高层建筑框架-核心筒结构设计心得

引 言

　　筒体结构具有造型美观、受力合理以及整体性强等优点，适用于高层建筑。目前全世界最高的 100幢高层建筑约有 2/3 采用筒体结构；国内 100 m以上的高层建筑约有一半采用钢筋混凝土筒体结构。筒体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体结构主要包含以下 2 种：筒中筒结构；框架 - 核心筒结构。框架 - 核心筒结构由核心筒与外围的框架柱组成的高层建筑结构。框架 - 核心筒结构周边柱子的柱距比较大，一般为 8~12 m，它和周边的梁构成了外框架，中间为电梯井、楼梯间、管道井等构成的核心筒受力特点，类似框架剪力墙结构。

　　1 综合介绍

　　某研发中心（A 楼、B 楼），A 楼地上 26 层；B楼地上 12 层，裙房 3 层，地下室 2 层。A 楼标准层平面布置图如图 1 所示。A 楼高度为 97 m，B 楼高度为 46.6 m。该场地类别为Ⅱ类；地面粗糙度为B；结构设计使用年限为 50 a；抗震设防烈度为 7度，设计地震分组及加速度为第二组，0.1 g。基本风压：高层 0.40 kN/m2，多层 0.35 kN/m2，基本雪压为 0.35 kN/m2。建筑抗震设防类别为丙类；基础设计等级为甲级。A 楼下基础为桩基，其余为筏板基础。该工程的结构安全等级为二级。结构体系:A楼为框架 - 核心筒结构；B 楼为框架 - 抗震墙结构；裙房部分为框架结构。抗震等级：地下二层剪力墙三级、框架三级；地下一层及裙房剪力墙二级、框架二级；A 楼剪力墙二级、框架二级；B 楼剪力墙二级、框架三级。

　　2 计算分析

　　2.1 结构设计优化分析

　　某研发中心 A 楼标准层平面布置图如图 1所示，剪力墙底部加强部位墙厚 350 mm，框架柱截面为 900 mm×900 mm，底部混凝土强度为C50，底部加强区位置为负一层至 5 层楼面，经SATWE 计算结构框架楼层地震剪力如表 1 所示。【表1】

　　
　　表 1 中的数据不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》9.1.11条及 《建筑抗震设计规范》中6.7.1.2 条对筒体结构的“框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部总地震剪力的 10%”的要求。

　　分析该结构，由于外周框架柱的柱距过大，柱截面偏小，梁高偏小，造成其刚度过低、核心筒刚度过高，结构底部剪力主要由核心筒承担。在强烈地震作用下，核心筒墙体可能损伤严重，经内力重新分布后，外周框架会承担较大的地震力作用。

　　结构设计不合理。现将底部框架柱截面改为1 100 mm×1 100 mm,并适当增大梁截面后，计算结果如表 2所示。【表2】

　　
　　调整后柱承受的剪力百分比满足要求规范“不小于结构底部总地震剪力的 10%”要求。结构体系合理。

　　2.2 角柱的概念设计

　　角柱因受力较小，底部框架柱增大截面后，角柱截面仍为 900 mm×900 mm，小于一般框架柱截面，此时周期、地震力与振型输出文件结果如表3 所示。【表3】

　　
　　由表 3 可知，结构扭转为主的第一自阵周期Tt=2.034 9；结构平动为主的第一自阵周期 T1=2.742 0。周期比 Tt/T1=2.034 9/2.742 0=0.74<0.85，满足规范要求。

　　但研究《高层建筑混凝土结构技术规程》9.1.4条“筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋”，是由于筒体结构的双向楼板在竖向荷载的作用下，四周外角要上翘，为了防止楼板裂缝的产生，所以规范提出应该加强构造。结合框架 - 核心筒模型的结构整体空间振动简图分析，框架 - 核心筒结构在受扭转为主的阵型下，角柱平面外变形最大，是结构最容易破坏的地方，也是概念设计中最应该加强的地方。受建筑功能限制，角柱只能加大到与框架柱相同 1 100 mm×1 100 mm。加大角柱后的周期、地震力与振型输出文件结果如表4 所示。【表4】

　　
　　周期比 Tt/T1=2.018 0/2.649 7=0.76<0.85，满足规范要求。

　　同时角柱应按双向偏心受压构件计算，纵向钢筋面积宜乘以增大系数 1.3。
　　
　　3 总结
　　
　　框筒设计的体会（1）框架 - 核心筒设计应注意框架部分的合理设计，避免出现由于外周框架柱的柱距过大，柱截面偏小，梁高偏小，造成其刚度过低、核心筒刚度过高，结构底部剪力主要由核心筒承担的情况产生。

　　（2）为控制结构的周期和位移，在核心筒截面基本确定的情况下，墙加大梁柱的截面，可有效增加结构的抗侧刚度。但当柱与核心筒相距较远时，要综合考虑梁高与楼层净空的关系。

　　（3）注重概念设计，加大角柱截面。文中对角柱加大前后，结构整体计算结果进行了细致的分析。发现角柱是否加大对实际的计算结果影响甚微。但应考虑到角柱应力滞后，结合《高层建筑混凝土结构技术规程》9.1.4 条“筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋”的设置原因是由于筒体结构的双向楼板在竖向荷载的作用下，四周外角要上翘，为了防止楼板裂缝的产生，所以规范提出应该加强构造。

　　4 加强框架 - 核心筒结构的抗震措施

　　（1）筒体角部不宜开洞，不可避免时，筒角内壁至洞中距离≥500 mm 和墙厚度。

　　（2）角柱截面尺寸的变化与核心筒墙厚的变化错开。

　　（3）核心筒外缘楼板不宜开大洞口。

　　（4）核心筒内部楼板，厚度≥120 mm，双层双向配筋。

　　（5）楼面梁不宜支承在核心筒外围连梁上。

　　（6）筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋。

　　［参 考 文 献］
　　
　　［1］JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.
　　［2］GB50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.
　　［3］GB50011-2010，混凝土结构设计规范［S］.