高層建筑框架-核心筒結構設計探討

林 雪

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004 )

高層建筑框架-核心筒結構設計探討

林 雪

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004 )

對復雜的框架-核心筒結構抗震設計應至少采用兩個不同力學模型的結構分析軟件進行多遇地震下彈性計算、用彈性時程分析進行補充計算，并滿足預期結構抗震性能設計目標的要求。本文通過工程實例對框架-核心筒結構抗震設計計算結果進行分析比較、對結構的主要構件和關鍵部位采取有效的抗震加強措施。同時還探討了核心筒連梁截面選取對整體抗震性能的影響，并對剪力墻平面外與梁相交時的連接處理問題進行了分析。

框架-核心筒; 彈性計算; 彈性時程分析;中震不屈服;樓板有限元性能分析;連梁

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引 言

筒體是一種空間受力構件，由豎向筒體為主組成，承受豎向和水平荷載作用。筒體結構具有造型美觀、使用靈活、受力合理以及整體性強等優點，適用于較高的高層建筑。筒體結構根據平面墻柱布置情況主要可分為框架-核心筒結構和筒中筒結構。

框架-核心筒利用建筑功能的需要在內部組成核心筒作為主要抗側力構件，在外圍布置大柱距的框架(一般8～12m)，其受力狀況與框架剪力墻相同。但由于平面布置的規則性和內部核心筒的空間性能優越性使其受力性能、適用高度優于一般的框架剪力墻結構，在高層及超高層建筑中被廣泛應用。本文通過工程實例對框架-核心筒結構設計提出一些探討:

1 工程概況

本工程位于福州市臺江區，設2層地下室，1～3層為商業層高5.4m,4～22層為辦公層高3.8m，建筑總高度94.75m。設計使用年限50年，安全等級二級，建筑抗震設防類別為丙類。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組第二組，場地類別Ⅲ類，特征周期0.55S。基本風壓0.7KN/m2，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用。

剪力墻核心筒部分作為抵抗水平力的主要構件，考慮到結構還應具有一定的延性，核心筒采用低軸壓比設計。外筒最大厚度450mm，控制最大軸壓比為0.45。外圍框架柱最大截面為1200x1400mm主要承受豎向荷載。核心筒與外框架連接處盡可能設置扶壁柱或暗柱，以保證核心筒與外框架的可靠連接。標準層平面簡圖如下：

圖1 標準層結構平面圖

2 主體結構計算分析

2.1 多遇地震下彈性計算分析

多遇地震下采用SATWE計算軟件進行彈性計算分析，并用盈建科復核。結構在多遇地震、風荷載及重力荷載作用下的內力和位移按振型分解反應譜法計算。抗震計算考慮扭轉、偶然偏心和雙向地震對結構的影響，平扭耦聯扭轉效應，振型參與質量不小于總質量的90%。墻、柱軸向變形內力計算分析應按模擬施工3分層加載來考慮施工過程的影響。框架梁、連梁等構件可考慮局部塑性變形引起的內力重分布。樓板在自身平面內為無限剛性。主要計算結果指標如(表1)：

表1 結構主要計算結果

2.2 彈性時程分析進行多遇地震的補充計算

本工程屬于豎向體型收進的復雜高層，采用彈性時程分析進行多遇地震的補充計算。根據場地性質取3條地震波，其中2條為天然波，1條為人工波。地面運動最大加速度為35cm/s2，地震波的持續時間不宜小于建筑結構基本自振周期的5倍和15s，地震波的時間間距可取0.01s。

圖2 彈性時程分析主要內力及位移曲線圖

X向基底剪力與CQC法比值Y向基底剪力與CQC法比值CQC法1582913037場地譜1240478%1015977%天然波11560698%1211692%天然波21220477%1082083%平均值1340584%1103285%

