框架-核心筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

郭培成

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院, 福建廈門 361000)

筒體結(jié)構(gòu)包括框筒、框架-核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)等。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。目前全世界最高的100幢高層建筑約有2/3采用筒體結(jié)構(gòu)；國內(nèi)150 m以上的高層建筑約有一半采用筒體結(jié)構(gòu)，所用形式大多為框架-核心筒結(jié)構(gòu)[1]。

框筒結(jié)構(gòu)由布置在建筑物周邊的柱距小、梁截面高的密柱深梁框架組成；筒中筒結(jié)構(gòu)由框筒作為外筒，將樓梯和電梯、管道豎井等服務(wù)設(shè)施集中布置在建筑物的中心形成內(nèi)筒。前兩種結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度、抗扭轉(zhuǎn)剛度及承載力均比框架-核心筒高，但視線效果較框架-核心筒差；框架-核心筒加大外框筒的柱距和減小梁截面高度，周邊形成稀疏柱框架(一般外柱架柱距離核心筒10～12 m)，在平面中心布置核心筒，形成框架-核心筒。該體系具有一定的空間可利用性，而且布置靈活，采光通風(fēng)效果很好，廣泛應(yīng)用于寫字樓、多功能建筑。我國早期的該體系建筑深圳地王大廈、深圳賽格廣場大廈建于20世紀(jì)90年代。

1　工程概況

某辦公寫字樓,采光和通風(fēng)要求比較高,因此采用上述體系中的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。地下兩層,層高依次為4.4 m和4.5 m；地上27層, 地上1層建筑層高為5.7 m;2～6層建筑層高為5.1 m，該5層為商務(wù)酒店;其它層為辦公層,層高為4.2 m；總建筑面積38 357 m2。

結(jié)構(gòu)高度119.9 m,抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,地震分組第二組,基本風(fēng)壓0.50(該結(jié)構(gòu)高度超過60 m，計(jì)算承載力時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍), 結(jié)構(gòu)體型系數(shù)1.4，基本雪壓0.20,建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，使用年限70年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，核心筒和外框架抗震等級均為二級[3]。

外框架平面輪廓線尺寸為39.8 m×33.3 m，長寬比1.19，混凝土核心筒外墻中心線尺寸為18.6 m×10.6 m。本結(jié)構(gòu)高寬比為3.60(高層混凝土技術(shù)規(guī)程規(guī)定鋼筋混凝土框架-核心筒適用的最大高寬比為7，高寬比對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定性、抗傾覆能力、承載力和經(jīng)濟(jì)效果起宏觀控制)，本結(jié)構(gòu)核心筒寬高比值為0.089(滿足規(guī)范規(guī)定該值不宜小于1/12=0.083 3)。

本工程主要采用高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，計(jì)算表明為風(fēng)荷載起控制作用結(jié)構(gòu)位移,采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的整體彈性分析?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)的受力性能與筒中筒結(jié)構(gòu)差異較大，與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)更為接近，可以當(dāng)做是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻集中在平面中部圍合成筒狀布置的特例。核心筒的實(shí)腹剪力墻具有很大的抗側(cè)剛度和抗水平推力的能力，作為高層結(jié)構(gòu)主要的抗水平力構(gòu)件，隨著建筑高度的增加，核心筒承擔(dān)的水平荷載作用越大。外圍框架結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載作用和少部分水平荷載作用，抗側(cè)剛度與核心筒相比很小，無法與內(nèi)部核心筒整截面協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)相對較柔，頂點(diǎn)及層間位移變大，且其翼緣框架柱數(shù)量少軸力小。

由于框架-核心筒平面布置上的特殊性，在地震作用下，當(dāng)核心筒的少數(shù)墻體發(fā)生破壞時(shí)，少部分的地震力會轉(zhuǎn)移到附近外圍的框架結(jié)構(gòu)上，大部分則會直接轉(zhuǎn)移作用到核心筒內(nèi)未被破壞的剛度較大的墻體上，造成附近墻肢承受的地震力大于設(shè)計(jì)值而相繼破壞，因此結(jié)構(gòu)的安全性能直接取決于核心筒在地震下的破壞程度[2]。

2　不同結(jié)構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果分析與比較

2.1　結(jié)構(gòu)布置方案圖

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層方案一，取消3和6軸線的框架柱及框架梁，增加4和5軸線的框架柱及框架梁(圖1)。

