高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

林 雪

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350004 )

高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

林 雪

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計(jì)院 福建福州 350004 )

對(duì)復(fù)雜的框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行多遇地震下彈性計(jì)算、用彈性時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，并滿足預(yù)期結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。本文通過工程實(shí)例對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較、對(duì)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和關(guān)鍵部位采取有效的抗震加強(qiáng)措施。同時(shí)還探討了核心筒連梁截面選取對(duì)整體抗震性能的影響，并對(duì)剪力墻平面外與梁相交時(shí)的連接處理問題進(jìn)行了分析。

框架-核心筒; 彈性計(jì)算; 彈性時(shí)程分析;中震不屈服;樓板有限元性能分析;連梁

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引 言

筒體是一種空間受力構(gòu)件，由豎向筒體為主組成，承受豎向和水平荷載作用。筒體結(jié)構(gòu)具有造型美觀、使用靈活、受力合理以及整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于較高的高層建筑。筒體結(jié)構(gòu)根據(jù)平面墻柱布置情況主要可分為框架-核心筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)。

框架-核心筒利用建筑功能的需要在內(nèi)部組成核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，在外圍布置大柱距的框架(一般8～12m)，其受力狀況與框架剪力墻相同。但由于平面布置的規(guī)則性和內(nèi)部核心筒的空間性能優(yōu)越性使其受力性能、適用高度優(yōu)于一般的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在高層及超高層建筑中被廣泛應(yīng)用。本文通過工程實(shí)例對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些探討:

1 工程概況

本工程位于福州市臺(tái)江區(qū)，設(shè)2層地下室，1～3層為商業(yè)層高5.4m,4～22層為辦公層高3.8m，建筑總高度94.75m。設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級(jí)二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場(chǎng)地類別Ⅲ類，特征周期0.55S?；撅L(fēng)壓0.7KN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。

剪力墻核心筒部分作為抵抗水平力的主要構(gòu)件，考慮到結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有一定的延性，核心筒采用低軸壓比設(shè)計(jì)。外筒最大厚度450mm，控制最大軸壓比為0.45。外圍框架柱最大截面為1200x1400mm主要承受豎向荷載。核心筒與外框架連接處盡可能設(shè)置扶壁柱或暗柱，以保證核心筒與外框架的可靠連接。標(biāo)準(zhǔn)層平面簡(jiǎn)圖如下：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 多遇地震下彈性計(jì)算分析

多遇地震下采用SATWE計(jì)算軟件進(jìn)行彈性計(jì)算分析，并用盈建科復(fù)核。結(jié)構(gòu)在多遇地震、風(fēng)荷載及重力荷載作用下的內(nèi)力和位移按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算?？拐鹩?jì)算考慮扭轉(zhuǎn)、偶然偏心和雙向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，平扭耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。墻、柱軸向變形內(nèi)力計(jì)算分析應(yīng)按模擬施工3分層加載來考慮施工過程的影響?？蚣芰?、連梁等構(gòu)件可考慮局部塑性變形引起的內(nèi)力重分布。樓板在自身平面內(nèi)為無限剛性。主要計(jì)算結(jié)果指標(biāo)如(表1)：

表1 結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

2.2 彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算

本工程屬于豎向體型收進(jìn)的復(fù)雜高層，采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算。根據(jù)場(chǎng)地性質(zhì)取3條地震波，其中2條為天然波，1條為人工波。地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為35cm/s2，地震波的持續(xù)時(shí)間不宜小于建筑結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍和15s，地震波的時(shí)間間距可取0.01s。

圖2 彈性時(shí)程分析主要內(nèi)力及位移曲線圖

X向基底剪力與CQC法比值Y向基底剪力與CQC法比值CQC法1582913037場(chǎng)地譜1240478%1015977%天然波11560698%1211692%天然波21220477%1082083%平均值1340584%1103285%

地震波產(chǎn)生的基底(地上首層)剪力與振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)基底剪力比較，結(jié)果顯示CQC法的層間剪力曲線基本能包絡(luò)所選的三條地震波對(duì)應(yīng)的平均層間剪力曲線，樓層位移曲線、層間位移角曲線光滑無突變，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較均勻。層間位移角曲線形狀相似、光滑，結(jié)構(gòu)剛度較均勻。但頂層CQC法的地震剪力偏小，設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)頂層剪力進(jìn)行調(diào)整。地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與CQC法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%。3條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%。振型分解反應(yīng)譜法地震作用效應(yīng)計(jì)算結(jié)果大于3條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值。地震波選擇滿足高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(簡(jiǎn)稱“高規(guī)”)要求，時(shí)程分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。