地震波產生的基底(地上首層)剪力與振型分解反應譜法(CQC法)基底剪力比較，結果顯示CQC法的層間剪力曲線基本能包絡所選的三條地震波對應的平均層間剪力曲線，樓層位移曲線、層間位移角曲線光滑無突變，結構側向剛度較均勻。層間位移角曲線形狀相似、光滑，結構剛度較均勻。但頂層CQC法的地震剪力偏小，設計時已對頂層剪力進行調整。地震波的平均地震影響系數曲線與CQC法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。每條時程曲線計算所得結構底部剪力大于振型分解反應譜法結果的65%。3條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值大于振型分解反應譜法結果的80%。振型分解反應譜法地震作用效應計算結果大于3條時程曲線計算結果的平均值。地震波選擇滿足高層建筑混凝土結構技術規程(簡稱“高規”)要求，時程分析結果滿足規范要求。

以上兩組問題教學，指向于不同的教學維度。第一組問題指向于兒童已有的認知經驗與新知識發生關聯，即對稱軸的畫法與圖形本身的特征建立聯系，使得學生對軸對稱圖形的認識從“畫對稱軸”上升到理性層面。第二組問題指向于兒童的思維生成、重塑與再發展，即教師引領學生從探究有限的邊數，逐漸向無限的邊數的探究，從形象思維逐漸走向抽象思維。學生在探究中經歷數學知識的生成與發展，體悟和理解無限的奧秘。

2.3 多遇地震設計和中震不屈服設計對比分析

根據結構抗震性能化目標D的設計要求，設防烈度地震工況應滿足第4抗震性能水準。多遇地震下各構件完好無損，設防烈度地震下關鍵構件輕度損壞、部分普通豎向構件中度損壞、耗能構件損壞、建筑修復或加固后可繼續使用。關鍵構件抗震承載力滿足“屈服承載力設計”的要求即按照中震不屈服進行結構設計。

計算中各參數處理如下：地震影響力系數按需小震的2.8倍取值；荷載分項系數取1.0，組合時不考慮風荷載；與抗震等級有關的增大系數取為1.0；不考慮承載力抗震調整系數；鋼筋和砼材料強度采用標準值。

在多遇地震工況下：框架柱與核心筒各層均未出現拉力，框架柱在小震作用下基本為構造配筋，軸壓力較大，剪力按0.2Q0進行調整。

在設防烈度地震工況下(中震不屈服設計)：框架柱各層未出現拉力，核心筒剪力墻在底部加強區范圍出現拉力，底層外框筒角部拉應力比達到3.51。框架柱配筋基本沒有變化，剪力墻配筋值大于按小震計算的配筋值。(下圖為中震不屈服計算的底層墻偏拉驗算簡圖)

圖3 底層柱、墻底部偏拉驗算簡圖

根據高規第7.2.10條、7.2.11條，地震工況下剪力墻的斜截面受剪承載力計算公式為：

(1)

N大于0.2fcbwhw時，應取0.2fcbwhw。

(2)

根據偏心受壓(1)、偏心受拉(2)斜截面受剪承載力計算公式分析，在小震下剪力墻為偏壓構件，軸壓力有利于受剪承載力，但壓力增大到一定程度后，對抗剪的有利作用減小；在中震下當剪力墻局部出現拉力時，軸向拉力對受剪承載力有不利的影響，較大的拉力將大大降低剪力墻的抗剪承載力。僅按小震所需的水平分布筋不一定能滿足抗剪承載力要求宜按中震進行復核。

本工程底部加強區角部墻體在中震下出現拉應力區域需增加水平筋以滿足抗剪要求，其余位置原水平分布筋中震下均能滿足抗剪承載力要求。對角部開洞較大的外框筒剪力墻的配筋按中震不屈服進行復核，并按高規要求底部加強部位主要墻體的水平和豎向分布筋配筋率不小于0.3%；底部加強部位角部墻體約束邊緣構件沿墻肢長度取墻肢截面高度的1/4，約束邊緣構件范圍內應主要采用箍筋；底部加強區以上角部墻體均設置約束邊緣構件。

