建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

王曉君

摘要：本文結(jié)合某寫字樓工程實(shí)例，論述了某高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的構(gòu)思，并按照相關(guān)規(guī)范，從鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、剪力墻平面外對(duì)梁端嵌固作用分析、核心筒外墻的連梁設(shè)計(jì)等方面，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，可供同類工程參考！

關(guān)鍵詞：寫字樓;框架結(jié)構(gòu);核心筒結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、工程基本情況

某寫字樓建筑位于浙江地區(qū)，由1棟26層高層建筑、3層商業(yè)附樓以及2層地下室構(gòu)成，工程占地面積為13800m2，總建筑面積45146m2，建筑高度為78.60m。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)思

1結(jié)構(gòu)類型的選擇

該項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)承載力及變形抗力都不強(qiáng)，可以通過減少結(jié)構(gòu)剛性抗側(cè)力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，來提升建筑立面效果和使用的要求。對(duì)于建筑一層層高8m、結(jié)構(gòu)超限和柱截面收縮等問題，在建筑下層運(yùn)用鋼管混凝土組合柱，在建筑樓蓋運(yùn)用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力與水平位移計(jì)算過程中，該項(xiàng)目基本風(fēng)壓都選取為0.65kN/m2。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)側(cè)向位移沒有滿足限值的要求，在該項(xiàng)目第23層中設(shè)立了結(jié)構(gòu)加固層，采用了鋼筋混凝土桁架;但是結(jié)構(gòu)加固層一方面能夠提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移強(qiáng)度，另一方面會(huì)造成結(jié)構(gòu)豎向強(qiáng)度發(fā)生變化，因此結(jié)構(gòu)加固層和相隔層要按照《高規(guī)》來進(jìn)行合理的加固。

2超限措施

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的平面形狀規(guī)則、承載力及剛度均勻分布，垂直形狀也是如此;結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)連接。除了結(jié)構(gòu)高度超過適用限值外，其他的指標(biāo)調(diào)整后都沒有超過限值。

因?yàn)樵擁?xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超限，一層層高8.0m;設(shè)計(jì)過程中處理超限時(shí)的措施主要集中在一層和其下層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件：1-12層框架柱采用鋼管混凝土組合柱加固，1-2層核心筒剪力墻采用四角附加鋼暗柱，一層抗震等級(jí)提高一級(jí)。鋼管混凝土具有良好的承載力和變形能力，但其防腐防火材料不僅價(jià)格高，而且對(duì)時(shí)間有時(shí)限要求，為了解決這個(gè)問題該項(xiàng)目采用鋼管混凝土疊合柱及鋼管混凝土組合柱。為解決一層高度較大的剪力墻端部應(yīng)力集中問題，在核心筒剪力墻四角增設(shè)鋼暗柱，從而提高剪力墻的承載力以及抗變形能力。

三、鋼管混凝土組合柱的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在大部分建筑項(xiàng)目中，鋼管混凝土通常只被應(yīng)用于框架柱中，對(duì)于框架梁通常是選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這使得兩種混凝土結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行有效連接成為了工程建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。現(xiàn)階段使用較多的連接點(diǎn)方式包括雙梁法、鋼牛腿法、環(huán)梁法、純鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)法等多種形式，本工程所使用的連接節(jié)點(diǎn)類型是在鋼管上設(shè)置相應(yīng)的開穿鋼筋小孔，從而為連接節(jié)點(diǎn)提供更多設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1鋼管開小孔的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置

在鋼管上設(shè)置開穿鋼筋小孔的過程為：

1.1先在鋼管上開設(shè)小孔結(jié)構(gòu)：設(shè)置小孔直徑D=鋼筋直徑+10mm，同時(shí)設(shè)置小孔的水平間距×D，垂直間距是2×D。

1.2為鋼管設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)：分別在梁底面與梁頂面上設(shè)置一道環(huán)板，在寬度設(shè)置方面，對(duì)于鋼管混凝土柱應(yīng)選擇0.10倍的鋼管直徑，對(duì)于鋼管混凝土疊合柱應(yīng)設(shè)置70～100mm;設(shè)定環(huán)板的厚度為0.5t，要求達(dá)到16mm以上，其中t是鋼管壁厚。

1.3為鋼管的豎向增加短勁肋，與水平方向的加強(qiáng)環(huán)形成緊密貼合狀態(tài)，肋寬的數(shù)值是環(huán)板寬-15mm，同時(shí)設(shè)定肋厚與環(huán)厚一致，長(zhǎng)200mm，將其布置于梁開孔兩側(cè)與中間區(qū)域。

1.4選擇HRB400級(jí)的大直徑鋼筋作為梁鋼筋，達(dá)到降低鋼管開孔數(shù)的目的。構(gòu)建鋼管混凝土疊合柱的過程中，有一些梁鋼筋會(huì)穿過鋼筋混凝土柱所在的區(qū)域。

2鋼管開小孔的連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

2.1當(dāng)鋼管完成開小孔后，不會(huì)明顯減小鋼管的截面，當(dāng)梁鋼筋從小孔穿過之后只剩下非常小的縫隙，不會(huì)降低管芯受到鋼管混凝土的約束力，因此不會(huì)改變鋼管混凝土柱的抗變形與承載力。

2.2當(dāng)梁鋼筋從鋼管穿過之后，梁可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的可靠傳遞，并使梁長(zhǎng)范圍內(nèi)保持一個(gè)恒定的剛度，從理論上分析得到的結(jié)構(gòu)受力情況和實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致。

