框架-核心筒結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代高層辦公樓中的應(yīng)用

陳 偉 廖俊濤

（四川省建筑設(shè)計研究院，四川 成都 610000）

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是近十年來世界各國較普遍采用并且具有廣闊發(fā)展前景的一種重要高層建筑結(jié)構(gòu)體系。這種體系通常是由中央核心筒與周邊稀柱框架構(gòu)成。國外多采用鋼結(jié)構(gòu)，此時樓面多采用鋼梁鉸接支撐于周邊鋼柱、鋼框架梁和核心筒的鋼柱、鋼梁上，核心筒、鋼柱多多采用鋼-混凝土組合，樓板大多為壓型鋼板混凝土組合樓板。整個結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度來源于核心筒和周邊的稀柱外框筒的協(xié)同工作，若側(cè)移剛度不夠，常在設(shè)備層、避難層設(shè)外伸剛臂構(gòu)成剛性加強層或在周邊布置支撐體系予以加強，其建筑高度已達100層、400m左右。它的優(yōu)點有利于減少工地勞動力，降低建造成本，加快施工進度；缺點是面廣量大的樓面梁鉸接未能發(fā)揮其側(cè)移作用。

國內(nèi)多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，此時樓面多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁剛接整澆支撐于周邊鋼筋混凝土柱或鋼混凝土組合柱、鋼筋混凝土框架梁和鋼筋混凝土或鋼混凝土組合的核心筒上，樓板多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度來源于核心筒-樓面梁-周邊框架柱，簡稱框筒結(jié)構(gòu)，它與兩邊稀柱外框架協(xié)同工作，此時結(jié)構(gòu)的抗側(cè)傳力直接，充分發(fā)揮了樓面梁的剛度參與工作，克服了稀柱外框筒的剪力滯后效應(yīng)，在超高層建筑高寬比（>6）較大時，也常在設(shè)備層、避難層另加設(shè)外伸剛臂構(gòu)成剛性加強層，對結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度予以加強。這種結(jié)構(gòu)體系使得建筑平面分隔靈活，景觀視野開闊，中央核心筒主要結(jié)合電梯、消防樓梯、衛(wèi)生間、設(shè)備管井等布置，且可隨著建筑電梯數(shù)量的減小，在上部樓層適當(dāng)減弱核心筒墻體，進一步擴大有效的建筑使用面積。

1 工程概況

本工程位于四川省成都市天府新區(qū)交子大道，為一現(xiàn)代化高層甲級辦公樓，底層層高5.10m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.95m,建筑高度99.15m，地下3層，主要用作地下車庫和設(shè)備用房；地上26層，下部兩層局部通高，建筑外圍采用玻璃幕墻，建筑效果圖如圖1所示。

設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計地震分組為第三組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45s,基本風(fēng)壓為0.30kN/m2（50年一遇），基本雪壓為0.10kN/m2（50年一遇）。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，平面尺寸約為43mx43m,呈正方型,外圍框架柱柱網(wǎng)為9m,核心筒尺寸18.8mx18.5m,外圍框架柱和核心筒距離約為12m；地下-3層為人防，由于層高僅為3.5m，采用無梁樓蓋。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

由于本工程地下室為3層，頂板沒有開大洞，通過增加地下室的核心筒墻體長度，可將結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在地下室頂板，這樣可以大大減小結(jié)構(gòu)的地震作用，同時又可以將基頂～-1層的抗震等級降低。框架和剪力墻抗震等級：基頂～-1層為三級，-1層以上為二級。

