框架—核心筒結構柱網(wǎng)布置方案比較

李 立 偉

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

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框架—核心筒結構柱網(wǎng)布置方案比較

李 立 偉

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

采用多遇地震振型分解反應譜法和彈性動力時程分析法，計算研究了框架—核心筒結構柱網(wǎng)的兩種布置方案，分析了其不同的受力特點和對建筑使用功能的影響，指出采用增設內(nèi)柱方案有利于樓蓋結構的設計和降低建筑層高，而采用不設內(nèi)柱方案可降低結構的地震反應，且能有效發(fā)揮核心筒的抗側(cè)剛度優(yōu)勢，樓蓋結構設計時可采取單向密肋梁、寬扁梁等措施來降低梁高。

框架—核心筒結構，單向密肋梁，時程分析，抗側(cè)剛度

作為筒體結構的一種，框架—核心筒結構由核心筒與外圍的稀柱框架組成。核心筒作為主要抗側(cè)力構件，建筑功能一般由樓梯、電梯間和管道井等組成。核心筒外圍布置框架柱，間距一般為8 m～12 m，便于空間靈活分隔，建筑平面布置比較規(guī)則整齊，廣泛應用于高層商業(yè)、辦公等建筑中?？蚣堋诵耐步Y構周邊為框架，核心筒為剪力墻，兩者在樓板的協(xié)同下共同工作。但由于周邊框架柱數(shù)量少、柱距大，框架部分承擔的剪力和傾覆力矩都很少，而中央由剪力墻組成的核心筒，具有很大的抗側(cè)力剛度、承載能力和空間性能，可承受更多的地震剪力和更多的傾覆力矩，成為結構主要抗側(cè)力構件[1]。按規(guī)范要求，“核心筒外墻與外框架柱間的中距，抗震設計大于12 m時，宜采取增設內(nèi)柱等措施”，此條規(guī)定主要是考慮到柱網(wǎng)較大時樓蓋結構設計較困難[1]。一般的框架—核心筒結構，在其核心筒外側(cè)一般設有軸距約2.4 m～3 m走廊，如需增加內(nèi)柱時，建筑專業(yè)往往希望將內(nèi)柱設置于此處，增加的梁柱不影響建筑使用。

1 工程概況

石家莊市某綜合樓為框架—核心筒結構，結構總高度94.75 m，地上21層，地下2層；-2層～-1層為地下車庫、設備用房等，1層～5層為商業(yè)，6層及以上為辦公用房?？拐鹪O防烈度為7度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.1g。場地類別為Ⅲ類，抗震設防類別為丙類，框架、核心筒抗震等級均為二級，地面粗糙度為C類，基本風壓值為0.4 kN/m2。

2 結構平面布置

1)建筑標準層為長方形，柱網(wǎng)平面總長42 m，總寬33.6 m。核心筒置于平面中部，核心筒長15.2 m，寬11.3 m。核心筒外墻與外框架柱間的中距X向為13.4 m，Y向為11.15 m。核心筒部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒體，框架梁、外框架柱采用鋼筋混凝土梁柱，核心筒的寬度與筒體高度的比值為1/8.4，大于1/12，滿足規(guī)范要求[2]。本工程塔樓地下室周邊帶有大底盤裙樓，經(jīng)驗算地下1層(塔樓相關范圍內(nèi))與地上1層剪切剛度比值大于1.5，故將計算嵌固端設在地下1層頂[3]。為方便結構方案對比，僅取地上部分進行分析計算。

2)結構方案一在走廊一側(cè)設內(nèi)柱，內(nèi)柱與外框柱對齊，柱網(wǎng)間距為8.4 m，核心筒外墻與中柱間的軸距X向為5 m，Y向為2.75 m，次梁布置形式為十字交叉梁，框架梁最大截面高度0.65 m。結構方案二不設內(nèi)柱，外框柱的柱網(wǎng)間距為9.4 m～11.6 m，核心筒外墻與外框柱間的軸距X向為13.4 m，Y向為11.15 m，梁布置形式角部采用井字梁，中間跨采用單向密肋梁，框架梁最大截面高度0.65 m。兩種結構方案平面布置見圖1，圖2。

3 結構豎向布置

本工程結構豎向布置規(guī)則，地上1層層高5.4 m，2層～5層層高5.1 m，6層及以上各層層高4.3 m。由于結構沿豎向分布均勻，故核心筒和框架柱的截面尺寸及混凝土強度等級自下而上均勻減小，相鄰樓層剛度無較大突變。核心筒墻肢、外圍框架柱截面見表1，混凝土強度等級施工圖設計時向上延伸1層，不與墻、柱截面在同一樓層變化。由于核心筒墻體距中和軸愈遠其抗彎剛度愈大，其抗側(cè)剛度主要由外墻提供[4]，且框架柱與核心筒之間設有框架梁、次梁，為滿足梁端縱筋最小水平段錨固長度要求，核心筒外墻厚取400 mm～350 mm。

表1 混凝土強度等級及墻、柱截面尺寸 mm

4 結構計算結果分析

采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列SATWE軟件，分別進行多遇地震振型分解反應譜分析(CQC法)及彈性動力時程分析。CQC法主要計算指標見表2。

