框架核心筒結構經(jīng)濟性分析和結構性能比較

胡時猛，尤軍，成鑫磊

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

框架核心筒結構經(jīng)濟性分析和結構性能比較

胡時猛，尤軍，成鑫磊

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

框架-核心筒結構體系同時具有框架結構和剪力墻結構的優(yōu)點，被大量應用在我國民用建筑設計中。該文基于某超高層實例工程，分別以普通鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱為不同豎向構件建立模型，在不同豎向構件的情況下，針對框架-核心筒結構形式從結構形式、SATWE計算結果以及經(jīng)濟性統(tǒng)計等多個方面進行比較，以加深對框架-核心筒結構布置的理解和認識。

框架-核心筒結構；豎向構件；經(jīng)濟指標

0 引言

我國已經(jīng)至少有3座超過600m的超高層建筑建成或待建，分別是于2014年8月3日結構封頂2015年投入使用的上海中心大廈（632m），以及待建的武漢綠地中心（636m）和深圳平安國際金融中心（660m）。這表明了超高層建筑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。在結構高度增加的同時，建筑結構設計不僅要考慮風和地震作用，也要使結構平面布局有較大的靈活性。在框架結構中將剪力墻布置成筒體形式，使得結構體系同時具有框架結構和剪力墻結構的特性，此類結構體系可以廣泛滿足一般建筑功能的要求，通常被定義為框架-核心筒結構體系[1]。此外，框架-核心筒結構可以廣泛應用在鋼-混凝土混合結構之中，形成如鋼管混凝土框架-混凝土核心筒、鋼框架－混凝土核心筒結構等結構形式，這也是其優(yōu)點之一。本文旨在不同豎向構件的情況下，針對框架-核心筒結構形式做出多個方面的比較，以加深對框架-核心筒結構布置的理解和認識。

1 工程概況

實例工程位于重慶，工程場地大部分地段基巖出露，場地類別為II類，設計特征周期為s，抗震設防烈度為6度。該工程地上38層，地下4層，標準層層高4.5m，房屋總高度172.8m，地下室深度17.2m，結構形式為框架-核心筒結構，工程中的豎向構件分別在PKPM模型中以鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱分別建立，圖1（a-c）分別為鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及型鋼混凝土柱作為豎向構件的框架-核心筒結構標準層結構平面圖。表1為3種結構形式下各自底層豎向結構截面信息。

圖1 不同豎向構件下框架-核心筒結構標準層結構平面圖

表1 不同結構形式下底層豎向結構截面信息

2 性能分析

2.1 結構周期

表2及圖2給出了該過程在不同豎向構件結構前10階振型下的自振周期。從表2可以看出，同階情況下，鋼管混凝土柱的自振周期最大，其次是型鋼混凝土柱，而普通的鋼筋混凝土柱的自振周期則是最小的。且每種豎向構件下，結構的振型振動及扭轉(zhuǎn)情況均滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ 3-2002[7]中對結構扭轉(zhuǎn)效應的限制。結合表1底層豎向結構截面信息可以得到，鋼管混凝土柱直徑為1.2m，在3種模型中截面最小，因此，它所具有的剛度最小，根據(jù)自振周期公式T=2πx 可知，CFST柱模型下的自振周期最大。SRC柱與RC柱截面如表1所示，同理可知，RC柱因截面最大而得到最小的自振周期，SRC柱截面在3種柱截面中次之而提供第二大的自振周期。然而，從圖2又能夠直觀地看出不同豎向構件下結構在前2階之后的振型，其周期相差控制在1.5%以內(nèi)，近似可以忽略，說明框架-核心筒體系的剛度主要還是由內(nèi)筒提供，豎向構件對結構自振周期的影響相對較小。

表2 結構前10階振型下的周期（單位：s）

圖2 結構前10階振型下的周期

2.2 層間位移

圖3給出了結構在X方向風荷載作用下的最大層間位移。從圖3中可以看出，鋼筋混凝土柱的最大層間位移為2.42mm，出現(xiàn)在地面21層；鋼管混凝土柱的最大層間位移為2.64mm，出現(xiàn)在地面21層；鋼筋混凝土柱的最大層間位移為2.50mm，出現(xiàn)在地面20層。由于RC柱提供的側(cè)向剛度最大，所以以RC柱為豎向結構的模型最大層間位移是最小的。而CFST柱由于截面最小，能夠提供的側(cè)向剛度在3種豎向構件中也是最弱的，因此其層間位移在3種結構中最大。同時，3種模型均為框架-核心筒結構體系，因此，在內(nèi)筒影響下其最大層間位移出現(xiàn)樓層均在近似地面1/2處。基于標準層相同的層高，在X方向風荷載作用下，3種結構的最大層間位移角分別為，1/1861、1/1704、1/ 1797，均小于規(guī)范中對框架-核心筒結構最大層間位移與層高之比的限值，即1/800。

