高層框架一核心筒結構設計探析

趙毅

摘要：現對已建成的山西省長治市新聞大樓建設指揮部新聞大樓（主樓部分一塔1）的結構設計來展開討論。因為它是框架-核心筒結構，這種結構一般為商務用樓，以前在長治來說建的比較少，且體量也大高度高。但近年來這種建筑結構有了廣泛的應用，故對本工程的框架、核心筒部分的內容進行分析。以供同仁參考。

關鍵詞：高層框架一核心筒結構；框架；剪力墻；核心筒；框筒

中圖分類號：TU973.17 ITU973.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2017）06—0130—02

1工程概況

本工程位于山西省長治市郊區北寨，建筑物塔1的建筑面積為17619m2，平面軸線尺寸為25.20m×25.20m，中間為8.40m×12.00m核心筒，核心筒內布置有4部電梯和一部剪刀步行樓梯。地下1層，地面以上23層，局部24層。基礎底板面標高為8.10m，建筑高度為93.60m，局部97.70m。其中地下一層為設備用房，首層～23層為廣播電視設備及辦公用房，地下室層高為5.00m，1～4層層高為4.50m，5～22層層高為3.90m，23層層高為3.98m，24層層高為4.10m。本工程結構體系為框架一核心筒結構體系，框架柱采用高強度混凝土柱，核心筒剪力墻采用變截面厚度落到基礎，樓層為梁板結構。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為0.10g；設計地震作用分組為二組，場地土類別為Ⅲ類。結構抗震等級為：①框架為二級；②剪力墻為二級。基本風壓按地方相關規定，取值為0.50kN/m2，超過60m時基本風壓乘以1.1的系數，由于建筑物四周平坦空曠房屋稀疏，故地面粗糙度取為B類。

2主體結構分析計算

采用中國建筑科學研究院研發的PKPM軟件SATWE進行計算，并以PMSAP計算軟件作為計算對比。經過對比，二者計算結果相近，說明計算結果可靠。通過計算結果以及結構布置可知：（1）周期為考慮偶然偏心影響下第一周期Y向平動2.3386，第二周期平動x向2.0455，第三扭轉1.6976，周期比小于0.9滿足規范要求，。（2）層間剛度在樓層4～5層層高變化處經過核心筒墻厚，柱截面，混凝土強度調整，沒有出現薄弱層，且樓層抗剪承載力比值最小為0.93。結構豎向布置滿足要求。（3）位移在地震作用下最大為1/1534風荷載作用下為1/1845，位移比最大為1.38（X方向最大位移與層平均位移的比值達1.38）。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JCJ3-2010）3.4.5規定，屬于一般不規則。綜上所述，本工程結構布置安全合理。

3建筑物地基與基礎

本工程采用樁筏基礎，場地土類別為Ⅲ類，地基基礎設計等級為乙級。樁為摩擦灌注樁，樁底進入第六層為以灰綠，灰紅等雜色的粘土（Q1），fak≥400kPa。筏板板厚為2000mm。因本人未參與基礎設計此處只做簡單介紹。

4主要部位的結構設計

4.1核心筒剪力墻設計

本工程平面軸線尺寸為25.20m×25.20m，核心筒為8.40m×12.00m，貫通建筑物全高，且筒體寬度滿足規范要求的不宜小于筒體總高的1/12。由于核心筒作為主要抗側豎向構件，故墻體底部加強部位的配筋率、邊緣構件的設置比一般剪力墻結構更高的要求。布置如下：（1）九層以下核心筒厚度450mm，局部250mm；九層以上核心筒厚度350mm，局部200mm。（2）底部加強部位從基礎到3層。且墻體的水平和豎向分布配筋的配筋率為0.3%，約束邊緣構件范圍內主要采用箍筋。（3）混凝土等級，九層以下為C50高強度混凝土，其余的按照每5層下降一個強度等級，直到下降到C30為止不再降低。

