高層鋼筋混凝土框架——核心筒結(jié)構(gòu)實(shí)例分析

李玉春 喬一龍 李曉男 劉 梅 劉永川 翟祝賀 羅 娜

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）2蓬萊市建設(shè)工程事務(wù)服務(wù)中心（265600）

0 引言

框架-核心筒是近年來多高層建筑中廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)體系，是由剪力墻圍成的核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結(jié)構(gòu)，是框架-剪力墻的一種特殊形式。根據(jù)建筑功能可布置為單筒、雙筒或者 多筒，一般在核心筒處布置樓梯間、電梯間、豎向設(shè)備管井及公用 服務(wù)房間，周邊柱距較大，方便建筑靈活布置，通過框架外挑又可 以形成豐富的立面效果。對(duì)結(jié)構(gòu)而言框架具有承受豎向荷載能力強(qiáng)、截面尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，但存在著抗側(cè)剛度小的缺點(diǎn)；而剪力墻筒體具 有具有較大的抗側(cè)剛度和較好的抗剪能力，此體系充分利用了二者各自的優(yōu)點(diǎn)。因此在工程中應(yīng)用較廣。

1 工程概況介紹

升龍國際中心C區(qū)8號(hào)樓是一棟高層建筑，位于鄭州市二七區(qū)大學(xué)路政通路交叉口東北角，為升龍集團(tuán)尚錦地產(chǎn)開發(fā)的高層寫字樓。配合建筑使用功能，本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。地下1層車庫，地上29層，其中1~4層為商業(yè)，5~29層為辦公區(qū)。商業(yè)層高5.0 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.15 m，結(jié)構(gòu)總高99.5 m。建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類，基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2。該結(jié)構(gòu)框架和核心筒的抗震等級(jí)為2級(jí)。地下室連為整體，建筑嵌固端設(shè)在地下室頂板。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié) 構(gòu)布置方案如圖1所示[1]。

2 框架-核心筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是一種雙重抗側(cè)力體系。其框架和剪力墻筒體兩種受力和變形能力不同的超靜定抗側(cè)力構(gòu)件組成，每種構(gòu)件都具有一定的剛度和承載力，可以承受一定的水平荷載，通過樓板連接而協(xié)同工作，共同抵抗外力。在水平荷載作用下，框架呈剪切型變形，剪力墻則呈彎曲型變形。在樓板水平剛度足夠大時(shí)，使兩者變形協(xié)調(diào)，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎剪型變形，變形曲線如圖2所示。

圖1 8號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 框架-核心筒結(jié)構(gòu)變形曲線

在下部樓層，剪力墻位移較小，它拉著框架按照彎曲型變形變形，剪力墻承受大部分水平力；上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外倒的趨勢(shì)，而框架則呈內(nèi)收的趨勢(shì)，框架拉著剪力墻按照剪切型曲線變形，框架除了負(fù)擔(dān)荷載產(chǎn)生水平力外，還額外負(fù)擔(dān)了把剪力墻拉回來的附加水平力。在結(jié)構(gòu)上部，剪力墻可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)剪力?？蚣懿糠殖袚?dān)的層剪力一般在底層最大，往上逐漸增大，然后再逐漸減小。

3 結(jié)構(gòu)方案布置

結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)層X向51 m，Y向40 m。核心筒X向19 m，Y向12 m。通過合理布置核心筒墻體，分為兩個(gè)小筒，通過強(qiáng)連梁連接。筒體外墻在底層厚度為400 mm，往上逐漸遞至頂層300 mm；筒體內(nèi)墻由300 mm遞減為250 mm厚；電梯井隔墻200 mm厚?？刂浦缭?1 m以內(nèi)，X向6排柱，Y向4排柱?？蚣苤孛娴讓? 300 mm×1 300 mm，往上逐漸遞減至頂層900 mm×900 mm。底層墻柱混凝土等級(jí)C55，往上逐漸遞減至C30。工程設(shè)計(jì)中墻體厚度與框架柱截面選擇及變化應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制，需滿足周期、位移、剛度、軸壓比等多項(xiàng)指標(biāo)的要求，同時(shí)應(yīng)滿足建筑使用功能的要求。對(duì)于高層建筑，尤其是超高層，為了保證結(jié)構(gòu)整體剛度均勻變化，滿足軸壓比 的前提下建議同一種豎向構(gòu)件截面尺寸持續(xù)3層以上，避免墻柱截 面同時(shí)改變，且與混凝土等級(jí)的變化錯(cuò)開?？紤]走廊凈高要求，與筒體外墻平面外相連框架梁650 mm×650 mm，搭接處增加墻厚，設(shè)置暗柱，按框架柱通過計(jì)算確定其配筋。周圈框架梁截面為700 mm×750 mm，需要注意的是，由于筒體剛度較大，框架-核心筒結(jié)構(gòu)周圈邊框梁截面不宜過小，否則結(jié)構(gòu)周圈剛度不足，不易控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果及分析