圖1　結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層方案二

2.2　構(gòu)件截面大小和材料信息

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層方案二，地下室2層～地上4層(墻、柱混凝土等級C50; 梁、板C40;墻體厚度400 mm、柱1 100 mm×1 100 mm), 地上5層～9層墻、柱混凝土等級為C45， 梁、板C35，墻體厚度350 mm,柱1 000 mm×1 000 mm；10層～14層墻、柱混凝土等級為C40， 梁、板為C30，墻體厚度300 mm、柱900 mm×900 mm；15層～19層墻、柱混凝土等級為C35; 梁、板為C30，墻體厚度250 mm、柱800 mm×800 mm，20層～25層墻、柱混凝土等級為C30， 梁、板為C30，墻體厚度250 mm、柱700 mm×700 mm。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層方案一的地下室2層～地上4層原柱截面為100 mm×100 mm，地上5層～9層為950 mm×950 mm，其它層與方案二均同。

周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與結(jié)構(gòu)平動(dòng)為主為主的第一周期之比，A級高度鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)不應(yīng)大于0.9；抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施降低周期比，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度(表1)。

表1　周期(振型)、周期比、位移角、位移比比較

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》均規(guī)定，框架部分分配的樓層地震剪力的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的10 %，顯然方案一這條條文不滿足規(guī)范要求，主要原因是外框架框架柱以及相連框架梁剛度太小導(dǎo)致；方案二加強(qiáng)了外圍框架柱截面、梁截面截面以及調(diào)整部分框架柱與核心筒墻對齊，提高整體穩(wěn)定性，因此框架部分分配地震剪力最大值滿足不宜小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的10 %。另外，框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值小于底部總剪力的20 %時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)力調(diào)整。

方案二加大了外圍框架柱(提高了截面尺寸10 %以及調(diào)整部分框架柱與核心筒墻對齊，提高了整體的抗扭剛度，使不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)減?。煌砑訌?qiáng)四周剛度，同樣也有利于整體剛度提高，相應(yīng)的最大位移角減小(位移角最大值通常在四周)；位移比過大結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)越嚴(yán)重，位移比最大值同位移角一樣，通常在四周的邊緣處，所以外圍剛度提高，其值也會相應(yīng)下降，大多數(shù)結(jié)構(gòu)破壞都是扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，加強(qiáng)抗扭轉(zhuǎn)剛度的重要性不言而喻。其次，X和Y方向的位移角不論在地震作用還是風(fēng)荷載作用下，兩個(gè)方向的位移角相差較大，主要是兩個(gè)方向的剛度差別較大。通過比較分析,將框架柱截面增大,提高框架部分的受剪能力會有所提高;另外對于整體抗側(cè)剛度和抗扭轉(zhuǎn)剛度都起到的作用,對結(jié)構(gòu)的位移角和位移比有明顯改善,尤其位移比會降低,減少結(jié)構(gòu)的受扭的不利狀態(tài)。

3　構(gòu)造措施的處理

核心筒除計(jì)算要滿足剛度和強(qiáng)度的要求，在構(gòu)造方面也應(yīng)加強(qiáng)。如核心筒樓板外角應(yīng)雙層雙向配置鋼筋，鋼筋直徑、配筋率、板厚度應(yīng)加強(qiáng)，避免角部產(chǎn)生斜裂縫；筒體角部不宜開洞口，不可避免時(shí)，應(yīng)控制內(nèi)壁至洞口的距離。

4　結(jié)束語

(1)如今，鋼筋混凝土超高層框架-核心筒應(yīng)用數(shù)量越來越多, 以科學(xué)的設(shè)計(jì)確?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)在高層建筑中的合理應(yīng)用、穩(wěn)定性與抗震性。

(2)框架-核心筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量發(fā)揮核心筒空間整體共同工作、抗側(cè)剛度大的特點(diǎn)和優(yōu)勢。在平面布置上應(yīng)當(dāng)規(guī)整和減少樓板開洞，在立面空間上要避免剛度突變，保證該結(jié)構(gòu)的整體性和足夠的剛度。

(3)合理加強(qiáng)四周角柱，可以較好地改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比和周期比；同時(shí)，控制好四周框架柱截面大小，避免框架部分分配的樓層剪力標(biāo)準(zhǔn)值太小。

(4)外框架柱和內(nèi)部核心筒的縱、橫墻盡量對齊(尤其與墻體平面內(nèi)剛度大的方向?qū)R)，以保證良好的剛度和動(dòng)力特性。