框架核心筒結構設計要點

張 輝 任北辰

(1.運城市建筑設計研究院，山西 運城 044000; 2.美國奧本大學工學院土木工程系)

0 引言

鋼筋混凝土框架—核心筒結構是高層建筑中常見的一種結構形式，鋼筋混凝土核心筒體具有較大的抗側向剛度作為建筑中主要的抗側力構件，水平荷載作用時,對結構側向位移能夠很好地控制；在上部樓層位置，筒體與框架相互作用,延性增強，有明顯的耗能作用。本文圍繞框架—核心筒結構的受力特點，在各個設計環節做以下的總結。

1 框架—核心筒結構的特點

表1 不同抗震設防烈度下筒體結構房屋最大適用高度 m

筒體結構包含框架—核心筒、筒中筒兩類：由核心筒與外圍的細框架柱組成的筒體結構稱為框架核心筒結構；由核心筒與外圍不大于4 m的密柱和高度較高的框架梁或壁式框架組成的筒體結構稱為筒中筒結構。實際上兩者傳力方式存在有較大區別。筒中筒結構的內筒以承受水平剪力為主，外框筒主要承受軸向荷載，兩者承受的抗傾覆彎矩大致相差不多，是一種雙重抗側力結構體系；框架核心筒結構的框架柱數量少且柱距大，框架部分承受的水平剪力和傾覆力矩都很小，核心筒承受了絕大部分(80%～70%)的水平剪力和傾覆力矩；兩者相比筒中筒結構具有較好的抗震能力，可以建設更加高的超高層建筑，從表1的最大適用高度也可以體現出兩種結構形式的差別。

框架核心筒結構在建筑布置方面具有的優越性：可以利用建筑的豎向井道：電梯井、通風井、電纜井等，附屬用房：樓梯間、設備間、衛生間等的隔墻布置剪力墻并布置在建筑的中央形成核心筒作為結構的主要抗側力構件，在核心筒外圍布置框架梁柱，框架柱間距可以達到8 m～9 m，甚至更大一點，柱的數量一般較少，框架柱的布置方式可以多樣化，從而能夠將建筑立面設計的靈活多變，外墻能夠開設較大的窗洞，平面上可以爭取盡量寬敞的使用空間，主要使用空間得到了最好的采光位置，房間視線開闊和內部交通組織方便；框架核心筒結構的受力與變形特性同框架剪力墻結構類似，由于它的平面布置規則、通過樓層板協同使得核心筒抗水平力作用具有空間效應，這樣它的力學特性與抗震性能比一般的框架剪力墻結構要優越，能夠適用較高的高層建筑。

框架核心筒與筒中筒結構典型平面布置如圖1所示。

2 框架—核心筒結構平面布置設計要點

平面形狀：框架—核心筒建筑平面形狀宜優先選用正方形或者接近方形的矩形平面布置，也可以選用正多邊形、橢圓形、圓形、三角形等平面布置，核心筒布置的位置宜居中雙軸對稱，從而使偏心減少到最小；對于單個核心筒矩形平面一般長寬比不宜大于2.0；當核心內筒偏置或長寬比大于2時，宜采用框架—雙筒結構平面布置的形式。

核心筒剪力墻布置：核心筒墻肢的布置要均勻、對稱，核心筒的外筒宜閉合；剪力墻宜優先布置于樓梯間、電梯間及豎向井道位置處，并應盡量避免在核心筒角部開洞，如若無法避免時，洞口宜設置在邊緣構件范圍之外；在核心筒外墻布置洞口時，應盡量避免在其水平方向連續開洞，當洞口間墻肢截面的高厚比小于4時，宜按框架柱進行截面設計，并采取加強措施。

核心筒尺度：核心筒的高寬比宜小于12，且核心筒的邊長宜不小于外框架或外框筒相應邊長的1/3。通常情況下，當核心筒的尺度滿足上述要求時，結構的層間位移就能滿足規范規定。若在核心筒外的框架內采取相應的加強措施以提高結構整體剛度后，可將核心筒寬度進行適當縮減。

框架布置：框架核心筒結構中核心筒墻體與外周框架柱之間的距離不宜過大；當核心筒的外墻與框架柱的中間距離：非抗震大于15 m、抗震大于12 m時，宜增設內柱來減小框架梁高對層高的影響，如圖1所示。必須在框架—核心筒結構的周邊柱間設置框架梁，在外框架與核心內筒之間一般設框架梁，也可以不設梁做成平板；框架梁、柱宜雙向布置，梁、柱中心線宜重合，如難于實現時，宜根據高規第6.1.7條的規定在梁端布置水平加腋構造措施；對于9度抗震設防地區不應采用梁柱偏心較大的結構方案；抗震設計時，框架梁的截面尺寸可以按照框架結構的要求控制，框架柱的軸壓比按照高規第6.4.2條控制設計,角柱應按雙向偏心受壓構件計算(即總信息柱配筋計算原則選按雙偏壓計算)；如果建筑條件許可時宜加密外側框架柱、加大框架梁截面的高度或在外側遠端對稱布置剪力墻等加強外框架的側向剛度的設計措施。