以上兩組問題教學(xué)，指向于不同的教學(xué)維度。第一組問題指向于兒童已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)發(fā)生關(guān)聯(lián)，即對(duì)稱軸的畫法與圖形本身的特征建立聯(lián)系，使得學(xué)生對(duì)軸對(duì)稱圖形的認(rèn)識(shí)從“畫對(duì)稱軸”上升到理性層面。第二組問題指向于兒童的思維生成、重塑與再發(fā)展，即教師引領(lǐng)學(xué)生從探究有限的邊數(shù)，逐漸向無限的邊數(shù)的探究，從形象思維逐漸走向抽象思維。學(xué)生在探究中經(jīng)歷數(shù)學(xué)知識(shí)的生成與發(fā)展，體悟和理解無限的奧秘。

2.3 多遇地震設(shè)計(jì)和中震不屈服設(shè)計(jì)對(duì)比分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能化目標(biāo)D的設(shè)計(jì)要求，設(shè)防烈度地震工況應(yīng)滿足第4抗震性能水準(zhǔn)。多遇地震下各構(gòu)件完好無損，設(shè)防烈度地震下關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞、部分普通豎向構(gòu)件中度損壞、耗能構(gòu)件損壞、建筑修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。關(guān)鍵構(gòu)件抗震承載力滿足“屈服承載力設(shè)計(jì)”的要求即按照中震不屈服進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

計(jì)算中各參數(shù)處理如下：地震影響力系數(shù)按需小震的2.8倍取值；荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，組合時(shí)不考慮風(fēng)荷載；與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)取為1.0；不考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)；鋼筋和砼材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。

在多遇地震工況下：框架柱與核心筒各層均未出現(xiàn)拉力，框架柱在小震作用下基本為構(gòu)造配筋，軸壓力較大，剪力按0.2Q0進(jìn)行調(diào)整。

在設(shè)防烈度地震工況下(中震不屈服設(shè)計(jì))：框架柱各層未出現(xiàn)拉力，核心筒剪力墻在底部加強(qiáng)區(qū)范圍出現(xiàn)拉力，底層外框筒角部拉應(yīng)力比達(dá)到3.51?？蚣苤浣罨緵]有變化，剪力墻配筋值大于按小震計(jì)算的配筋值。(下圖為中震不屈服計(jì)算的底層墻偏拉驗(yàn)算簡(jiǎn)圖)

圖3 底層柱、墻底部偏拉驗(yàn)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)高規(guī)第7.2.10條、7.2.11條，地震工況下剪力墻的斜截面受剪承載力計(jì)算公式為：

(1)

N大于0.2fcbwhw時(shí)，應(yīng)取0.2fcbwhw。

(2)

根據(jù)偏心受壓(1)、偏心受拉(2)斜截面受剪承載力計(jì)算公式分析，在小震下剪力墻為偏壓構(gòu)件，軸壓力有利于受剪承載力，但壓力增大到一定程度后，對(duì)抗剪的有利作用減??；在中震下當(dāng)剪力墻局部出現(xiàn)拉力時(shí)，軸向拉力對(duì)受剪承載力有不利的影響，較大的拉力將大大降低剪力墻的抗剪承載力。僅按小震所需的水平分布筋不一定能滿足抗剪承載力要求宜按中震進(jìn)行復(fù)核。

本工程底部加強(qiáng)區(qū)角部墻體在中震下出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域需增加水平筋以滿足抗剪要求，其余位置原水平分布筋中震下均能滿足抗剪承載力要求。對(duì)角部開洞較大的外框筒剪力墻的配筋按中震不屈服進(jìn)行復(fù)核，并按高規(guī)要求底部加強(qiáng)部位主要墻體的水平和豎向分布筋配筋率不小于0.3%；底部加強(qiáng)部位角部墻體約束邊緣構(gòu)件沿墻肢長(zhǎng)度取墻肢截面高度的1/4，約束邊緣構(gòu)件范圍內(nèi)應(yīng)主要采用箍筋；底部加強(qiáng)區(qū)以上角部墻體均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