根據規范剪力墻底部允許出現塑性鉸作為耗能區域，并通過“強剪弱彎”的設計原則提高抗剪承載力及設置約束邊緣構件等措施，確保剪力墻底部的延性。但當剪力墻底部大面積出現較大拉力時，可能完全喪失抗剪承載力，這種破壞形式與塑性鉸不同，設計中應引起重視并避免。

2.4 對平面不規則樓板補充平面有限元性能分析

對平面凹凸尺度較大、開洞較多的樓層，裙房屋面等平面不規則的樓板，考慮其受力復雜可能產生應力集中按彈性板進行有限元應力分析。

標準層應力計算結果顯示在電梯井、樓梯等洞口邊緣及核心筒周邊板應力值較大。平時工況下最大值為1.4N/mm2， 板內拉應力均不大于C30混凝土抗拉強度標準值1.43N/mm2。地震工況下僅個別位置最大值為2.4N/mm2采取附加板筋承受此應力。(平時工況標準層應力如下圖)

圖4 第6層樓板應力等值線圖

結構設計時標準層核心筒內部及周邊板厚加大，配筋加強；樓蓋外角設置雙層雙向鋼筋并滿足高規的配筋率及構造要求。二層樓面(入口大廳)、裙房屋面板厚加大為150mm，大屋面板厚120mm，設置雙層雙向鋼筋以達到性能要求。

3 結構設計探討

3.1 核心筒連梁截面選取對整體抗震性能的影響

通常情況下，剪力墻在水平荷載作用下墻肢底部所受彎矩最大，整個結構呈彎曲變形為主，受拉墻肢與受壓墻肢的變形的不一致直接造成連梁的兩端產生反向相對變形，所以連梁承受了比較大的剪力，它將兩端墻肢連接起來，此種雙肢剪力墻的受力特點與連梁的跨高比、連梁與墻肢的剛度比有直接的聯系，一般情況下，破壞時首先出現在中間樓層處的連梁與剪力墻連接部位。隨著荷載的增加，其他層連梁端部相繼屈服。

表3 不同截面高度的連梁對結構整體抗震性能的比較

結構計算中，在核心筒剪力墻保持不變的情況下，外框筒連梁的剛度越大，核心筒所具有的抗扭剛度就越大。隨著連梁高度降低，核心筒抗側剛度減小，結構自振周期加大，結構所吸收的地震力減小，墻肢所承擔的彎矩百分比減小，結構的最大層間位移角和頂層位移加大。結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比加大。

高規規定結構平面布置應盡量減少扭轉的影響。在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應大于0.9。同時還須保證核心筒墻體所承擔的地震傾覆力矩大于結構總傾覆力矩的50%。

當連梁的跨高比較小時，破壞時容易出現剪切斜裂縫，如果部分連梁剪切破壞或全部剪切破壞，則墻肢間的約束將削弱或全部消失，聯肢剪力墻蛻化成多個獨立墻肢。結構的剛度會大大降低，承載力也隨之降低，并最終可能導致結構的倒塌。當連梁的跨高比較大時，破壞時梁端會出現垂直裂縫，地震作用時會出現交叉裂縫。在結構受到往復的地震力作用時，耗能能力較強的連梁可以通過自身的逐步破壞，消耗較大的地震能量，縱向鋼筋屈服，砼被壓碎從而形成塑性鉸，塑性鉸能夠傳遞彎矩和剪力繼續起到約束墻肢的作用，逐步降低結構的抗側剛度，減小結構地震反應，確保其他更重要的豎向承載構件的安全。跨高比較大的連梁在地震作用下，其塑性鉸的發展更加充分，轉動能力也更強。在同等條件下，跨高比較大的連梁具有更好的耗能能力。結構設計中應反復調整連梁的截面進行試算，達到延性設計和耗能性能的良好統一。

