高層建筑框架-核心筒結構設計分析

周忠凌

（江西省井岡山應用科技學校，江西 吉安 343000）

0 引言

豎向荷載是多層建筑結構設計主要考慮的因素[1]，風荷載及地震作用對多層建筑結構設計的影響相對較小，但在高層建筑尤其是超高層建筑的結構設計中，以上因素均需著重考慮，并且水平及豎向荷載的共同存在還會出現新的作用效應。這就要求高層建筑結構不僅要具有足夠的強度、剛度，還要保證在強風和強震情況下具有良好的塑性變形及延展性。框架-核心筒（建筑外圍布置大柱距的框架結構，內部核心筒貫通建筑全高，靠框架梁傳遞側向荷載）的結構形式順應了高層建筑這一特性，不僅滿足建筑多樣化的功能劃分而且其受力性能優于普通的框剪結構。本文通過北方某工程實例，對框架-核心筒的結構設計進行研究。

1 工程概況

本工程為北方某市綜合辦公樓，地下2層，地上37層，筑高度136.5m，總建筑面積7萬m2。其中1～4層為塔樓裙房，其主要功能為商業，5～37層功能為辦公室，其中14層及29層為避難層，核心筒內為建筑交通核，圍繞交通核布置辦公區域。

根據本工程平面布置以及建筑功能對采光通風方面的要求，優先考慮其結構形式采用框架-核心筒，在這種結構形式下，以核心筒作為抗側力主體，具有較大的剛度，同時兼具較大的承載能力，外圍框架部分承受較小的水平剪力，同時在核心筒與框架柱之間設置水平伸臂構件，不僅可增大結構整體抗傾覆力矩的能力，還可改變周邊框架的受力狀態，產生抵消核心筒的彎矩的反彎效果，減小結構的變形和側移。

本工程建模時，考慮塔樓與裙房之間不設置抗震縫。裙房部分采用框架結構，采用1100mm×1100m的柱截面，梁寬500mm，梁高700mm；塔樓部分采用框架-核心筒結構，經過建模粗略驗算，最終確定了核心筒外圍剪力墻厚度及內側剪力墻厚度，其數值分別為550mm及350mm。隨建筑樓層的增加，框架柱截面、核心筒剪力墻厚度逐步減小，與此同時還需按照規范（圖1），對框架-核心筒結構梁、板、柱的混凝土強度等級進行設計。

圖1 首層結構布置平面圖

通過PKPM建模及其分析計算，考慮偏心地震作用力的情況下，扭轉位移比最大值為1.56，同時，考慮到塔樓部分位于裙房左上角，故全樓的剛度中心受核心筒位置的影響，偏向于左上角，而質量中心卻偏向于面積大的裙房，從而產生了側向荷載作用下明顯的結構扭轉。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）3.4.1條可知，該結構屬特別不規則形。為克服這一難題，設計團隊最終考慮在塔樓與群房之間設置抗震縫，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）3.4.10條規定，抗震縫寬度為140mm，這一方案不僅使結構平面美觀，梁、板、柱及剪力墻的受力關系也更加合理，塔樓部分與裙房部分分別獨立，故其剛度中心及質量中心重合，無明顯的結構扭轉，豎向上各層側移均勻，剛度突變及剛度薄弱情況較設縫前的方案，已無此情況，結構體系更加合理，受力情況更加均勻。

2 框架-核心筒結構的受力分析

2.1 剪力的分配

在水平地震作用下，通?？蚣懿糠钟嬎闼玫募袅^小。在設計中，需考慮多道防線[2]，剪力墻是比框架部分先破壞的整個結構的第一道防線，地震作用下，剪力墻率先出現塑性內力重分布情況，進而加大了框架部分承受的剪力，而在考慮作為第二道防線的框架部分結構設計中，應適當提高其抗側力能力。

經計算，本工程底層X方向框架部分剪力分配為3.64%，Y方向為2.43%，均小于10%。故應調整框架部分承擔的剪力，使其滿足《高規》9.1.11條的規定。

2.2 軸壓比

為保證地震力控制下剪力墻的塑性變形能力、柱的延性及剪力墻塑性變形能力，設計中需限制框架柱的軸壓比，結合《高層建筑結構設計建議》及《高規》6.4.2條，7.2.13條和11.4.4條，確定本工程型鋼混凝土柱軸壓比限值為0.9，剪力墻墻肢軸壓比限值為0.6。通過振型分解反應譜方法，本工程實際框架柱軸壓比最大值為0.71，剪力墻墻肢最大軸壓比為0.44，墻、柱軸壓比均滿足規范要求。

2.3 剪力墻邊緣構件

剪力墻邊緣構件包括構造邊緣構件與能提高剪力墻塑性變形能力的約束邊緣構件。《高規》7.2.14條規定：剪力墻兩端及洞口兩側應設置邊緣構件，并應符合如下規定：①對于底層底截面的軸壓比大于0.3的二級剪力墻，以及部分框支剪力墻結構的剪力墻，應設置約束邊緣構件，考慮邊緣構件設置于底部加強部位和加強部位相鄰上一層。②除第①條所列部位外，剪力墻應設置如暗柱、端柱和翼墻的構造邊緣構件。

應按照規范要求，本工程底部剪力墻軸壓比大于0.3需設置約束邊緣構件。其約束邊緣構件長度宜為墻肢截面高度的1/4，為滿足正截面受壓（受拉）承載力計算要求，構件內垂直方向上布置的箍筋或拉筋間距不宜大于150mm，肢距在水平方向不應大于豎向間距的2倍。考慮《高規》7.2.16條約束的剪力墻構造邊緣構件的布置范圍，構造邊緣構件的豎向鋼筋及箍筋直徑和間距應滿足框架柱的相應要求，沿水平方向的籀筋和拉筋肢距不應大于豎向鋼筋間距的2倍，且不宜大于300mm。

