高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

周忠凌

（江西省井岡山應(yīng)用科技學校，江西 吉安 343000）

0 引言

豎向荷載是多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮的因素[1]，風荷載及地震作用對多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響相對較小，但在高層建筑尤其是超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以上因素均需著重考慮，并且水平及豎向荷載的共同存在還會出現(xiàn)新的作用效應(yīng)。這就要求高層建筑結(jié)構(gòu)不僅要具有足夠的強度、剛度，還要保證在強風和強震情況下具有良好的塑性變形及延展性?？蚣?核心筒（建筑外圍布置大柱距的框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部核心筒貫通建筑全高，靠框架梁傳遞側(cè)向荷載）的結(jié)構(gòu)形式順應(yīng)了高層建筑這一特性，不僅滿足建筑多樣化的功能劃分而且其受力性能優(yōu)于普通的框剪結(jié)構(gòu)。本文通過北方某工程實例，對框架-核心筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究。

1 工程概況

本工程為北方某市綜合辦公樓，地下2層，地上37層，筑高度136.5m，總建筑面積7萬m2。其中1～4層為塔樓裙房，其主要功能為商業(yè)，5～37層功能為辦公室，其中14層及29層為避難層，核心筒內(nèi)為建筑交通核，圍繞交通核布置辦公區(qū)域。

根據(jù)本工程平面布置以及建筑功能對采光通風方面的要求，優(yōu)先考慮其結(jié)構(gòu)形式采用框架-核心筒，在這種結(jié)構(gòu)形式下，以核心筒作為抗側(cè)力主體，具有較大的剛度，同時兼具較大的承載能力，外圍框架部分承受較小的水平剪力，同時在核心筒與框架柱之間設(shè)置水平伸臂構(gòu)件，不僅可增大結(jié)構(gòu)整體抗傾覆力矩的能力，還可改變周邊框架的受力狀態(tài)，產(chǎn)生抵消核心筒的彎矩的反彎效果，減小結(jié)構(gòu)的變形和側(cè)移。

本工程建模時，考慮塔樓與裙房之間不設(shè)置抗震縫。裙房部分采用框架結(jié)構(gòu)，采用1100mm×1100m的柱截面，梁寬500mm，梁高700mm；塔樓部分采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過建模粗略驗算，最終確定了核心筒外圍剪力墻厚度及內(nèi)側(cè)剪力墻厚度，其數(shù)值分別為550mm及350mm。隨建筑樓層的增加，框架柱截面、核心筒剪力墻厚度逐步減小，與此同時還需按照規(guī)范（圖1），對框架-核心筒結(jié)構(gòu)梁、板、柱的混凝土強度等級進行設(shè)計。

圖1 首層結(jié)構(gòu)布置平面圖

通過PKPM建模及其分析計算，考慮偏心地震作用力的情況下，扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.56，同時，考慮到塔樓部分位于裙房左上角，故全樓的剛度中心受核心筒位置的影響，偏向于左上角，而質(zhì)量中心卻偏向于面積大的裙房，從而產(chǎn)生了側(cè)向荷載作用下明顯的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）3.4.1條可知，該結(jié)構(gòu)屬特別不規(guī)則形。為克服這一難題，設(shè)計團隊最終考慮在塔樓與群房之間設(shè)置抗震縫，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）3.4.10條規(guī)定，抗震縫寬度為140mm，這一方案不僅使結(jié)構(gòu)平面美觀，梁、板、柱及剪力墻的受力關(guān)系也更加合理，塔樓部分與裙房部分分別獨立，故其剛度中心及質(zhì)量中心重合，無明顯的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，豎向上各層側(cè)移均勻，剛度突變及剛度薄弱情況較設(shè)縫前的方案，已無此情況，結(jié)構(gòu)體系更加合理，受力情況更加均勻。

2 框架-核心筒結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1 剪力的分配

在水平地震作用下，通?？蚣懿糠钟嬎闼玫募袅^小。在設(shè)計中，需考慮多道防線[2]，剪力墻是比框架部分先破壞的整個結(jié)構(gòu)的第一道防線，地震作用下，剪力墻率先出現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布情況，進而加大了框架部分承受的剪力，而在考慮作為第二道防線的框架部分結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)適當提高其抗側(cè)力能力。

經(jīng)計算，本工程底層X方向框架部分剪力分配為3.64%，Y方向為2.43%，均小于10%。故應(yīng)調(diào)整框架部分承擔的剪力，使其滿足《高規(guī)》9.1.11條的規(guī)定。