圖3 結構在X方向風荷載作用下的最大層間位移

3 不同豎向構件對結構經(jīng)濟指標的影響

表3給出了不同豎向構件下，結構模型在PKPM工程量統(tǒng)計中所消耗的鋼材量與混凝土量。從表3可以看出，鋼管混凝土柱與型鋼混凝土柱由于截面小于普通鋼筋混凝土柱，其混凝土用量也因此較少，混凝土總量分別為普通鋼筋混凝土的0.92和0.95。鋼-混凝土混合結構形成的豎向構件，由于鋼管對混凝土的約束影響，不僅使混凝土的抗壓強度提高，而且還令結構破壞從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模珻FST柱因此可以減少自身的箍筋用量，而SRC柱的箍筋可以按構造要求配置。根據(jù)表3可以看到，相比于普通RC柱，以CFST柱和SRC柱建立的模型在總體耗鋼量上面也分別減少14.2%和4.4%。結合表1，底層CFST柱和SRC柱相比普通RC柱的截面分別減少55.9%和34.0%，即豎向構件將分別增加建筑面積1.43m2和0.87m2。鋼-混凝土混合結構的柱可以節(jié)省建筑面積達到增加經(jīng)濟效益的效果（如：為車庫范圍提供更多的車面積），同時可以在現(xiàn)場施工中省去支模與拆模的操作，使得工期縮短，從另一方面增加經(jīng)濟收益。而且，隨著豎向構件截面面積的減小，從建筑功能上再次結合CFST柱和SRC柱相比普通RC柱所減少的耗鋼量和混凝土用量，可知使用鋼-混凝土混合結構的豎向構件可以為建筑結構創(chuàng)造出不小的經(jīng)濟效益。此外，鋼管混凝土與型鋼混凝土由于自身較好的耐火性作為防火材料運用在建筑中，增加了結構的耐久性，因此也可以達到增加經(jīng)濟效益的效果。然而，施工鋼-混凝土組合結構的豎向構件（CFST柱、SRC柱）與RC梁節(jié)點相對復雜，其節(jié)點施工的建造措施會造成施工成本增加，一定程度上會降低鋼-混凝土組合結構的豎向構件所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

表3 不同豎向構件下工程量統(tǒng)計

表4-表6分別列出了僅變化層高情況下（層高依次為3.6m、3.9m、4.2m、4.5m、4.8m），不同豎向構件建立模型由PKPM工程量統(tǒng)計中所得到的全樓耗鋼量和混凝土用量。表4-表6均可以反映出，在不同豎向構件模式下的核心筒模型在層高變化時，其全樓耗鋼量和混凝土用量均呈現(xiàn)出同一種規(guī)律：隨著結構層高的不斷增加，結構所消耗的鋼材與混凝土也呈正比上漲。因此，結合建筑功能及需求，選擇合適的結構層高，對于工程的耗鋼量和混凝土用量有著一定的影響。

表4 不同層高下鋼筋混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計

表5 不同層高下鋼管混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計

表6 不同層高下型鋼混凝土-核心筒工程量統(tǒng)計

5 結論

以鋼管混凝土柱、型鋼混凝土柱為豎向構件的框架-核心筒結構，具有較高的強度和剛度，以及良好的延性、抗震能力和不錯的耐火性能。以中國建筑科學研究院的PKPM軟件為計算工具，以某實例工程為模型，分別對各個模型下的結構周期、層間位移、經(jīng)濟性統(tǒng)計以及不同層高對結構影響進行了比較分析，得到結論如下：

（1）通過分析不同豎向構件下結構自振周期，結合周期計算公式可知，豎向構件隨截面剛度增加而獲得較小的周期計算結果。同時，對比3種模型下自振周期結果的絕對值差值，可知：框架-核心筒體系的剛度主要還是由內(nèi)筒提供，豎向構件對結構自振周期的影響相對較小，結構在前2階之后的振型，其周期相差控制在1.5%以內(nèi)，近似可以忽略。

（2）通過分析不同豎向構件下，結構在X方向風荷載作用下的最大層間位移及位移角，得到：結構豎向構件提供的剛度越大，則其層間位移越大；3種模型最大層間位移出現(xiàn)樓層均在近似地面1/2處；基于標準層相同的層高，3種結構的最大層間位移角均小于規(guī)范中對框架-核心筒結構最大層間位移與層高之比的限值。

（3）對比不同豎向構件，在滿足結構安全計算的情況下，結構模型在PKPM工程量統(tǒng)計中所消耗的鋼材量與混凝土量：CFST柱與SRC混凝土總量分別為普通鋼筋混凝土的0.92和0.95；CFST柱和SRC柱建立的模型在總體耗鋼量上面也分別減少14.2%和4.4%。同時，隨著結構層高的不斷增加，3種結構所消耗的鋼材與混凝土也呈正比上漲。

[1]劉陽冰.鋼-混凝土組合結構體系抗震性能研究與地震易損性分析[D].北京：清華大學，2009：15-21．

[2]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京：清華大學出版社，2003：30-35．

[3]馬洪軒.型鋼（鋼管）混凝土框架-鋼筋混凝土筒體混合結構在高層建筑設計中的應用與研究[D].太原：太原理工大學，2009：5-8．

[4]李俊霞．重慶大劇院型鋼混凝土梁的試驗研究及極限承載力計算分析[D].重慶：重慶大學，2009：7-10．

[5]黃升，秦柏源．圓鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱、鋼柱在幾個方面的比較[J].華東公路,2010，184（4）：25-28．

[6]劉祖強．型鋼混凝土異形柱框架抗震性能及設計方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012：6-9．

[7]中華人民共和國建設部．JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

責任編輯：孫蘇，李紅

Economic Analysis and Performance Comparison of Frame-Core Tube Structures

The frame-core tube structure has the advantages of both frame structure and shear wall structure,so it's largely applied in civil building design in our country.Based on a real case of a super high-rise building project,this paper establishes models with common concrete column,concrete-filled steel tubular and concrete-filled steel tubular as the vertical member of the structure,with the aim to compare from aspects of structural form,ASTWE calculation results and economic statistics,etc.to deepen the understandings and comprehension of the arrangement of frame-core tube structure.

frame-core tube structure;vertical members;economic index

TU973

A

1671-9107（2017）04-0061-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.061

2016-11-11

胡時猛（1972-），重慶人，研究生，高級工程師，主要從事結構工程研究及設計。