2.4 周邊框架梁、柱

框架柱的延性比梁小易形成塑性鉸，導致產生層間側移，直接影響結構承受垂直荷載的能力。故設計時需有目的地增大柱端彎矩，采用乘以修正系數的方式加強底層柱下端的受彎承載力。同時，在設計中為滿足“強剪弱彎”要求，還需有目的地增大柱的剪力值及兩端彎矩值。本工程梁端部和柱端部截面內力設計時考慮修正系數，尤其是框架角柱受力復雜，其彎矩、剪力設計值均應調整且考慮修正系數。

2.5 主要配筋構造

按三級抗震考慮，在設計梁端截面的底面和頂面配筋時，需控制縱向鋼筋截面面積的比值，將其值考慮在0.3以上。在設計中柱和邊柱配筋時，其縱向鋼筋的配筋率需控制在0.6%以上，角柱不應小于0.8%。取8d和150mm的較小值為箍筋加密區的最大間距，箍筋最小直徑為8mm。

按二級抗震考慮，在設計剪力墻配筋時，豎向和水平分布鋼筋的配筋率需控制在0.25%以上，剪力墻鋼筋間距需控制在300mm及以下，鋼筋直徑需控制在8mm以上，且不宜大于墻厚的1/10。各排分布鋼筋之間應設置拉筋。

3 結構性能分析

根據不同建筑的重要性程度，考慮到其不同的使用功能，抗震設防目標也隨之不盡相同（表1），建筑的抗震性能設計需綜合考慮承載力和變形能力[3]。在本工程的實際結構設計中，為達到抗震性能目標靈活運用各種措施以在滿足使用功能的要求下提高安全性。

表1 結構抗震性能目標分類

3.1 多遇地震作用

基于“振型分解反應譜法”，采用ETABS和SATWE計算軟件分析多遇地震作用，通過對兩者的計算結果比較，尤其是在多遇地震作用下分析彈性時程。

經過分析，取15個振型對ETABS模態分析，與STAWE一致。X方向有效質量系數為96.73%，Y方向有效質量系數為97.41%，表明ETABS計算時取15各振型同樣滿足要求。根據質量參與系數來判斷平扭屬性的ETABS，計算得結構的第一扭轉周期與結構的第一平動周期的比值，為0.639，小于0.9，滿足規范要求。

彈性動力時程分析通常依靠求解結構基本動力微分方程得出，在地震作用下，超高層結構的結構響應方法特殊，多以時程分析法，將地震作用以地震波曲線的形式引入微分方程，并通過積分方程得出在地震作用下，整體結構和各構件每一時刻的響應。故本工程選擇三條地震波，進行彈性時程分析。根據強震觀測記錄的統計分析，兩個水平方向地震加速度的最大值不相等，兩者之比約為1:0.85；考慮兩個方向的最大值不一定同一時刻發生，在計算兩個方向地震作用效應時，需考慮采用平方和開方組合的方式。主方向在多遇地震下的地震加速度最大值為18cm/s2，次方向為0.85×18=15.3cm/s2，計算結果較大值作為地震作用效應。通過彈性時程分析得出的三條地震波底部剪力，發現其數值均大于振型分解反應譜法的65%，平均值大于80%，根據《高規》4.3.5條的規定，地震波的選取符合要求。

3.2 設防烈度地震作用

考慮到“強柱弱梁，強剪弱彎”概念設計，調整內力值容易導致中震作用下的梁端彎矩比小震作用下的小，同時由于材料強度按標準值設計，周邊框架柱軸壓比中震時比小震時小，小震彈性設計時底層柱軸壓比計算結果最大值為0.71，中震不屈服設計時最大值為0.50，而剪力墻的軸壓比在兩種情況下相差不大。為保證抗震設防目標—小震不壞、中震可修、大震不倒，需保證在中震作用下結構的塑性發展不能過快，避免在中震設計下重要的抗側力構件達到屈服狀態的同時發現其重點薄弱部位進行加強[4]。

3.3 罕遇地震作用

結構部分構件在罕遇地震作用下，允許出現塑性發展，需考慮非線性行為。綜合考慮彈塑性時程，在罕遇地震作用下，分析三條地震波曲線，得出主方向地震加速度最大值為125cm/s2，次方向最大值為0.85×125=106.25cm/s2。所得樓層位移變化趨勢，可知X為主方向樓層位移時，最大值為347.9mm，Y為主方向樓層位移時最大值為356.1mm，同時根據時程分析塑性鉸分布情況，周邊框架柱兩端均未出現塑性鉸，框架梁端有塑性較出現。

4 結語

依托北方某市綜合辦公樓工程案例，對結構受力及性能分析，深入探討整體結構和關鍵部位，以明確結構方案旳受力性能。以“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則提出適應本工程切實可行的設計方案，采用彈性時程分析不同地震力作用，可知結構構件的受力狀態。總結得出結構設計原則如下。

（1）選擇抗震和抗風性能良好結構體系，選擇適應工程情況的結構體系，對稱性布置結構受力構件，簡化荷載傳遞路徑。

（2）在滿足規范要求的基礎上，質量、剛度和承載力的變化不應出現突變的情況，避免特別不規則的結構布置情況。

（3）賦予水平構件及豎向構件足夠的承載力、剛度及延性，在抵抗地震作用方面考慮多道防線，保證結構體系的安全性。

（4）規范設計節點構造，在遭遇較大地震作用時，節點應具備良好的延性，保證其不優先于構件發生破壞。

綜合以上4點，將概念設計融入結構方案設計中并整體把握，最終即可得出最佳結構設計方案。