2.1 核心筒結(jié)構(gòu)布置

核心筒的設(shè)計對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟合理性尤為重要，核心筒的尺度一般宜取H/10～H/12，即筒體的高寬比一般宜取10～12，本工程核心筒尺寸為18.8mx18.5m，筒體高寬比為5.4，滿足JGJ3-2010第9.2.1條要求。核心筒剪力墻的布置在滿足剪力墻軸壓比和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，盡量弱化筒內(nèi)剪力墻，加強核心筒外圍剪力墻。筒體厚度不宜取太厚，一般以300～500mm為宜， 筒體的內(nèi)分隔墻盡量對齊貫通，其厚度可以適當(dāng)減薄，筒內(nèi)混凝土剪力墻厚度以200～250mm為宜，這是因為這部分分隔墻對結(jié)構(gòu)整體的剛度貢獻不是很有效，墻薄可以減輕結(jié)構(gòu)自重；同時它又可以幫助筒體承受一部分垂直荷載、水平剪力和實現(xiàn)筒體的空間剛度。本工程核心筒外圍剪力墻厚度地下室及地上2層為450mm,2層以上為400mm，核心筒內(nèi)剪力墻厚度為200mm～300mm不等。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置

由于辦公樓走道通常需要在核心筒外圍剪力墻上設(shè)置嵌入式消火栓，同時位于風(fēng)井部位的剪力墻需要開洞讓風(fēng)管穿行，所以核心筒外圍剪力墻的開洞位置對于筒體的完整性尤為重要，設(shè)計時應(yīng)密切配合設(shè)備專業(yè)盡量避免在核心筒四角開洞或在核心筒外墻水平方向連續(xù)開洞，在布置筒體墻體時，一是要保證筒體角部有足夠的轉(zhuǎn)角翼緣，不宜小于2倍墻厚,不應(yīng)小于500mm；二是筒臂門洞口的連梁盡量設(shè)計成高度較大的強連梁，以保證筒體的空間剛度。

2.2 外圍框架結(jié)構(gòu)布置

外圍框架柱網(wǎng)的布置往往由于受到建筑方案的制約，可調(diào)性很小，本工程由于建筑方案要求景觀視野的開闊性，所以抽到了四角的外圍框架柱，采用框架斜梁拉結(jié)。本工程鋼筋混凝土外框架的柱距為9m，外圍框架柱與核心筒外墻中軸線中距為12m，剛好滿足JGJ3-2012第9.1.5條不大于12m的要求，不需要設(shè)置內(nèi)柱。框架柱截面尺寸由底部的1200mmX1200mm逐漸變化到頂部的700mmX700mm，外圍框架梁截面尺寸為300mmx800mm,四角斜拉框架梁400mmX800mm,和核心筒相連的框架梁為400mmX650mm，次梁在核心筒和外框架之間單向布置，次梁間距一般為3m，截面尺寸為300mmX650mm。

本工程之所以采用圖2所示的單向次梁布置方案，一方面是因為相比井字梁方案單向次梁布置方案傳力直接，該布置方式減小了和核心筒相連的框架梁的受荷面積，使橫向框架梁的截面尺寸可以降至最低，有利于提高凈空高度；另一方面考慮到可以利用次梁之間的肋間隙布置暖通空調(diào)風(fēng)機盤管，可進一步提高辦公區(qū)的凈空高度。對外圍框架梁由于沒有設(shè)備管線穿行的限制，可采用相對較高的截面（本工程外圍框架梁高為800），有利于增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)的周期比。

樓板厚度的確定：-2層樓面板由于為人防且采用無梁樓蓋，厚度為400mm，-1層樓面由于大部分區(qū)域為設(shè)備用房，荷載較大，采用寬扁梁+井字梁布置方案，樓板厚度取150mm,地下室頂板為嵌固端，樓板厚度取180mm。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層核心筒內(nèi)取120mm,核心筒外結(jié)構(gòu)四角取130mm,其余區(qū)域均取100mm，這是因為本工程標(biāo)準(zhǔn)層辦公區(qū)域均做架空地板，所有接地管線均埋設(shè)在架空地板下穿行，不需在混凝土板內(nèi)埋設(shè)線管，所以對核心筒外的樓板除四個角部外均取最低值100mm，節(jié)約了工程造價。