3 框架—核心筒結構豎向布置設計要點

框架—核心筒中的核心筒宜沿建筑物全高貫通；墻體的厚度及其混凝土標號，宜在核心筒底部加強部位及其相鄰上一層的高度范圍內保持不變；超出該高度范圍時，可在側向剛度符合豎向規則性要求的前提下，根據內力的變化及建筑的功能要求，對墻體的厚度、核心筒內部墻體的數量進行合理調整；從基礎至屋頂核心筒內墻體無變化不經濟，如圖2所示。框架結構的框架柱，應沿豎向保持貫通，并應避免在結構的中下部進行抽柱收進；框架柱沿豎向范圍內的截面尺寸及其混凝土標號的變化，宜與核心筒墻厚的變化錯開樓層。

核心筒墻體的穩定驗算應按高規附錄D進行，且內、外墻的厚度均應滿足最小構造要求；剪力墻平面外穩定與該層墻體頂部所受的軸向壓力的大小以及墻厚與層高或無肢長度的比值密切相關。為保證核心筒內力變化保持連續，核心筒外墻上的較大門洞(指洞寬不小于1.5 m)宜沿豎向連續布置；同時，為保證核心筒具有較強的抗彎能力與整體剛度，連梁的跨高比不宜大于4，且其截面高度不宜小于600 mm。

當框架核心筒結構的側向剛度較小，無法滿足設計要求時，可根據實際情況，采取加大核心筒的截面尺寸，或在外框架的局部布置剪力墻或斜撐構件等措施，以提高結構的側向剛度，進而避免或減少設置加強層。

4 樓蓋設計要點

優先采用現澆鋼筋混凝土梁板結構樓蓋，當樓板的跨度大于10 m時，宜采用后張預應力樓蓋，使樓蓋具有良好的平面內剛度和整體性，以便能確保框架與核心筒的共同協調工作；當框架核心筒結構的樓蓋采用平板無梁樓蓋時，無梁樓蓋基本上不傳遞彎矩和剪力；當在樓板中設置連接外柱與內筒的框架梁后，增加了結構的抗側剛度，結構的周期縮短，結構的頂點位移和最大層間位移減小，加梁后的外圍框架柱軸力增大，使得周邊框架柱承受的傾覆力矩加大、剪力減少，核心筒承受的傾覆力矩相對減少、剪力相對增加，從而能充分發揮周邊框架柱的作用。所以框架核心筒結構優先采用有梁樓蓋。核心筒內部的樓板由于布置了樓梯間、電梯井和各種設備豎向管道井，其開洞比例很高，為了加強其整體性，使得其能有效地約束墻肢的扭轉與翹曲及傳遞水平地震力，故核心筒內樓板的厚度宜不小于120 mm，并采用雙層雙向拉通的配筋方式。

樓蓋主框架梁不宜支承在核心筒或內筒的連梁上，樓層結構布置宜使外框筒角部承受較大的軸力；筒體結構角區樓蓋兩個方向的主框架梁不宜集中支承在核心筒的轉角處墻上，當不可避免時，宜采取可靠措施，如核心筒的轉角處布置合適截面的端柱或把梁端邊偏離角區不小于300 mm，這樣就避免了筒體角部邊緣構件鋼筋與梁端鋼筋交接過密而影響混凝土澆筑質量的問題。

筒體結構的雙向樓板由于筒體剛度分布比較集中，在豎向荷載作用下，會引起四周外角的上翹；由于受到剪力墻的約束，加之樓板混凝土自身的收縮，以及溫度變化的影響，使得樓板外角可能產生斜裂縫。為防止這類裂縫的出現，適當采取加強措施：樓蓋外角板配筋示意圖見圖3。

5 結構計算要點

抗震設計時，應根據高規第9.1.11條對框架—核心筒結構的框架部分進行有關內力調整，內力調整一般由計算程序完成，設計師應在總信息中選對結構形式。核心筒外墻的連梁剛度折減系數，其取值不宜小于0.5。

支承在核心筒外墻上的框架梁，可以依據梁的支撐條件，分別確定其計算簡化模型。對于滿足下列三種狀況的梁端支座均應按照剛接支座計算：1)當沿框架梁軸線方向有剪力墻相連時；2)當核心筒外墻的厚度大于框架梁上部縱向鋼筋直錨長度0.4Lae，且梁端核心筒內側的樓板無洞口時；3)梁支座處設置扶壁柱時。對于不滿足上述三種狀況的梁端支座宜按照鉸接支座計算內力。

參考文獻：

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[2] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范(2016年版)[S].

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