框架—核心筒結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用

趙 斌

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西大同 037000)

0 引言

筒體結(jié)構(gòu)，屬于高層建筑結(jié)構(gòu)，一般包括框筒、框架—核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)等?？蚣芎诵耐餐鈬怯闪褐鶚?gòu)成的框架受力體系，而中間是筒體(比如電梯井)，因?yàn)橥搀w在中間，所以稱(chēng)為核心筒?？蛲步Y(jié)構(gòu)體系是在建筑結(jié)構(gòu)物四周布置框架柱與框架梁，框架柱間距較小、框架梁截面高度較高結(jié)構(gòu)形式;筒中筒結(jié)構(gòu)由框筒作為外筒，鋼筋混凝土剪力墻設(shè)置在內(nèi)部;框筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度較大，由于柱距較小使得通風(fēng)效果較框架—核心筒弱。目前國(guó)內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)高度超過(guò)100 m以上的高層大多數(shù)采用筒體結(jié)構(gòu)。

框架—核心筒四周邊布置柱框架，一般柱距較大(外部框架柱到內(nèi)部剪力墻的距離為10 m左右)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置鋼筋混凝土剪力墻，形成框架—核心筒。該體系空間效果好、布置滿足需要、采光與通風(fēng)效果較好，廣泛應(yīng)用于甲級(jí)寫(xiě)字樓、高檔酒店。20世紀(jì)90年代以來(lái)，該體系在深圳、上海、北京、廣州得到快速發(fā)展，隨后其他城市也陸續(xù)建設(shè)。

1 工程概況

某辦公寫(xiě)字樓位于城市市區(qū)中心，地下2層，地下2層與地下1層層高依次為4.5 m和4.5 m;地面以上建筑樓層為23層，首層建筑層高為5.4m;2層～6層建筑層高為4.8m，該5層為五星級(jí)商務(wù)酒店;其他層為辦公層，層高度為3.9 m，結(jié)構(gòu)總高度94.8 m，總建筑面積 32 215 m2。

本地區(qū)屬于7度抗震設(shè)防烈度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，地震分組為第二組，當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為0.55 kPa(對(duì)風(fēng)荷載屬于敏感，在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)應(yīng)將基本風(fēng)壓值放大1.1倍)。建筑物為矩形截面，屬于丙類(lèi)抗震設(shè)防類(lèi)別，場(chǎng)地類(lèi)別一類(lèi)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，由《抗規(guī)》或《高規(guī)》確定:核心筒和外框架抗震等級(jí)均為二級(jí)。

外框架平面輪廓線尺寸為36.6m×33.2m，長(zhǎng)寬比1.1;混凝土核心筒外墻中心線尺寸X方向17.2 m，Y方向15 m。本結(jié)構(gòu)高寬比為2.86，《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(duì)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0.158(滿足規(guī)定要求)。

2 結(jié)構(gòu)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)層方案見(jiàn)圖1。

2.2 墻柱構(gòu)件截面尺寸大小、混凝土標(biāo)號(hào)材料信息

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層方案

地下室2層～地上4層:墻體厚度400、柱1 100×1 100，墻、柱混凝土等級(jí)C55，梁、板C45;地上5層～9層:墻體厚度350、柱1 000×1 000，墻、柱混凝土等級(jí) C50，梁、板 C40;10層 ～14層:墻體厚度 300、柱 900×900，墻、柱混凝土等級(jí) C45，梁、板 C35;15層～19層:墻體厚度250、柱800×800，墻、柱混凝土等級(jí)C40，梁、板C30;20層～23層:墻體厚度200、柱700×700，墻、柱混凝土等級(jí) C35，梁、板 C25。

2.3 各個(gè)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果信息

2.3.1 框架部分分配的地震傾覆力矩

X方向框架部分分配的地震傾覆力矩為21.1%，Y方向框架部分分配的地震傾覆力矩25.7%，滿足框架—核心筒的各個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件分擔(dān)的彎矩比例要求。如果框架承擔(dān)低于20%，在滿足其他的條件下，適當(dāng)加強(qiáng)框架柱的剛度或降低核心筒的剛度，從而使各個(gè)抗側(cè)力單元強(qiáng)度和剛度比例分配恰當(dāng)，有利于建筑結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)。

