜開設(shè)較大的洞口。

（3）樓面梁不宜支撐在核心筒外圍的連梁上。

（4） 核心筒內(nèi)部樓板，厚度≥120mm，雙層雙向配筋。

6、目前框架—核心筒結(jié)構(gòu)存在的問題

在框架—核心筒結(jié)構(gòu)高樓中電梯一般在核部，給交通運(yùn)輸帶來了壓力，特別是在火災(zāi)、地震災(zāi)害時，給人們的疏散帶來了難題。同時由于建筑設(shè)備大部分在核部的設(shè)備用房和管道井內(nèi)，給管理和維修帶來了問題。

有受力特點(diǎn)可知，該結(jié)構(gòu)大部分的剪力和彎矩分配給了核心筒。如果過分依賴核心筒，核心筒與外框架無法合理分擔(dān)地震力，由于這種在抗震結(jié)構(gòu)上的不協(xié)調(diào)，使得核心筒極易損傷和破壞，而且一旦破壞將很難修復(fù)和處理。

同時，我國國內(nèi)沒有提出非常好的外框架核心筒的剛度以及承載力的比例關(guān)系，從而在實(shí)際指導(dǎo)施工的過程中很難找到一個經(jīng)濟(jì)又能保證建筑安全的剛度比范圍。

7、結(jié)束語

由于框架—核心筒結(jié)構(gòu)造價相對較低，同時具有良好的安全性，所以目前在我國的高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。但是我國在該結(jié)構(gòu)中研究還是相對較慢，所以需要未來的研究工作者將這種結(jié)構(gòu)更完善，更安全，更經(jīng)濟(jì)。為我國高層建筑的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。

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