2.2 軸壓比

為保證地震力控制下剪力墻的塑性變形能力、柱的延性及剪力墻塑性變形能力，設(shè)計中需限制框架柱的軸壓比，結(jié)合《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建議》及《高規(guī)》6.4.2條，7.2.13條和11.4.4條，確定本工程型鋼混凝土柱軸壓比限值為0.9，剪力墻墻肢軸壓比限值為0.6。通過振型分解反應(yīng)譜方法，本工程實際框架柱軸壓比最大值為0.71，剪力墻墻肢最大軸壓比為0.44，墻、柱軸壓比均滿足規(guī)范要求。

2.3 剪力墻邊緣構(gòu)件

剪力墻邊緣構(gòu)件包括構(gòu)造邊緣構(gòu)件與能提高剪力墻塑性變形能力的約束邊緣構(gòu)件。《高規(guī)》7.2.14條規(guī)定：剪力墻兩端及洞口兩側(cè)應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件，并應(yīng)符合如下規(guī)定：①對于底層底截面的軸壓比大于0.3的二級剪力墻，以及部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻，應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，考慮邊緣構(gòu)件設(shè)置于底部加強部位和加強部位相鄰上一層。②除第①條所列部位外，剪力墻應(yīng)設(shè)置如暗柱、端柱和翼墻的構(gòu)造邊緣構(gòu)件。

應(yīng)按照規(guī)范要求，本工程底部剪力墻軸壓比大于0.3需設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。其約束邊緣構(gòu)件長度宜為墻肢截面高度的1/4，為滿足正截面受壓（受拉）承載力計算要求，構(gòu)件內(nèi)垂直方向上布置的箍筋或拉筋間距不宜大于150mm，肢距在水平方向不應(yīng)大于豎向間距的2倍?？紤]《高規(guī)》7.2.16條約束的剪力墻構(gòu)造邊緣構(gòu)件的布置范圍，構(gòu)造邊緣構(gòu)件的豎向鋼筋及箍筋直徑和間距應(yīng)滿足框架柱的相應(yīng)要求，沿水平方向的籀筋和拉筋肢距不應(yīng)大于豎向鋼筋間距的2倍，且不宜大于300mm。

2.4 周邊框架梁、柱

框架柱的延性比梁小易形成塑性鉸，導致產(chǎn)生層間側(cè)移，直接影響結(jié)構(gòu)承受垂直荷載的能力。故設(shè)計時需有目的地增大柱端彎矩，采用乘以修正系數(shù)的方式加強底層柱下端的受彎承載力。同時，在設(shè)計中為滿足“強剪弱彎”要求，還需有目的地增大柱的剪力值及兩端彎矩值。本工程梁端部和柱端部截面內(nèi)力設(shè)計時考慮修正系數(shù)，尤其是框架角柱受力復雜，其彎矩、剪力設(shè)計值均應(yīng)調(diào)整且考慮修正系數(shù)。

2.5 主要配筋構(gòu)造

按三級抗震考慮，在設(shè)計梁端截面的底面和頂面配筋時，需控制縱向鋼筋截面面積的比值，將其值考慮在0.3以上。在設(shè)計中柱和邊柱配筋時，其縱向鋼筋的配筋率需控制在0.6%以上，角柱不應(yīng)小于0.8%。取8d和150mm的較小值為箍筋加密區(qū)的最大間距，箍筋最小直徑為8mm。

按二級抗震考慮，在設(shè)計剪力墻配筋時，豎向和水平分布鋼筋的配筋率需控制在0.25%以上，剪力墻鋼筋間距需控制在300mm及以下，鋼筋直徑需控制在8mm以上，且不宜大于墻厚的1/10。各排分布鋼筋之間應(yīng)設(shè)置拉筋。

3 結(jié)構(gòu)性能分析

根據(jù)不同建筑的重要性程度，考慮到其不同的使用功能，抗震設(shè)防目標也隨之不盡相同（表1），建筑的抗震性能設(shè)計需綜合考慮承載力和變形能力[3]。在本工程的實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為達到抗震性能目標靈活運用各種措施以在滿足使用功能的要求下提高安全性。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標分類

3.1 多遇地震作用

基于“振型分解反應(yīng)譜法”，采用ETABS和SATWE計算軟件分析多遇地震作用，通過對兩者的計算結(jié)果比較，尤其是在多遇地震作用下分析彈性時程。