2.3.2 框架部分分配的樓層地震剪力最大值

X方向框架部分分配的樓層地震剪力最大值19.5%，Y方向框架部分分配的樓層地震剪力最大值23.2%，兩個(gè)方向的剪力比例差異性主要由于X方向剪力墻剛度較大，導(dǎo)致X方向框架柱按照剛度大小進(jìn)行分配剪力值會(huì)有所下降。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以及結(jié)合地震傾覆力矩分配結(jié)果，一般在實(shí)際工程中，合理的數(shù)據(jù)在20%～30%左右比較理想，為此在滿足其他指標(biāo)的情況下，將X向的剪力墻上進(jìn)行結(jié)構(gòu)洞口(500×500)的處理，經(jīng)過(guò)處理X，Y分別占有的比例為20.4%與23.5%。

2.3.3 平動(dòng)系數(shù)與周期比

周期比是用來(lái)衡量結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)是否規(guī)則。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的周期與結(jié)構(gòu)平動(dòng)對(duì)應(yīng)的周期之比，規(guī)范規(guī)定A級(jí)高度鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)不應(yīng)大于0.9，超過(guò)該值等同于位移比大于1.5，屬于嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu);初步計(jì)算結(jié)果平動(dòng)系數(shù)第一振型0.87(Y方向平動(dòng))、第二振型0.65(X方向平動(dòng))、第三振型0.87(該振型下結(jié)構(gòu)為扭轉(zhuǎn))。在實(shí)際工程中，高層建筑結(jié)構(gòu)第一、二振型下，結(jié)構(gòu)的平動(dòng)系數(shù)不宜小于0.8，盡可能使其接近于1。經(jīng)過(guò)調(diào)整四周框架柱截面以及適當(dāng)減小剪力墻剛度，最后該結(jié)構(gòu)第一、二振型下，結(jié)構(gòu)的平動(dòng)系數(shù)分別為0.92，0.90;前三個(gè)周期依次為3.1 s，2.99 s，2.72 s，扭轉(zhuǎn)為主的第一周期 2.72 與平動(dòng)為主的第一周期 3.1 比值為 0.877，滿足不應(yīng)大于 0.9。

2.3.4 最大層間位移角、最大層間位移比

最大層間位移角X和Y方向分別是1/1 158，1/920滿足規(guī)范允許值;最大層間位移比X和Y方向分別是1.25，1.24，屬于一般扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。位移角最大值均發(fā)生在第5層，最大層間位移比X方向發(fā)生在第6層，Y方向發(fā)生在第9層。鑒于各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，并且符合實(shí)際工程的要求，不需要再進(jìn)行處理。

2.3.5 有關(guān)梁的撓度計(jì)算分析

由于框架梁(梁截面350×750)的跨度在9 m左右，縱筋配筋率為1.8%，可以滿足要求。撓度計(jì)算結(jié)果為22 mm，盡管未超過(guò)規(guī)定值，但是為了避免由于撓度過(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在使用中出現(xiàn)問(wèn)題，將其截面高度調(diào)整為350×850，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，撓度值降為17 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

1)鋼筋混凝土框架—核心筒體系由于剛度和強(qiáng)度能滿足抵抗水平地震和風(fēng)，經(jīng)濟(jì)效果較好，在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。

2)框架—核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)加厚樓板，盡量不開(kāi)洞口或少開(kāi)洞口，保證樓板在自身平面內(nèi)的剛度;在豎向上要避免或控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件收縮和突出。

3)加大外圍框架柱與框架梁的剛度，有助于改善結(jié)構(gòu)整體的抗扭轉(zhuǎn)效果，同時(shí)控制好框架柱與剪力墻的剪力分配。