鋼框架－砼核心筒體系設計研究

王 翠

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

在當今的建筑工程中，高層和超高層建筑的數量正在持續增加，其中，鋼框架—砼核心筒體系是廣泛應用的一種結構形式。這種結構形式是在傳統鋼框架體系的基礎上，加入了混凝土核心筒，以提高整個建筑結構的剛度和穩定性，尤其在抵御風荷載和地震荷載的能力上表現出顯著優勢。然而，隨著建筑高度的提升和設計要求的復雜化，鋼框架—砼核心筒體系的設計也面臨著一系列挑戰，比如如何兼顧結構性能和經濟效益，如何在維護建筑空間功能性和舒適性的前提下，提高結構的安全性能，如何更好地解決鋼結構和混凝土結構之間的連接問題等。因此，針對鋼框架—砼核心筒體系的設計研究勢在必行。在相關研究工作開展的同時，應結合以往研究經驗，以便把握好研究方向。在楊學林[1]團隊的研究中，結合實際工程分析了混凝土核心筒高層結構體系設計的具體思路以及具體參數。在徐曠[2]團隊的研究中，結合實際的工程分析了高層框架核心筒體系的隔震設計，為隔震設計提供了相應的思路。在王建新[3]的研究中，介紹了一實際工程采用鋼組合框架—鋼筋混凝土核心筒混合結構體系的設計過程（包括基礎設計、結構體系、樓蓋選型和布置）供采用相似體系的項目設計提供了參考。基于此，本文對使用較成熟的框架—核心筒結構體系的平面布置中的鋼梁與鋼柱的連接方式（剛接、鉸接）進行計算對比，得出了不同連接方式對整體結構承載力、變形性能、使用階段舒適度的影響，同時對經濟性、施工方便性做出評價，為相似結構類型的工程提供一定的參考依據。

1 鋼框架－混凝土核心筒體系平面構件布置

鋼框架—核心筒結構體系在平面上有不同的布置形式，一般建筑的樓梯、電梯及功能房間布置在平面的中心位置，結構在這些房間周邊設置鋼筋混凝土墻體即剪力墻，剪力墻肢之間設置連梁連接，圍成平面內部的剪力墻筒體；在平面的四周采用鋼結構梁、柱，這些外圍鋼梁柱采用剛性連接形成鋼結構框架，另外，框架部分除采用鋼框架外，也可以采用鋼管混凝土柱和鋼梁的組合框架；如果外圍鋼架柱采用密柱方案，即采用外鋼框架密柱—內鋼筋混凝土核心筒的筒中筒結構；位于平面內部的樓面鋼次梁一端與混凝土剪力墻一般采用鉸接連接，這種連接方式與模型計算時的鉸接假定比較符合，這是鋼筋混凝土次梁難以做到的；鋼梁與混凝土墻體也可以采用剛接連接，這種連接方式需要在混凝土墻體內預埋鋼骨與樓面鋼梁剛接，鋼梁端部剛接，此樓面體系豎向撓度小剛度較大，能有效地滿足使用荷載下的舒適度要求；鋼梁的另一端與外圈框架梁鉸接連接，與鋼框架柱連接時也可采用剛接連接或鉸接連接。

鋼框架—核心筒結構體系中鋼筋混凝土核心筒承擔了絕大部分的水平作用，鋼結構框架部分分擔的水平作用較小，內部鋼框架及鋼結構次梁主要承擔樓面重力荷載。

設計時可以根據工程特點，有針對性地設計鉸接節點，合理地設置結構單體的整體抗側剛度以得到合適的地震作用下的結構內力，合理分配鋼筋混凝土核心筒和鋼框架之間的抗側力剛度比，有效降低混凝土核心筒墻體內力，減少混凝土在水平作用下發生脆性破壞的可能，提高鋼筋混凝土墻體地震作用下延性能力。

2 鋼梁、鋼柱不同連接方式對比分析

本文將對四個工程實例采用內部設置鋼框架梁及內部均設置為鋼次梁的布置方案，所示，對結構單體的力學特性進行分析，包括結構整體指標（周期、位移）、局部用鋼量、樓面舒適度計算結果進行對比分析，找出較優的布置方案，對后續的工程設計提供參考。本文采用三維結構有限元軟件YJK4.3 計算分析，按照側向位移角控制指標不大于1/800 布置抗側剛度，根據《建筑抗震設計規范》（GB20011-2010）（2016）條文說明6.2.13-2，計算地震內力時抗震墻連梁剛度可折減，計算位移時可采用連梁剛度不折減下的側移，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第5.2.1 條及條文說明，本文計算僅在地震作用內力效應時對連梁剛度進行折減，折減系數取0.6～0.7，在重力荷載工況、風荷載工況下的內力及地震作用工況下的側向位移采用連梁剛度不折減的原則[4]。

