淺談筒體結構在PKPM教學中的應用

摘要 通過對筒體結構體系的講解和分析，結合PKPM軟件建立結構模型、參數定義，將內力和位移計算結果參照規范進行分析，這樣不僅能提高學生熟練操作應用PKPM軟件，而且可以加強和鍛煉學生使用規范的能力和解決結構中出現的不同問題，使理論教學與實際工程更加有效地結合。

關鍵詞 PKPM軟件;筒體結構體系;規范

中圖分類號 G642.0 文獻標志碼 A

1筒體結構發展過程

國外20世紀60年代，歐美國家高層建筑數量及規模得到了快速發展，導致土地價格高漲和供應緊張，需要建造更高建筑物來克服土地供應的不足，美國杰出的總工程師FazlurR.Khan博士進行了大量的實驗數據分析計算，發明了筒體這種結構體系［1］。筒體結構體系包括框筒結構、框架-核心筒、筒中筒、束筒結構、框架-核心筒-伸臂結構等。世界第一棟筒體結構是1964年美國建造的DeWitt-Chestnut公寓，高120m，地上44層，采用鋼筋混凝土框筒結構體系；1965年建成的芝加哥Brunswick大廈，建筑高度145m，采用的鋼筋混凝土筒中筒結構體系；1969年完成的漢考克鋼絎架筒體結構，建筑高度340m；1974年建成的美國銀行，建筑高度183m，采用的鋼筋混凝土框架-核心筒-伸臂結構體系；1973年完成的紐約世貿中心雙塔，高度417m，地上110層，在當時屬于最高的結構，采用鋼框筒結構體系。

我國內地筒體結構應用開始于20世紀80～90年代，隨著改革開放國內的經濟綜合實力提高及房地產的快速發展，在一些城市陸續開始建造超高層建筑，主要用途是辦公寫字樓，采用的結構形式基本上是筒體結構。如1985建成的深圳國貿中心大廈，建筑面積10萬m2，建筑高度160m，采用筒中筒結構形式；1985年建成的北京中國國際貿易中心，建筑高度330m，采用框架-核心筒結構；1996年建成的深圳地王大廈，建筑高度380m，采用鋼外筒與混凝土內筒形成的筒中筒混合結構形式。上海金茂大廈、上海中心大廈、武漢綠地大廈、中國尊、深圳平安中心等都是近十年完成的超高層建筑的代表，都采用了筒體結構體系。筒體結構抗震性能好、抗側移剛度大、抗扭轉效果明顯，在業內贏得了一致好評。

2PKPM軟件

PKPM軟件從20世紀90年代至今，30年間經過技術工程師和編程人員的不斷完善，如今在操作方面和功能方面都得到了極大的改變。目前在國內使用用戶最多、性能最好、用途最廣泛的一種軟件。可以滿足常規的所有建筑設計，如民用多高層住宅、辦公樓、酒店、商場、預應力混凝土、煙囪、地下室等［2］。應用在砌體結構、框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、筒體結構、板柱結構等不同體系中。滿足工程設計所需準確性同時，也給從業者提供了設計便利。為了更好地學習PKPM軟件及熟悉設計流程，需要對相關規范比較熟悉，在設計過程中常用的主要規范是JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》和GB50011-2010《建筑抗震設計規范》，要求學生必須了解。