本工程8號(hào)樓的計(jì)算分析采用SATWE空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件，地震作用采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 結(jié)構(gòu)的周期、振型及周期比

結(jié)構(gòu)的周期、陣型及周期比的計(jì)算結(jié)果見表1，圖3為結(jié)構(gòu)前3個(gè)陣型的空間陣型圖。周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，其控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的相對(duì)關(guān)系，其目的是使抗側(cè) 力構(gòu)件的平面布置更為合理，讓結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，A級(jí)高度高層建筑的第一扭轉(zhuǎn)自振周期T與第一平動(dòng)自振周期T之比，不應(yīng)大于0.9。本工程結(jié)構(gòu)陣型較為純粹，周期比0.877，滿足規(guī)范要求。

表1 振動(dòng)周期、X，Y方向的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)

圖3 8號(hào)樓前3振型空間振動(dòng)簡(jiǎn)圖

4.2 位移比及層間位移角

表2 為結(jié)構(gòu)在規(guī)定水平力作用下的樓層位移及位移角的計(jì)算結(jié)果。位移角是構(gòu)件截面大小、剛度的一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，在正常使用條 件下，保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定限制為1/800。而位移比基于剛性樓板假定，主要目的為控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形要小于平動(dòng)變形，避免結(jié)構(gòu)在地震作用下因扭轉(zhuǎn)而破壞?！陡咭?guī)》中規(guī)定A級(jí)高度的建筑在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平力作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大位移和層間位移不宜大于該樓層平均位移的1.2倍，不應(yīng)大于平均位移的1.5倍。由表2可以看出，本工程的位移比和層間位移角均能滿足規(guī)范要求，并且沒有發(fā)生突變。在實(shí)際工程中，核心筒寬度與結(jié)構(gòu)總高的比值不應(yīng)小于1/12，合理的布置內(nèi)筒墻體，保證足夠的外墻厚度與邊框柱尺寸，則基本能使結(jié)構(gòu)滿足位移比與層間位移角的要求[2]。

表2 位移及位移比計(jì)算結(jié)果

4.3 樓層受剪承載力之比與樓層側(cè)向剛度之比

受剪承載力之比與側(cè)向剛度之比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)中應(yīng)使下部樓層的剛度大于上部樓層，避免變形集中于剛度較小的下部軟弱層。規(guī)范規(guī)定下側(cè)樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于上部相鄰樓層的70%，或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。剛度突變使地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力突變，形成薄弱層破壞。故規(guī)范規(guī)定A級(jí)高度建筑的樓層層間抗剪承載力不宜小于上層的80%，不應(yīng)小于上層的65%。本工程層高變化均勻，平面布置在標(biāo)準(zhǔn)層范圍內(nèi)沒有大的變化，墻厚和框柱截面交替均勻變化。但5層商業(yè)層高較大，且?guī)в芯植咳狗浚纱伺袛鄤偠仍谌狗课菝姘l(fā)生突變。經(jīng)過粗算，第5層X、Y向抗剪承載力之比分別為0.75和0.77。通過調(diào)整上下層連梁高度，使最終計(jì)算結(jié)果為0.81和0.83，滿足規(guī)范要求。

4.4 剛重比和剪重比

對(duì)于高層建筑，其在豎向重力荷載作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性 較小。高層建筑的穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要是控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)即P-△效應(yīng)不能過大，以免引起結(jié)構(gòu)的失 穩(wěn)倒塌。而結(jié)構(gòu)的剛度和重力荷載之比即剛重比是影響重力P-△效應(yīng)的主要參數(shù)，若結(jié)構(gòu)的剛重比能滿足高規(guī)中1.4的要求，在重力P-△效應(yīng)可控制在20%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有適宜的安全儲(chǔ)備，若進(jìn) 一步減小，則重力P-△效應(yīng)將成非線性增長(zhǎng)，直至引起結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。本工程的剛重比:X向?yàn)?.8，Y向?yàn)?.9，均大于1.4且大于2.7，可以通過整體穩(wěn)定驗(yàn)算，不需考慮重力二階效應(yīng)。

剪重比為地震作用與重力荷載代表值的比值。主要為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的安全。剪重比是規(guī)范考慮長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法計(jì)算時(shí)，因地震影響系數(shù)取值可能偏低，相應(yīng)計(jì)算的地震作用也偏低，因此出于安全考慮,規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值。若樓層水平地震剪力小于規(guī)范對(duì)剪重比的要求，水平地震剪力的取值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，《抗規(guī)》第5.2.5、《高規(guī)》4.3.12條明確要求了樓層剪重比。剪重比若不滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于水平地震剪力過小；但剪重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)調(diào)整墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。規(guī)范規(guī)定本工程最小剪重為2.4%，剪重比及地震剪力調(diào)整情況見表3。