2.3通過設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)及進(jìn)行豎向短加勁肋補(bǔ)強(qiáng)處理后，鋼管將在節(jié)點(diǎn)區(qū)形成連續(xù)分布狀態(tài)，不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)剛性造成影響，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的性能要求。

2.4便于完成現(xiàn)場(chǎng)施工，即使采用圓弧梁鋼筋也能夠順利完成穿過。

2.5用于節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)的材料明顯少于鋼牛腿法與鋼管開大洞方法，從而獲得更低的造價(jià)。為了研究鋼管的開小孔過程，我國(guó)進(jìn)行了比例為1：5的總共包含九個(gè)試件的四組模型測(cè)試，同時(shí)采用多個(gè)工程實(shí)踐對(duì)上述方法可行性與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

四、剪力墻平面外對(duì)梁端嵌固作用的分析

1對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)在剪力墻的平面外方向支撐一些框架梁。目前，關(guān)于平面外剪力墻至梁端的預(yù)埋作用空間的研究文獻(xiàn)較少，而且不涉及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。影響梁端剪力墻嵌固效果的主要因素是梁端預(yù)埋效果的有效長(zhǎng)度、墻線的風(fēng)度與梁的剛度之比、墻在樓層上的軸向壓力等;雖然目前常用的計(jì)算分析軟件有功能面外剛度分析的功能，它不考慮墻平面外嵌入對(duì)梁端的影響的有效長(zhǎng)度。如果遇到長(zhǎng)墻肢或筒子體墻肢空間風(fēng)度很大的時(shí)候，計(jì)算分析軟件高估了平面外墻對(duì)梁端的嵌入效果，使梁端負(fù)彎矩計(jì)算值大于實(shí)際值。

2該項(xiàng)目運(yùn)用在梁端加水平腋的方法，直接增加了平面外墻對(duì)梁端嵌入效果的有效長(zhǎng)度。

3為了提高平面外梁端嵌固的局部剛度，該項(xiàng)目運(yùn)用加墻框架梁的方法。墻側(cè)框架梁的截面寬度應(yīng)不小于梁縱向鋼筋長(zhǎng)度的0.4倍，墻側(cè)框架梁的截面高度應(yīng)大于樓面截面高度。為了保證梁端部的剪力通過墻邊框架梁均勻傳遞到墻體上，墻側(cè)框架梁應(yīng)在墻厚外寬度處以斜角過渡。

為了保證梁正截面的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際受力的調(diào)節(jié)，可采用“調(diào)幅再調(diào)幅”的方法計(jì)算梁端的彎矩;就是在梁端設(shè)置負(fù)彎矩的調(diào)幅系數(shù)后進(jìn)行計(jì)算。在梁的分析計(jì)算中，可以在局部人工計(jì)算調(diào)幅配筋時(shí)進(jìn)行。在使用“調(diào)幅再調(diào)幅M”時(shí)，應(yīng)考慮構(gòu)件的剛度、內(nèi)力重分布的充分性、裂縫情況和變形要求。

五、核心筒外墻的連梁設(shè)計(jì)

計(jì)算核心筒外壁連接梁的縱向配筋是非常常見的?！陡咭?guī)》對(duì)連梁縱筋有特殊的處理措施，研究文獻(xiàn)較多。但計(jì)算模型的選擇也是一個(gè)重要因素。

《高規(guī)》提出，對(duì)于跨高比在5以內(nèi)的連梁屬于深彎梁與深梁類型;計(jì)算該梁的正截面承載力時(shí)，不可以根據(jù)桿系進(jìn)行分析，已經(jīng)超出了平面假定的范圍，但實(shí)際上還有很多分析軟件將其作為連梁按桿系進(jìn)行分析，從而產(chǎn)生很大的計(jì)算偏差。

根據(jù)“強(qiáng)剪弱彎”以及“強(qiáng)墻弱梁”的原則來設(shè)計(jì)連梁結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然在《高規(guī)》中沒有對(duì)連梁設(shè)計(jì)提出明顯要求，而這種“弱”應(yīng)達(dá)到怎樣的程度，受到設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)與理解能力的顯著影響。

根據(jù)《高規(guī)》的要求來設(shè)計(jì)本工程的核心筒外墻連梁，處理連梁以外都配置了相應(yīng)的交叉暗撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)了剪力墻邊緣構(gòu)件，從而更好地適應(yīng)“強(qiáng)墻弱梁”與“多道抗震防線”的要求。

六、結(jié)語

1鋼管混凝土柱與鋼管混凝土疊合柱

疊合柱具備優(yōu)異的承載性能與變形性能，同時(shí)還能夠有效彌補(bǔ)鋼管混凝土柱缺乏良好的防腐性能缺陷以及克服了防火材料需要較高造價(jià)的問題。

2根據(jù)構(gòu)造要求為鋼管設(shè)置鋼筋小孔，在盡量減小鋼管截面損傷程度的前提下可以使梁鋼筋順利穿過鋼管，將梁內(nèi)力高效傳遞至豎向短加勁肋與水平加強(qiáng)環(huán)上，提高了節(jié)點(diǎn)的剛度。同時(shí)還能夠減少梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼材用量，便于開展施工。

3影響染端嵌固作用的因素：梁線剛度和墻線剛度的比值、梁端嵌固有效長(zhǎng)度、軸壓力等。為了提升梁端嵌固效果，可選擇梁端水平加腋以及拓展墻邊框梁的方法。

4連梁是一種深梁類型，計(jì)算其正截面的承載力時(shí)，不可以按照桿系的模型進(jìn)行計(jì)算。