3框架-核心筒與筒中筒結構

框架-核心筒是指建筑物四周采用框架柱與框架梁、核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻組合而成的一種結構形式［3］，避免了框筒結構、筒中筒結構四周采光通風效果差的缺陷，在大多數的酒店、辦公寫字樓得到了較好地發展；同時結構布置靈活可以滿足使用要求；核心筒主要用來抵抗水平剪力以及傾覆力矩，而外部的框架結構主要承擔一部分傾覆力矩；筒中筒結構建筑物四周采用密柱深梁、核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻組合而成的一種結構形式［1］；由于外部柱距較小且框架梁截面較高導致視線較差，框架梁柱通常采用鋼筋混凝土、鋼結構、型鋼混凝土；核心筒主要用來抵抗大部分水平剪力以及部分傾覆力矩，外筒主要承受大部分傾覆力矩。目前在大量的設計過程中，這2種結構體系使用率較大，為了便于它們更好地滿足抗震抗風及經濟效果，結構方案優先選擇平面尺寸接近正方形的形狀。框架-核心筒剛度一般較筒中筒小，建造的建筑高度偏低。截至2020年底，中國完成的超高層建筑200m以上有近800座，300m以上有近40座，400m以上有近15座，500m以上有近15座，大部分建筑位于經濟綜合實力較前的一線發達城市，這些結構形式大部分采用框架-核心筒與筒中筒結構。目前在規劃建造830m的深圳湖貝塔、729m的蘇州中南中心、677m的成都熊貓大廈、648m的武漢周大福金融中心，這些結構形式中也會有筒體結構形式的存在。作為本科階段，學生在PKPM軟件的學習過程中除了掌握框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構的基本設計要點外，應結合當前市場的發展需要，理解和掌握一些框架-核心筒與筒中筒結構設計思路，這樣有助于學生提高專業知識水平，也可以掌握一定的技能。

4學生在框架-核心筒設計過程中常遇到難點

對于框架-核心筒大多數學生存在對概念理解不夠清晰，缺少對規范的了解，在設計過程中有時無從下手，接下來針對學生的疑惑部分進行分析。

4.1合理的結構高度如何考慮

A級高度鋼筋混凝土高層建筑最大使用高度可參考JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱為《高規》）表3.3.1［3］，6、7、8、9抗震設防烈度分別不宜超過150m、130m、100m、70m，高規9.1.2規定其高度不超過60m，可按照框架-剪力墻結構進行分析計算，因為結構高度太低會導致框架-核心筒結構不能有效地發揮其抗震效果，在實際工程中在不超出最大適用高度的情況下可以盡可能增加建筑物高度，這樣不僅可以充分發揮其作用，而且也可以提高結構的性價比。學生在對高度的判定選擇比較不容易接受，經過講解和分析后對概念有所理解。

4.2外部框架柱與內部核心筒合理距離的取值

核心筒距離外柱的距離在地震區不宜大于12m，工程上考慮到建筑功能的體現和利用，結合大量的工程數據分析，經濟合理的跨度一般在8～10m左右。若跨度太大會導致框架梁截面高度變大影響凈高、同時梁的線剛度下降會使連接外筒和內筒的約束力變弱不利于抗震設計。框架梁寬度和高度按照純框架結構的選擇要求進行布置，同時滿足剛度、強度、延性、耗能各方面的設計。框架梁基本上都是單跨，在內力計算方面尤其是彎矩作用下底部與支座受力較大，需要配置較多的縱向鋼筋面積。非框架梁在框架-核心筒中主要是布置在框架梁上，分割樓板及承受填充墻荷載，該梁截面大小主要取決于框架梁的間距。

4.3框架柱與剪力墻的布置要點

框架柱截面大小一般較純框架結構高，純框架結構高度比較低所受內力較小，而框架-核心筒結構較高，豎向和水平力產生的內力較大，尤其外部框架還需要分擔結構承受的地震作用下傾覆力矩，大多數工程柱截面可以達到0.8～1m左右，為了減小柱截面過大帶來對建筑采光效果及通風的不利影響，可以在鋼筋混凝土框架柱中配置適量的型鋼稱為型鋼混凝土柱或外部框架柱采用強度較高的鋼柱。剪力墻或核心筒布置在建筑物的內部，一般采用4個“L”形，對稱布置便于內部剛度均勻，內部布置剛度較弱的電梯、樓梯、通風井等豎向交通構件。墻體厚度同樣需要滿足考慮承載力和剛度的要求，厚度一般不低于200mm.