根據(jù)規(guī)范剪力墻底部允許出現(xiàn)塑性鉸作為耗能區(qū)域，并通過“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則提高抗剪承載力及設(shè)置約束邊緣構(gòu)件等措施，確保剪力墻底部的延性。但當(dāng)剪力墻底部大面積出現(xiàn)較大拉力時(shí)，可能完全喪失抗剪承載力，這種破壞形式與塑性鉸不同，設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視并避免。

2.4 對(duì)平面不規(guī)則樓板補(bǔ)充平面有限元性能分析

對(duì)平面凹凸尺度較大、開洞較多的樓層，裙房屋面等平面不規(guī)則的樓板，考慮其受力復(fù)雜可能產(chǎn)生應(yīng)力集中按彈性板進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。

標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示在電梯井、樓梯等洞口邊緣及核心筒周邊板應(yīng)力值較大。平時(shí)工況下最大值為1.4N/mm2， 板內(nèi)拉應(yīng)力均不大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.43N/mm2。地震工況下僅個(gè)別位置最大值為2.4N/mm2采取附加板筋承受此應(yīng)力。(平時(shí)工況標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)力如下圖)

圖4 第6層樓板應(yīng)力等值線圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層核心筒內(nèi)部及周邊板厚加大，配筋加強(qiáng)；樓蓋外角設(shè)置雙層雙向鋼筋并滿足高規(guī)的配筋率及構(gòu)造要求。二層樓面(入口大廳)、裙房屋面板厚加大為150mm，大屋面板厚120mm，設(shè)置雙層雙向鋼筋以達(dá)到性能要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

3.1 核心筒連梁截面選取對(duì)整體抗震性能的影響

通常情況下，剪力墻在水平荷載作用下墻肢底部所受彎矩最大，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈彎曲變形為主，受拉墻肢與受壓墻肢的變形的不一致直接造成連梁的兩端產(chǎn)生反向相對(duì)變形，所以連梁承受了比較大的剪力，它將兩端墻肢連接起來，此種雙肢剪力墻的受力特點(diǎn)與連梁的跨高比、連梁與墻肢的剛度比有直接的聯(lián)系，一般情況下，破壞時(shí)首先出現(xiàn)在中間樓層處的連梁與剪力墻連接部位。隨著荷載的增加，其他層連梁端部相繼屈服。

表3 不同截面高度的連梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的比較

結(jié)構(gòu)計(jì)算中，在核心筒剪力墻保持不變的情況下，外框筒連梁的剛度越大，核心筒所具有的抗扭剛度就越大。隨著連梁高度降低，核心筒抗側(cè)剛度減小，結(jié)構(gòu)自振周期加大，結(jié)構(gòu)所吸收的地震力減小，墻肢所承擔(dān)的彎矩百分比減小，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角和頂層位移加大。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比加大。

高規(guī)規(guī)定結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)盡量減少扭轉(zhuǎn)的影響。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9。同時(shí)還須保證核心筒墻體所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的50%。

當(dāng)連梁的跨高比較小時(shí)，破壞時(shí)容易出現(xiàn)剪切斜裂縫，如果部分連梁剪切破壞或全部剪切破壞，則墻肢間的約束將削弱或全部消失，聯(lián)肢剪力墻蛻化成多個(gè)獨(dú)立墻肢。結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)大大降低，承載力也隨之降低，并最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。當(dāng)連梁的跨高比較大時(shí)，破壞時(shí)梁端會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫，地震作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫。在結(jié)構(gòu)受到往復(fù)的地震力作用時(shí)，耗能能力較強(qiáng)的連梁可以通過自身的逐步破壞，消耗較大的地震能量，縱向鋼筋屈服，砼被壓碎從而形成塑性鉸，塑性鉸能夠傳遞彎矩和剪力繼續(xù)起到約束墻肢的作用，逐步降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，確保其他更重要的豎向承載構(gòu)件的安全?？绺弑容^大的連梁在地震作用下，其塑性鉸的發(fā)展更加充分，轉(zhuǎn)動(dòng)能力也更強(qiáng)。在同等條件下，跨高比較大的連梁具有更好的耗能能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)反復(fù)調(diào)整連梁的截面進(jìn)行試算，達(dá)到延性設(shè)計(jì)和耗能性能的良好統(tǒng)一。