4.2框架柱設計

本工程共有12根框架柱，柱距較大，不同于框筒結構的密柱結構，可以形成兩道抗側向水平力的主體。在本結構中大部分水平剪力和大部分的傾覆彎矩由核心筒承擔，框架柱所受剪力遠小于框架結構中的柱剪力，剪跨比明顯增大，因此其軸壓比限值可比框架結構適當放松。但由于核心筒的重要作用，一旦發生破壞，后果比較嚴重！故規范要求在抗震設計中為了能讓稀柱框架有足夠的承載力潛力而起到二道防線的作用，通常要求稀柱框架承擔的地震剪力不宜過小，比如大于15%，然后按照規范要求做框架內力調整，這其實就要求柱截面的面積率不能過小。從而引起設計上主要的兩個難點：由于建筑功能需要，柱的間距為8.40m，柱截面較大為950mm×950mm。也是建筑功能需要，首層柱截面不宜過大，導致首層軸壓比過大，超出規范要求。針對上述兩難點以及綜合考慮其它因素，本工程框架柱采取以下措施應對：（1）準確計算建筑各部荷載，例如墻體荷載、衛生間回填荷載、裝修荷載。（2）采用C50高強度混凝土，在截面符合建筑要求前提下，盡量減小柱軸壓比。（3）柱箍筋采取矩形復合箍，箍筋直徑φ12或以上的鋼筋，肢距不大于200mm，間距不大于100mm，并且全高加密。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），柱軸壓比可比一般要求增加0.10。（4）適當增加柱縱筋配筋面積，增加柱剛度，減少側向剛度比和增加本層受剪承載力。（5）由于柱位于結構四周，荷載較小，抗剪容易滿足，但彎矩很大。為了保證結構安全，本工程采取了SATWE和PMSAP兩種軟件分別計算，采取包絡設計，并在計算結果上擴大1.4倍配筋面積。

通過上述核心筒墻體和框架柱及混凝土強度的調整，使墻、柱軸壓比、層間側向剛度比和層間受剪承載力之比均滿足相關規范要求。

4.3框架梁、樓板設計

本工程結構為梁板式結構。基本布置如下：（1）按照建筑要求，外圍柱與柱之間的框架梁高度和窗頂一致，均為720mm高，配筋均能滿足要求。但柱與核心筒之間的框架梁由于墻體剛度大，且剪力墻位于結構中部，受力較大，加上中部變形差，導致有四根和核心筒相連的框架梁剪力過大從而使梁的截面過高，配筋過大，為了不影響建筑的使用改為寬扁梁500mm×650mm，經過結構計算復核，梁高度滿足需要。（2）樓板板厚在地下室頂設置為180mm，并雙層雙向布置樓板配筋為雙層雙向φ10@150。樓層在層高4.50M變3.90的樓層樓板也適當加強，具體措施為：增加板厚到150，配筋也雙層雙向設置板筋。23～24層屋面的樓板厚也做成120mm厚，配筋也雙層雙向設置板筋。另按規范要求在樓蓋外角也設置了雙層雙向鋼筋以保證樓板剛度，保證水平力可靠傳遞。（3）由于本工程樓層較高，樓層中部由地震和風荷載引起的剪力將會相當可觀。建筑功能不允許增加梁截面。為了抗剪，框架梁板在12層以下混凝土標號為C35，以上為C30。（4）由于本工程位于長治市郊區，地勢空曠，考慮建筑多功能，屋面活荷載取2.0。屋面梁板配筋相應增大。

4.4核心筒連梁設計

在核心筒中的連梁是進行墻肢與墻肢連接的梁，它對于整個建筑物的受力具有很大的影響。在設計中一定要對其進行合理的設計，嚴格按照有關規定，適當的減少連梁的結構剛度和高度，并且還要適當的增加其跨度，從而降低結構的剛度，緩解地震對核心筒剪力墻的影響。核心筒連梁的受剪截面應符合《高層建筑混凝土結構技術規程》第9.3.6條的要求，其構造設計應符合《高層建筑混凝土結構技術規程》第9.3.7、9.3.8條的有關規定。本工程開始設計時由于建筑功能的分隔有一根大梁作用在墻體的連梁上，考慮到連梁在此的重要性及時進行了調整，避開的連梁的位置。這就是本次設計的大概情況。以上結構設計，在結構布置方面，盡量滿足建筑要求及建筑功能和外立面。本文篇幅有限，不一一敘述。

5結語

上述通過對本工程結構布置的介紹，對高層框架一核心筒結構設計中的剪力墻、鋼筋混凝土柱、混凝土梁及連梁設計等做了分析討論。希望能給設計同行們在日后的工作中提供一點有用的參考。