框架核心筒結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析和結(jié)構(gòu)性能比較

胡時猛，尤軍，成鑫磊

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

框架核心筒結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析和結(jié)構(gòu)性能比較

胡時猛，尤軍，成鑫磊

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系同時具有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用在我國民用建筑設(shè)計(jì)中。該文基于某超高層實(shí)例工程，分別以普通鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱為不同豎向構(gòu)件建立模型，在不同豎向構(gòu)件的情況下，針對框架-核心筒結(jié)構(gòu)形式從結(jié)構(gòu)形式、SATWE計(jì)算結(jié)果以及經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)計(jì)等多個方面進(jìn)行比較，以加深對框架-核心筒結(jié)構(gòu)布置的理解和認(rèn)識。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)；豎向構(gòu)件；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

0 引言

我國已經(jīng)至少有3座超過600m的超高層建筑建成或待建，分別是于2014年8月3日結(jié)構(gòu)封頂2015年投入使用的上海中心大廈（632m），以及待建的武漢綠地中心（636m）和深圳平安國際金融中心（660m）。這表明了超高層建筑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。在結(jié)構(gòu)高度增加的同時，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮風(fēng)和地震作用，也要使結(jié)構(gòu)平面布局有較大的靈活性。在框架結(jié)構(gòu)中將剪力墻布置成筒體形式，使得結(jié)構(gòu)體系同時具有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的特性，此類結(jié)構(gòu)體系可以廣泛滿足一般建筑功能的要求，通常被定義為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系[1]。此外，框架-核心筒結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用在鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)之中，形成如鋼管混凝土框架-混凝土核心筒、鋼框架－混凝土核心筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，這也是其優(yōu)點(diǎn)之一。本文旨在不同豎向構(gòu)件的情況下，針對框架-核心筒結(jié)構(gòu)形式做出多個方面的比較，以加深對框架-核心筒結(jié)構(gòu)布置的理解和認(rèn)識。

1 工程概況

實(shí)例工程位于重慶，工程場地大部分地段基巖出露，場地類別為II類，設(shè)計(jì)特征周期為s，抗震設(shè)防烈度為6度。該工程地上38層，地下4層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m，房屋總高度172.8m，地下室深度17.2m，結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，工程中的豎向構(gòu)件分別在PKPM模型中以鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱分別建立，圖1（a-c）分別為鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱作為豎向構(gòu)件的框架-核心筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖。表1為3種結(jié)構(gòu)形式下各自底層豎向結(jié)構(gòu)截面信息。

圖1 不同豎向構(gòu)件下框架-核心筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

表1 不同結(jié)構(gòu)形式下底層豎向結(jié)構(gòu)截面信息

2 性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)周期

表2及圖2給出了該過程在不同豎向構(gòu)件結(jié)構(gòu)前10階振型下的自振周期。從表2可以看出，同階情況下，鋼管混凝土柱的自振周期最大，其次是型鋼混凝土柱，而普通的鋼筋混凝土柱的自振周期則是最小的。且每種豎向構(gòu)件下，結(jié)構(gòu)的振型振動及扭轉(zhuǎn)情況均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2002[7]中對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的限制。結(jié)合表1底層豎向結(jié)構(gòu)截面信息可以得到，鋼管混凝土柱直徑為1.2m，在3種模型中截面最小，因此，它所具有的剛度最小，根據(jù)自振周期公式T=2πx 可知，CFST柱模型下的自振周期最大。SRC柱與RC柱截面如表1所示，同理可知，RC柱因截面最大而得到最小的自振周期，SRC柱截面在3種柱截面中次之而提供第二大的自振周期。然而，從圖2又能夠直觀地看出不同豎向構(gòu)件下結(jié)構(gòu)在前2階之后的振型，其周期相差控制在1.5%以內(nèi)，近似可以忽略，說明框架-核心筒體系的剛度主要還是由內(nèi)筒提供，豎向構(gòu)件對結(jié)構(gòu)自振周期的影響相對較小。

表2 結(jié)構(gòu)前10階振型下的周期（單位：s）

圖2 結(jié)構(gòu)前10階振型下的周期

2.2 層間位移

圖3給出了結(jié)構(gòu)在X方向風(fēng)荷載作用下的最大層間位移。從圖3中可以看出，鋼筋混凝土柱的最大層間位移為2.42mm，出現(xiàn)在地面21層；鋼管混凝土柱的最大層間位移為2.64mm，出現(xiàn)在地面21層；鋼筋混凝土柱的最大層間位移為2.50mm，出現(xiàn)在地面20層。由于RC柱提供的側(cè)向剛度最大，所以以RC柱為豎向結(jié)構(gòu)的模型最大層間位移是最小的。而CFST柱由于截面最小，能夠提供的側(cè)向剛度在3種豎向構(gòu)件中也是最弱的，因此其層間位移在3種結(jié)構(gòu)中最大。同時，3種模型均為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，因此，在內(nèi)筒影響下其最大層間位移出現(xiàn)樓層均在近似地面1/2處?；跇?biāo)準(zhǔn)層相同的層高，在X方向風(fēng)荷載作用下，3種結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為，1/1861、1/1704、1/ 1797，均小于規(guī)范中對框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大層間位移與層高之比的限值，即1/800。