3.2 剪力墻平面外與梁相交時(shí)的連接處理

當(dāng)樓面梁與剪力墻平面外相交時(shí)，剪力墻承受由梁端傳來的豎向荷載和平面外彎矩，還承受自身平面內(nèi)由上至下疊加的軸力，在這些荷載作用下剪力墻呈偏心受壓狀態(tài)。剪力墻的特點(diǎn)是平面內(nèi)剛度及承載力大，平面外剛度和承載力都很小。當(dāng)剪力墻平面外作為跨度大于5m的梁的支座時(shí)，在地震力的作用下剪力墻可能出現(xiàn)豎向裂縫，如果彎矩較大，也會(huì)出現(xiàn)平面外破壞。

針對(duì)此問題高規(guī)7.1.6條要求可沿樓面梁軸線方向設(shè)置扶壁柱或在剪力墻平面內(nèi)設(shè)置暗柱。設(shè)置扶壁柱時(shí)，其截面寬度不應(yīng)小于梁寬(圖1)；設(shè)置暗柱時(shí)，暗柱的截面寬度可取梁寬加2倍墻厚(圖2)。同時(shí)可通過砼規(guī)范偏心受壓構(gòu)件正截面受壓承載力計(jì)算公式確定暗柱和扶壁柱的縱向鋼筋。暗柱受彎承載力尚不宜小于梁端截面受彎承載力的1.1倍及正常使用極限狀態(tài)下的要求。

當(dāng)單面有大跨梁與剪力墻暗柱連接時(shí)，為避免梁端彎矩過大造成暗柱破壞，在滿足平時(shí)工況前提下，可對(duì)梁端彎矩進(jìn)行較大的調(diào)幅，并采用小直徑的縱向鋼筋以便滿足鋼筋錨固要求(梁跨中彎矩應(yīng)按平衡條件作相應(yīng)調(diào)整)。當(dāng)錨固段的水平投影長(zhǎng)度不滿足要求時(shí)還可將樓面梁伸出前面形成梁頭(圖5)。工程設(shè)計(jì)可采用梁端水平加腋的方法直接加大嵌固作用的有效長(zhǎng)度(圖3)，也可采用設(shè)置邊框梁的方式增加剪力墻平面外梁端嵌固的局部剛度(圖4)。

圖5 剪力墻與梁鉸接時(shí)構(gòu)造處理

4 結(jié)論與建議

由于建筑使用功能及立面造型等原因造成結(jié)構(gòu)體系的不規(guī)則，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析比較，并采取有效的構(gòu)造措施。在能夠滿足承載力使用要求和變形要求的同時(shí)確保結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟(jì)、合理。

基于多年工程實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出如下建議供參考：

(1)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的高層建筑進(jìn)行多遇地震下彈性計(jì)算；用彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算；

(2)應(yīng)滿足預(yù)期結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和關(guān)鍵部位提高抗震承載力和變形能力，按照中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核。

(3)對(duì)平面不規(guī)則樓板補(bǔ)充平面有限元性能分析,樓面剛度變化較大，應(yīng)力較大部位采取加強(qiáng)措施。

(4)連梁通常按“強(qiáng)墻弱梁” “強(qiáng)剪弱彎”進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其作為抗震耗能的第一道防線。連梁作為主要耗能構(gòu)件其截面的選取對(duì)核心筒的抗彎能力與整體抗側(cè)剛度有很大影響。

(5)剪力墻平面外剛度和承載力都很小，當(dāng)樓面梁與墻平面外相交時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┰黾訅w平面外的剛度。

[1]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50011-2010,設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].

[4]多層及高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,地震出版社.

Discussion on the Frame-core tube Structure Design of High-rise Building

LINXue

(Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute ，F(xiàn)uzhou 350004)

The seismic design of the complex frame - core tube structure should be carried out at least two different mechanical models. Using elastic time history analysis to carry out the calculation, and meet the requirements of the seismic performance of the expected structure design objectives. In this paper, the seismic design of the frame core tube structure is analyzed and compared with the engineering examples, and the main components and key parts of the structure are taken as effective measures for seismic strengthening. Were also discussed core tube coupling beam is selected on the seismic performance of the overall impact, and outside the plane of shear wall and beam intersect connection problems are analyzed.

Frame-core tube;Elastic Calculation; Elastic Time Analysis; Middle Seisms Unyieldingness; Finite Element Analysis of Floors. Coupling Beam

林雪(1972- )，女，高級(jí)工程師。

2015-06-19

TU973

A

1004-6135(2015)09-0052-05