1)通過表2可以發(fā)現(xiàn)，方案二有如下特點：計算周期較長，最大層間位移角較大，結構剛度較小；由于框架柱集中布置在結構外圍，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比較小，結構整體抗扭剛度較好；底層框架柱傾覆力矩百分比小于20%，核心筒承擔了更多地震剪力；核心筒外墻最大軸壓比較大，核心筒承擔了更多豎向荷載。

2)方案一與方案二在水平荷載作用下柱軸力分布不同。以Y向水平地震作用下的底層柱軸力圖(如圖3，圖4所示)為例，方案一的角柱軸力大于中柱，存在一定的“剪力滯后”現(xiàn)象；方案一翼緣框架中和軸連線為斜線，方案二翼緣框架中和軸連線基本位于結構中心，且翼緣框架軸力分布接近線形，整體受力較為明確。

3)為檢驗結構抗震性能，本工程選取兩條天然波(user1，user2)和一條人工波(user3)進行彈性動力時程分析。時程分析法結構底部剪力平均值與CQC法的比值均大于80%，滿足規(guī)范要求[3]，結構底部剪力計算結果見表3。

表3 動力時程分析底部剪力計算結果

由表3可以看出，方案二有如下特點：用CQC法計算時，結構底部剪力減小6%～8%；而用時程分析法計算時，user1波和user3波的Y向底部剪力減小約16%，user2波的X向底部剪力減小約15%；可見方案二減小了結構剛度，降低了地震反應。時程分析法與CQC法計算最大樓層位移曲線見圖5。方案一中8層～13層用user2波計算的主方向地震剪力大于CQC法，方案二中8層～13層用user2，user3波計算的主方向地震剪力大于CQC法。無論采用何種計算方案，用CQC法計算時都宜對8層～13層地震剪力進行適當放大，以提高結構中部樓層的抗震承載能力。

5 兩種結構方案對比

1)樓層凈高：方案一由于柱網(wǎng)較小，梁高較易滿足建筑對樓層凈高的使用要求；方案二通過采用單向密肋梁、寬扁梁的方式減小梁高，并可通過施工預起拱等措施減小梁撓度，但梁配筋率相對較大，如13.4 m跨次梁采用截面500 mm×650 mm，跨高比1/20.6，縱筋最大配筋率2.2%。2)柱、核心筒截面尺寸：方案一共設28根柱，方案二共設14根柱，方案二柱總截面面積比方案一減少約20%；方案二外框架柱面積與核心筒外墻面積之比為1.08接近1.0，是比較經(jīng)濟的設計指標[4]。由于核心筒的抗側(cè)剛度主要由外墻提供，且柱與核心筒通過框架梁、次梁連接，為滿足梁端縱筋最小水平段錨固長度要求，核心筒外墻厚度要盡量加厚，故取兩種方案核心筒截面尺寸相同。3)結構抗震性能：方案二結構剛度相對較小，降低了地震反應；由于框架柱集中布置在結構外圍，結構整體抗扭剛度較好；方案二由于取消了框架內(nèi)柱，核心筒不僅承擔了更多地震剪力，并承擔了更多豎向荷載；在水平荷載作用下方案二翼緣框架軸力分布更接近平截面假定。

6 結語

對于框架—核心筒結構，應盡量發(fā)揮核心筒抗側(cè)剛度大、與框架空間整體共同作用強的特點和優(yōu)勢。從以上分析可以看出，框架—核心筒結構在方案布置時宜優(yōu)先采用不設內(nèi)柱方案，能充分發(fā)揮核心筒作用，結構整體抗震性能較好。當因建筑功能要求而梁高受限時，可采用單向密肋梁、寬扁梁等樓蓋布置方案減小梁高。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施2009結構(結構體系)[M].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3] JGJ 6—2011，高層建筑筏形與箱型基礎技術規(guī)范[S].

[4] 韓建強.廣州地區(qū)高層建筑框架—核心筒結構設計現(xiàn)狀及建議[J].建筑結構，2012(8)：94-97.

[5] 高立人，方鄂華，錢稼如.高層建筑結構概念設計[M].北京：中國計劃出版社，2005.

On column casing layout schemes comparison of frame-core tube structure

Li Liwei

(TheFourthResearchandDesignEngineeringCorporationofCNNC,Shijiazhuang050021,China)

The paper adopts the frequent earthquake mode-shape decomposition response spectrum and elastic time-history dynamic analysis, calculates and researches the two layout schemes for the frame-core tube structure’s column casing, analyzes its various stressed features and their influence on the architectural functions, and indicates the addition of internal columns can improve the design for the floor structure and lower the buildings’ story height, while the scheme without the column can lower the seismic response and exert the anti-lateral motions rigidity of the core tube, and illustrates some measures including the one-way multi-ribbed beam and wide-flat beam in the design for the floor system can lower the beam height.

frame-core tube structure, one-way multi-ribbed beam, time-history analysis, anti-lateral motion rigidity

1009-6825(2016)11-0032-02

2016-01-24

李立偉(1973- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師

TU398

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