圖3 結(jié)構(gòu)在X方向風(fēng)荷載作用下的最大層間位移

3 不同豎向構(gòu)件對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

表3給出了不同豎向構(gòu)件下，結(jié)構(gòu)模型在PKPM工程量統(tǒng)計(jì)中所消耗的鋼材量與混凝土量。從表3可以看出，鋼管混凝土柱與型鋼混凝土柱由于截面小于普通鋼筋混凝土柱，其混凝土用量也因此較少，混凝土總量分別為普通鋼筋混凝土的0.92和0.95。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)形成的豎向構(gòu)件，由于鋼管對混凝土的約束影響，不僅使混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，而且還令結(jié)構(gòu)破壞從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，CFST柱因此可以減少自身的箍筋用量，而SRC柱的箍筋可以按構(gòu)造要求配置。根據(jù)表3可以看到，相比于普通RC柱，以CFST柱和SRC柱建立的模型在總體耗鋼量上面也分別減少14.2%和4.4%。結(jié)合表1，底層CFST柱和SRC柱相比普通RC柱的截面分別減少55.9%和34.0%，即豎向構(gòu)件將分別增加建筑面積1.43m2和0.87m2。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的柱可以節(jié)省建筑面積達(dá)到增加經(jīng)濟(jì)效益的效果（如：為車庫范圍提供更多的車面積），同時可以在現(xiàn)場施工中省去支模與拆模的操作，使得工期縮短，從另一方面增加經(jīng)濟(jì)收益。而且，隨著豎向構(gòu)件截面面積的減小，從建筑功能上再次結(jié)合CFST柱和SRC柱相比普通RC柱所減少的耗鋼量和混凝土用量，可知使用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件可以為建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出不小的經(jīng)濟(jì)效益。此外，鋼管混凝土與型鋼混凝土由于自身較好的耐火性作為防火材料運(yùn)用在建筑中，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性，因此也可以達(dá)到增加經(jīng)濟(jì)效益的效果。然而，施工鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（CFST柱、SRC柱）與RC梁節(jié)點(diǎn)相對復(fù)雜，其節(jié)點(diǎn)施工的建造措施會造成施工成本增加，一定程度上會降低鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同豎向構(gòu)件下工程量統(tǒng)計(jì)

表4-表6分別列出了僅變化層高情況下（層高依次為3.6m、3.9m、4.2m、4.5m、4.8m），不同豎向構(gòu)件建立模型由PKPM工程量統(tǒng)計(jì)中所得到的全樓耗鋼量和混凝土用量。表4-表6均可以反映出，在不同豎向構(gòu)件模式下的核心筒模型在層高變化時，其全樓耗鋼量和混凝土用量均呈現(xiàn)出同一種規(guī)律：隨著結(jié)構(gòu)層高的不斷增加，結(jié)構(gòu)所消耗的鋼材與混凝土也呈正比上漲。因此，結(jié)合建筑功能及需求，選擇合適的結(jié)構(gòu)層高，對于工程的耗鋼量和混凝土用量有著一定的影響。

表4 不同層高下鋼筋混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計(jì)

表5 不同層高下鋼管混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計(jì)

表6 不同層高下型鋼混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

以鋼管混凝土柱、型鋼混凝土柱為豎向構(gòu)件的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和剛度，以及良好的延性、抗震能力和不錯的耐火性能。以中國建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件為計(jì)算工具，以某實(shí)例工程為模型，分別對各個模型下的結(jié)構(gòu)周期、層間位移、經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)計(jì)以及不同層高對結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行了比較分析，得到結(jié)論如下：

（1）通過分析不同豎向構(gòu)件下結(jié)構(gòu)自振周期，結(jié)合周期計(jì)算公式可知，豎向構(gòu)件隨截面剛度增加而獲得較小的周期計(jì)算結(jié)果。同時，對比3種模型下自振周期結(jié)果的絕對值差值，可知：框架-核心筒體系的剛度主要還是由內(nèi)筒提供，豎向構(gòu)件對結(jié)構(gòu)自振周期的影響相對較小，結(jié)構(gòu)在前2階之后的振型，其周期相差控制在1.5%以內(nèi)，近似可以忽略。

（2）通過分析不同豎向構(gòu)件下，結(jié)構(gòu)在X方向風(fēng)荷載作用下的最大層間位移及位移角，得到：結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件提供的剛度越大，則其層間位移越大；3種模型最大層間位移出現(xiàn)樓層均在近似地面1/2處；基于標(biāo)準(zhǔn)層相同的層高，3種結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于規(guī)范中對框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大層間位移與層高之比的限值。

（3）對比不同豎向構(gòu)件，在滿足結(jié)構(gòu)安全計(jì)算的情況下，結(jié)構(gòu)模型在PKPM工程量統(tǒng)計(jì)中所消耗的鋼材量與混凝土量：CFST柱與SRC混凝土總量分別為普通鋼筋混凝土的0.92和0.95；CFST柱和SRC柱建立的模型在總體耗鋼量上面也分別減少14.2%和4.4%。同時，隨著結(jié)構(gòu)層高的不斷增加，3種結(jié)構(gòu)所消耗的鋼材與混凝土也呈正比上漲。

[1]劉陽冰.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系抗震性能研究與地震易損性分析[D].北京：清華大學(xué)，2009：15-21．

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Economic Analysis and Performance Comparison of Frame-Core Tube Structures

The frame-core tube structure has the advantages of both frame structure and shear wall structure,so it's largely applied in civil building design in our country.Based on a real case of a super high-rise building project,this paper establishes models with common concrete column,concrete-filled steel tubular and concrete-filled steel tubular as the vertical member of the structure,with the aim to compare from aspects of structural form,ASTWE calculation results and economic statistics,etc.to deepen the understandings and comprehension of the arrangement of frame-core tube structure.

frame-core tube structure;vertical members;economic index

TU973

A

1671-9107（2017）04-0061-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.061

2016-11-11

胡時猛（1972-），重慶人，研究生，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究及設(shè)計(jì)。