4.4如何判斷剪力、傾覆力矩的分配

框筒結構、筒中筒結構由于四周采用密柱深梁會導致在水平力作用下結構產生剪力滯后現象，會不同程度影響結構抵抗內力與變形效果。很多學生不理解剪力滯后現象及如何改善，課本中對這方面內容進行了詳細的介紹，剪力滯后根本原因是外圍框架柱承擔的作用分布不均勻，改善或減小該現象有幾點：平面布置盡量接近正多邊形或圓形、加強四周角柱的截面尺寸、控制結構的最小高度、合理調整結構整體與局部剛度的比例。框架-核心筒由于外部采用普通框架柱間距，不會形成剪力滯后現象。外部框架部分各層承擔的地震剪力標準值不宜小于結構底部總剪力標準值的10%［4］，不滿足要求需要調整框架柱與剪力墻的剛度或對計算內力值進行修正，核心筒承擔的剪力遠高于框架柱；在傾覆力矩的分配框架部分承擔的底部比列一般控制在10%～20%之間，仍以剪力墻或核心筒承擔為主。在高層設計過程中，抗傾覆力矩與傾覆力矩之比應大于3，剪力和傾覆力矩分配多少取決于各個構件的剛度大小。在工程上，一般剪力分配合理的話，傾覆力矩分配也不會差異太大，因為兩者都與剛度大小有關［5］。

4.5結構周期及扭轉周期的判斷

高層設計過程中，不可避免扭轉的影響，為了減小扭轉產生的不利影響，結構方案布置盡量使長寬比不宜過大。規范規定扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期之比不應超過0.85［3］，且第一平動周期中，平動的成分不小于70%，扭轉成分不高于30%。為了降低扭轉的危害，實際工程一般將平動的成分控制在80%以上，而且第一、第二振型狀態下必須符合平動效果，第三振型出現扭轉［6］。一般平面2個方向尺寸越接近扭轉影響越小，在實際的工程中，框架-核心筒采用的平面形狀多采用正方形或長寬比不大于1.5的矩形。

4.6框架柱、梁的合理選擇

框架-核心筒結構中外圍框架部分基本按照純框架結構進行截面選擇，但由于該結構體系的結構高度較大，豎向力與水平力較普通框架結構大，考慮到結構的延性和耗能、承載力、剛度等要求，一般情況下框架柱截面采用的較大一些。常用的截面尺寸可能在底部若干層可以達到1000mm×1000mm左右，從下至上依次減小，有時為了減小截面尺寸滿足建筑需要會采用型鋼混凝土柱。框架梁主要兩部分作用，一方面將外圍框架柱連接在一起，形成外圍剛度提高抗扭轉，截面高度取決于柱距及層高等因素；另外一部分主要是將框架柱與內部核心筒（剪力墻）進行連接，滿足建筑用途與樓板劃分，一般跨度在10m左右，截面高度一般取跨度的1/12～1/10。

4.7核心筒或剪力墻厚度與哪些因素有關

核心筒布置在內部中間，剛度較大，為了減小質量形心與剛度形心的偏心，盡可能采用對稱布置。影響其厚度的因素主要有地震抗震設防烈度、建筑物的結構高度、結構高寬比、結構長寬比、平立面的規則程度。

5結束語

首先對框架-核心筒結構從概念理解出發，結合建筑方案、結構布置2個方面進行分析；其次對于該結構出現的相應問題結合規范，找到有效的辦法解決；最后在高層設計過程中，在滿足承載力、剛度的情況下，盡可能實現耗能大、延性好的概念設計。

參考文獻

［1］錢稼茹，趙作周，紀曉東，等.高層建筑結構設計［M］.3版.北京：中國建筑工業出版社，2018.

［2］張宇鑫，劉海成，張星源.PKPM結構設計應用［M］.2版.上海：同濟大學出版社出版，2010.結構工程.2007：15-18.

［3］中華人民社共和國國家標準.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社出版，2010.

［4］中華人民社共和國國家標準.建筑抗震設計規范：GB50011—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社出版.

［5］張俊霞.高層鋼筋混凝土框架–核心筒結構體系的優化研究［J］.建筑技術發，2020，47（13）：3-5.

［6］周林花.對高層框架核心筒結構若干問題分析［J］.中國建筑金屬結構，2021（7）：86-87.