表3 剪重比調(diào)整情況

4.5 框架地震剪力調(diào)整和抗傾覆力矩

為了保證結(jié)構(gòu)形成雙重抗側(cè)力體系，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架承擔(dān)的層 剪力至少為基底總剪力的20%，或者框架的計(jì)算層間剪力的1.5倍（取二者較小值）。當(dāng)不能滿足此要求時(shí)，應(yīng)在剪力墻的內(nèi)力不做調(diào)整的同時(shí)，按照要求的比例調(diào)整增大框架的內(nèi)力。對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)控制框架部分分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%，否則應(yīng)按《高規(guī)》9.1.11條進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本工程20%底部剪力:X向?yàn)? 291 kN，Y向?yàn)?291 kN。1.5倍層間剪力最大值:X向?yàn)?0 798 kN，Y向?yàn)? 409 kN。0.2V0調(diào)整系數(shù)如圖4、5所示。

地震作用下，核心筒作為結(jié)構(gòu)第一道防線，承擔(dān)了大部分水平地震作用，框架作為第二道防線僅承擔(dān)豎向荷載和小部分水平地震作用。形成多道抗震設(shè)防，形成一種安全可靠的抗震結(jié)構(gòu)體系。現(xiàn)實(shí)工程中，建議合理選擇核心筒的寬度、墻體布置、外墻厚度和框架柱截面，盡量保證框架部分承擔(dān)抗傾覆力矩占總地震傾覆力矩的10%~50%。如不能滿足此要求，請(qǐng)參照《高規(guī)》8.1.3條，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法[3]。

圖4 框架地震剪力調(diào)整系數(shù)-X向

圖5 框架地震剪力調(diào)整系數(shù)-X向

5 抗震構(gòu)造措施

本工程對(duì)采取的加強(qiáng)措施和設(shè)計(jì)中遇到的一些問題列舉如下:

5.1 核心筒

筒體底部加強(qiáng)區(qū)的墻體配筋率提高為0.3%。角部墻體約束構(gòu)件長(zhǎng)度為墻肢截面高度的1/4，約束邊緣構(gòu)件應(yīng)主要采取箍筋，在底部加強(qiáng)區(qū)以上部位也應(yīng)按照剪力墻相關(guān)要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。計(jì)算和構(gòu)造均應(yīng)滿足筒中筒結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求。箍筋直徑最小10 mm，箍筋間距最大100 mm，建議設(shè)置交叉暗撐。

5.2 框架柱、梁

由于標(biāo)準(zhǔn)層層高較低，框架柱均為短柱，箍筋沿全高加密。對(duì)角柱應(yīng)按雙向彎曲計(jì)算其配筋。與剪力墻重合的框架梁可保留，也可做成與墻同寬的暗梁，高度為2倍墻厚或與相連框架梁等高，按構(gòu)造布置連梁配筋。由于柱距較大，對(duì)大跨的次梁尚應(yīng)進(jìn)行撓度和裂縫驗(yàn)算。

5.3 樓板

核心筒內(nèi)由于樓板開洞較多，板厚至少取120 mm，雙層雙向配筋。核心筒外側(cè)走廊板厚也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，以保證水平力的有效傳遞?？紤]樓板的翹曲的不利影響，避免樓板角部產(chǎn)生裂縫，框架-核心筒角 部宜設(shè)置雙層雙向鋼筋，配筋率單層單向不于0.3%，鋼筋直徑不應(yīng)小與8 mm，間距不應(yīng)小于150 mm，配筋范圍不宜小于外框架至內(nèi)筒外墻中距的1/3和3 m?？蚣芎诵耐步Y(jié)構(gòu)多為大開間辦公室或者公寓，樓板跨度一般較大，對(duì)跨度超過4.4 m的樓板板厚不宜小于120 mm，采取雙層雙向配筋。

5.4 薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

①裙房頂層樓板板厚最小為120 mm，雙層雙向配筋；對(duì)屋面上層 和下層樓板均采取加強(qiáng)措施；②墻柱截面和混凝土等級(jí)在6層以下不做改變，在標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)交替變化，保證豎向構(gòu)件在層高范圍內(nèi)的平 穩(wěn)過渡；③對(duì)超過2 m的長(zhǎng)懸挑梁考慮豎向地震，并配置抗扭腰筋；④配合幕墻安裝需要盡量做封邊梁或者挑板，不做下掛板，保證邊梁寬度和挑板厚度不小于200 mm；⑤對(duì)屋頂造型應(yīng)重點(diǎn)考慮風(fēng)荷載作用。

6 結(jié)論

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系中，框架承擔(dān)的剪力和傾覆彎矩都較小，在抗震設(shè)計(jì)中，外框架承擔(dān)的內(nèi)息需按照規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到一定的比例，才能成為雙重抗側(cè)力體系，達(dá)到多道抗震防線的設(shè)計(jì)要求。鋼筋混凝土墻體是結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)重視核心筒的抗震性能，加強(qiáng)核心筒的承載力和延性，保證多道抗震設(shè)防體系的有效發(fā)揮。