2.1 工程實例概況

工程一：1#為高層辦公樓，地上為12 層，地下2 層，地上首層層高為6m，其余層高為4.5m，大屋面建筑高度為55.7m，建筑平面為矩形，平面尺寸為41.3m×26.7m；

工程二：2#為高層研發樓，地上11 層，地下2 層，地上首層層高為5.4m，標準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為47.4m，建筑平面為矩形，平面尺寸為33.6m×36m；

工程三：3#為高層科研樓，地上8 層地下1 層，首層層高為6.8m，標準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為36.2m，建筑平面為矩形，平面尺寸為39m×46m；

工程四：4#為高層科研樓地上6 層地下1 層，首層層高為6.8m，標準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為27.75m，建筑平面為矩形，平面尺寸為39m×29m；

上述工程均采用鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構體系，樓面及屋面板采用疊合板；上部建筑的嵌固端均為地下室頂板；工程地點位于上海市，設防烈度為7 度，IV 類場地，特征周期0.90 s，設計基本加速度0.10g，設計地震分組為第二組；鋼框架、鋼筋混凝土核心筒抗震等級均為二級。

2.2 內部鋼梁不同方式布置的結構特性對比

對兩種內部鋼梁與柱連接方式，鋼梁與柱剛接以下稱為方案一，鋼梁與柱鉸接以下稱為方案二，兩種連接方式與核心筒均為鉸接連接。原設計均為方案一，以下分析在原設計的基礎上僅修改內部鋼梁與柱連接為鉸接及鋼梁截面變小（按組合梁設計），其余條件均與方案一相同，計算采用有限元軟件YJK4.3，將結構特性中的周期、位移、鋼框架所占抗側力比例對比結果如表1 所示。

表1 兩種連接方式的模型指標對比

結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值變小，結構側向剛度與扭轉剛度對比更合理，抗側力構件的平面布置更有效合理，結構扭轉效應降低；對整體結構抗側能力影響不大，仍然可以滿足側移要求，得到的此鋼梁本身的應力比較低，可以減小此鋼梁截面，節約鋼材用量[5]。

3 舒適度分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 中3.7.7樓蓋結構應具有合適的舒適度，豎向振動頻率不宜小于3Hz，豎向振動加速度峰值不應超過表2 中規定的限值。

表2 樓蓋豎向振動加速度限值

根據《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》（JGJ_T441-2019）中4.2.1 條，以行走激勵為主的樓蓋結構，第一階豎向自振頻率不宜低于3Hz，豎向振動峰值加速度不應大于表3 中規定的限值。

表3 豎向振動峰值加速度限值

綜上，可以看到兩個規范對于辦公樓功能的樓蓋結構第一階豎向自振頻率、豎向振動峰值加速度限值的規定是一致的，本文按照樓蓋結構第一階豎向自振頻率控制值為不低于3Hz，豎向振動峰值加速度不大于500mm/s2控制樓層的舒適度。上述工程實例中方案一樓面內部鋼梁與柱剛接，梁豎向剛度較大，相比于方案一樓面內部鋼梁與柱鉸接樓面結構豎向剛度較小，豎向振動更為不利，以下計算以方案二為例對樓面結構舒適度進行分析，包括豎向振動自振頻率、荷載激勵下節點峰值加速度。以下采用YJK—樓板及設備振動模塊進行樓層舒適度計算，根據《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》3.1.3 條，舒適度計算時，樓蓋采用鋼筋混凝土樓蓋時混凝土的彈性模量可按《混凝土結構設計規范》GB50010 的規定值放大1.2 倍；3.2.3 條辦公樓舒適度有效均布活載取0.5kN/m2，由于強度計算時樓面活荷載輸入4kN/m2，YJK—樓板及設備振動模塊進行樓蓋結構舒適度計算，活荷載組合系數取0.125。

通過上述樓層舒適度計算，各樓層第一自振頻率最小值3.62Hz 大于3Hz，在《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》行走荷載激勵下節點的峰值加速度均小于500m/s2，滿足規范要求。

4 結論

鋼框架+混凝土核心筒的結構體系用途廣泛，根據其受力特點合理地對結構構件設計，既能有效地滿足重力荷載受力需要，又能較好地適應水平地震荷載下側移需求。結構破壞主要集中于混凝土芯筒，特別是結構下部的混凝土筒體四角，對這些部位應予加強，增加鋼筋混凝土筒體的延性。內部鋼梁一端與混凝土核心筒的連接采用鉸接，另一端與鋼柱的連接也采用鉸接有以下優勢：

結構的整體指標中，結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值變小，抗側力構件的平面布置更有效合理，結構扭轉效應降低，結構受力更為合理有效；

結構平動對整體結構抗側能力影響不大，仍然可以滿足規范側移要求；

這種連接方式鋼梁兩端鉸接采用組合梁設計，得到的此鋼梁本身的應力比較低，可以減小此鋼梁截面，節約鋼材用量；

樓層舒適度計算結果表明，第一自振頻率和節點豎向峰值加速度均滿足規范要求，具有良好的使用性能。