3.2 剪力墻平面外與梁相交時的連接處理

當樓面梁與剪力墻平面外相交時，剪力墻承受由梁端傳來的豎向荷載和平面外彎矩，還承受自身平面內由上至下疊加的軸力，在這些荷載作用下剪力墻呈偏心受壓狀態。剪力墻的特點是平面內剛度及承載力大，平面外剛度和承載力都很小。當剪力墻平面外作為跨度大于5m的梁的支座時，在地震力的作用下剪力墻可能出現豎向裂縫，如果彎矩較大，也會出現平面外破壞。

針對此問題高規7.1.6條要求可沿樓面梁軸線方向設置扶壁柱或在剪力墻平面內設置暗柱。設置扶壁柱時，其截面寬度不應小于梁寬(圖1)；設置暗柱時，暗柱的截面寬度可取梁寬加2倍墻厚(圖2)。同時可通過砼規范偏心受壓構件正截面受壓承載力計算公式確定暗柱和扶壁柱的縱向鋼筋。暗柱受彎承載力尚不宜小于梁端截面受彎承載力的1.1倍及正常使用極限狀態下的要求。

當單面有大跨梁與剪力墻暗柱連接時，為避免梁端彎矩過大造成暗柱破壞，在滿足平時工況前提下，可對梁端彎矩進行較大的調幅，并采用小直徑的縱向鋼筋以便滿足鋼筋錨固要求(梁跨中彎矩應按平衡條件作相應調整)。當錨固段的水平投影長度不滿足要求時還可將樓面梁伸出前面形成梁頭(圖5)。工程設計可采用梁端水平加腋的方法直接加大嵌固作用的有效長度(圖3)，也可采用設置邊框梁的方式增加剪力墻平面外梁端嵌固的局部剛度(圖4)。

圖5 剪力墻與梁鉸接時構造處理

4 結論與建議

由于建筑使用功能及立面造型等原因造成結構體系的不規則，結構抗震設計需要進行詳細的計算分析比較，并采取有效的構造措施。在能夠滿足承載力使用要求和變形要求的同時確保結構可靠、經濟、合理。

基于多年工程實踐設計經驗對框架-核心筒結構設計提出如下建議供參考：

(1)采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件對體型復雜、結構布置復雜的高層建筑進行多遇地震下彈性計算；用彈性時程分析進行多遇地震的補充計算；

(2)應滿足預期結構抗震性能設計目標的要求，對結構的主要構件和關鍵部位提高抗震承載力和變形能力，按照中震不屈服進行設計復核。

(3)對平面不規則樓板補充平面有限元性能分析,樓面剛度變化較大，應力較大部位采取加強措施。

(4)連梁通常按“強墻弱梁” “強剪弱彎”進行設計，使其作為抗震耗能的第一道防線。連梁作為主要耗能構件其截面的選取對核心筒的抗彎能力與整體抗側剛度有很大影響。

(5)剪力墻平面外剛度和承載力都很小，當樓面梁與墻平面外相交時，應采取適當的措施增加墻體平面外的剛度。

[1]GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

[2]GB50011-2010,設計規范[S].

[3]高層建筑混凝土結構技術規程 [S].

[4]多層及高層建筑結構設計 ,地震出版社.

Discussion on the Frame-core tube Structure Design of High-rise Building

LINXue

(Fujian Zhonghe Development Architectural Design Institute ，Fuzhou 350004)

The seismic design of the complex frame - core tube structure should be carried out at least two different mechanical models. Using elastic time history analysis to carry out the calculation, and meet the requirements of the seismic performance of the expected structure design objectives. In this paper, the seismic design of the frame core tube structure is analyzed and compared with the engineering examples, and the main components and key parts of the structure are taken as effective measures for seismic strengthening. Were also discussed core tube coupling beam is selected on the seismic performance of the overall impact, and outside the plane of shear wall and beam intersect connection problems are analyzed.

Frame-core tube;Elastic Calculation; Elastic Time Analysis; Middle Seisms Unyieldingness; Finite Element Analysis of Floors. Coupling Beam

林雪(1972- )，女，高級工程師。

2015-06-19

TU973

A

1004-6135(2015)09-0052-05