2.3 剪力墻平面外對梁端嵌固作用的分析

對于本工程由于部分框架梁要支撐在核心筒外墻剪力墻平面外方向，剪力墻平面外對梁端嵌固作用如何，其研究文獻較少，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也沒有涉及。影響剪力墻平面外對梁端嵌固作用的主要因素：墻平面外對梁端嵌固作用的有效長度、墻線剛度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。目前常用的計算分析軟件雖然具有墻平面外剛度分析功能，但未考慮墻平面外對梁端嵌固作用的有效長度，當(dāng)遇到墻肢很長或筒體墻肢空間剛度很大時，計算分析軟件可能會高估了墻平面外對梁端的嵌固作用，使得梁端負彎矩計算值大于實際值，本工程采用如下措施來應(yīng)對這一誤差：采用圖3增加墻邊框梁方法，用以增加墻平面外對梁端嵌固的局部剛度。墻邊框梁截面寬度應(yīng)不小于0.4倍梁縱筋錨固長度，墻邊框梁截面高度略大于樓面梁截面高度；為保證梁正截面設(shè)計更符合實際受力情況，梁端計算彎矩可以采用“二次條幅”方法，即分析計算時假定梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)后，配筋時再局部手算調(diào)幅，“二次調(diào)幅”時，應(yīng)綜合考慮構(gòu)件的剛度、內(nèi)力重分布的充分性、裂縫的開展及變形滿足使用要求。

3 計算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)構(gòu)造加強措施

本工程采用SATWE軟件進行結(jié)構(gòu)計算，以地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端，按模擬施工3加載計算，多遇地震作用下主要控制參數(shù)計算結(jié)果如表1：

第一平動周期：T1=3.01 第一扭轉(zhuǎn)周期Tg=2.48

第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比：Tg/T1=0.82均滿足JGJ3-2010要求。

框架柱最大軸壓比：0.80，剪力墻最大軸壓比：0.46。

表1 多遇地震作用下主要控制參數(shù)計算結(jié)果

圖3 樓層標(biāo)高墻邊框梁設(shè)置

結(jié)構(gòu)構(gòu)造加強措施：

3.1 對于底部2層局部通高部位，適當(dāng)加強外圍框架柱和核心筒外圍剪力墻截面尺寸及配筋；

3.2 由于框架柱截面較大，下部部分樓層形成了極短柱，本工程采取設(shè)置芯柱來提高框架柱延性；

3.3 由于本工程四角抽柱，采用框梁拉結(jié)，適當(dāng)加強四角外圍框梁的通長配筋提高結(jié)構(gòu)的整體性；

3.4 底部加強部位角部強體的水平和豎向分布鋼筋的配筋率均按0.30%配置；

3.5 底部加強部位以上核心筒角部墻體均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；

3.6 核心筒外圍連梁均需設(shè)置對角斜筋或交叉暗撐；

3.7 筒體角部樓板雙層雙向配筋，配筋率部小于0.3%；

結(jié)語

總而言之，現(xiàn)代化的辦公樓設(shè)計要求更加合理、科學(xué)、舒適，要有較大的靈活的自由空間，鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)作為一種極具發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)體系很好地滿足了這一要求。本工程作為高層辦公樓框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個特例，無論在結(jié)構(gòu)平面上還是在豎向上均較為規(guī)則，不存在結(jié)構(gòu)超限問題，這也得益于建筑方案的合理性。在今后還會遇到各式各樣的框架-核心筒辦公樓，或存在平面不規(guī)則，或存在豎向不規(guī)則，或二者兼有，但不管如何變化，只要我們抓住其核心筒和外圍框架設(shè)計的精髓，通過不斷地和建筑、設(shè)備專業(yè)的密切配合調(diào)整，就一定能做到更精細合理、安全經(jīng)濟。

[1]孫皓.普通高層辦公綜合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計初探[J].科技風(fēng)，2012（10）：169.

[2]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國建筑工業(yè)出版社.

[3]柳浩杰.某高層辦公綜合樓結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計[J].四川建材，2009（02）：91-93.