經(jīng)過分析，取15個振型對ETABS模態(tài)分析，與STAWE一致。X方向有效質(zhì)量系數(shù)為96.73%，Y方向有效質(zhì)量系數(shù)為97.41%，表明ETABS計算時取15各振型同樣滿足要求。根據(jù)質(zhì)量參與系數(shù)來判斷平扭屬性的ETABS，計算得結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與結(jié)構(gòu)的第一平動周期的比值，為0.639，小于0.9，滿足規(guī)范要求。

彈性動力時程分析通常依靠求解結(jié)構(gòu)基本動力微分方程得出，在地震作用下，超高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)方法特殊，多以時程分析法，將地震作用以地震波曲線的形式引入微分方程，并通過積分方程得出在地震作用下，整體結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件每一時刻的響應(yīng)。故本工程選擇三條地震波，進行彈性時程分析。根據(jù)強震觀測記錄的統(tǒng)計分析，兩個水平方向地震加速度的最大值不相等，兩者之比約為1:0.85；考慮兩個方向的最大值不一定同一時刻發(fā)生，在計算兩個方向地震作用效應(yīng)時，需考慮采用平方和開方組合的方式。主方向在多遇地震下的地震加速度最大值為18cm/s2，次方向為0.85×18=15.3cm/s2，計算結(jié)果較大值作為地震作用效應(yīng)。通過彈性時程分析得出的三條地震波底部剪力，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，平均值大于80%，根據(jù)《高規(guī)》4.3.5條的規(guī)定，地震波的選取符合要求。

3.2 設(shè)防烈度地震作用

考慮到“強柱弱梁，強剪弱彎”概念設(shè)計，調(diào)整內(nèi)力值容易導致中震作用下的梁端彎矩比小震作用下的小，同時由于材料強度按標準值設(shè)計，周邊框架柱軸壓比中震時比小震時小，小震彈性設(shè)計時底層柱軸壓比計算結(jié)果最大值為0.71，中震不屈服設(shè)計時最大值為0.50，而剪力墻的軸壓比在兩種情況下相差不大。為保證抗震設(shè)防目標—小震不壞、中震可修、大震不倒，需保證在中震作用下結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展不能過快，避免在中震設(shè)計下重要的抗側(cè)力構(gòu)件達到屈服狀態(tài)的同時發(fā)現(xiàn)其重點薄弱部位進行加強[4]。

3.3 罕遇地震作用

結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件在罕遇地震作用下，允許出現(xiàn)塑性發(fā)展，需考慮非線性行為。綜合考慮彈塑性時程，在罕遇地震作用下，分析三條地震波曲線，得出主方向地震加速度最大值為125cm/s2，次方向最大值為0.85×125=106.25cm/s2。所得樓層位移變化趨勢，可知X為主方向樓層位移時，最大值為347.9mm，Y為主方向樓層位移時最大值為356.1mm，同時根據(jù)時程分析塑性鉸分布情況，周邊框架柱兩端均未出現(xiàn)塑性鉸，框架梁端有塑性較出現(xiàn)。

4 結(jié)語

依托北方某市綜合辦公樓工程案例，對結(jié)構(gòu)受力及性能分析，深入探討整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部位，以明確結(jié)構(gòu)方案旳受力性能。以“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則提出適應(yīng)本工程切實可行的設(shè)計方案，采用彈性時程分析不同地震力作用，可知結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)。總結(jié)得出結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下。

（1）選擇抗震和抗風性能良好結(jié)構(gòu)體系，選擇適應(yīng)工程情況的結(jié)構(gòu)體系，對稱性布置結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，簡化荷載傳遞路徑。

（2）在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，質(zhì)量、剛度和承載力的變化不應(yīng)出現(xiàn)突變的情況，避免特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置情況。

（3）賦予水平構(gòu)件及豎向構(gòu)件足夠的承載力、剛度及延性，在抵抗地震作用方面考慮多道防線，保證結(jié)構(gòu)體系的安全性。

（4）規(guī)范設(shè)計節(jié)點構(gòu)造，在遭遇較大地震作用時，節(jié)點應(yīng)具備良好的延性，保證其不優(yōu)先于構(gòu)件發(fā)生破壞。

綜合以上4點，將概念設(shè)計融入結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中并整體把握，最終即可得出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。