浅谈框架-核心筒结构设计

摘要：在目前的办公楼、酒店等高层建筑中，由于建筑师对景观视野、空间分隔等建筑功能的高要求，结构师多趋向于采用框架-核心筒这一结构体系。本文从其抗侧刚度形成、地震剪力分配和如何提高整体结构延性等方面入手，结合工程实例，阐述了框架-核心筒结构设计中的一些概念和方法。

关键词：框架-核心筒 抗侧刚度 剪力分配 延性

本工程位于巴彦卓尔市临河区金川大道以东，由七层裙房和一座主塔楼组成，总建筑面积约2.6万平米，其中地上二十五层共2.25万平米，地下一层3500平米。地下室层高4米，1~7层层高4.5m，以上各层层高3.8m，结构总高97.45m。抗震设防烈度7度，0.15g，Ⅲ类场地，100年重现期基本风压0.6KN/m2，地面粗糙度为B类。

本文只介绍主塔楼结构设计，由于裙房与主塔楼在0.00m以上采用伸缩缝分开，故主塔楼上部结构采取单独的计算模型进行分析，以下为主楼底层结构平面图和三维计算模型示意图。

1. 主体结构选型

本工程核心筒呈圆形，其高宽比为6.9，主外框柱绕其环形布置，整体结构基本均匀对称。中央核心筒内径14.1m，主外框柱距核心筒壁约9.2m。采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构形式，核心筒结合建筑中央楼电梯间布置贯通落地，于楼梯、电梯分隔处布置内隔剪力墙，这样既有利于建筑防火分隔要求，又提高了建筑平面使用系数，且易于发挥核心筒承重、抗侧力的核心作用。外框柱距也较好地满足建筑对景观视野的要求，保证灵活的室内使用空间，提高建筑使用质量。

在这里先说明一下框架-核心筒的定义，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》）表6.1.1注2：“框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构”，即筒体-稀柱结构。它要求核心筒必须能作为一个独立的悬臂筒体结构体系，可以承担绝大部分的剪力（一般可>85%）和大部分的倾覆弯矩(一般可>60%)，同时外框架必须是稀柱框架（柱距一般8~12m），只需承担很小一部分的剪力和相当部分的倾覆弯矩。根据这个内力分担特性，核心筒就显得非常之关键，因为一旦发生破坏，后果会比较严重，所以框架-核心筒结构的核心筒抗震要求比框剪结构中剪力墙更加严格。

而在抗震设计中为了能让稀柱框架有足够的承载力潜力起到二道防线的作用，通常要求稀柱框架承担的地震剪力不宜过小，比如大于15%（超高层也可能放松至5-10%）。这其实也就相当于要求柱截面的面积率不宜过小，因此可以得出一个很重要的概念：稀柱框架并不意味着减小柱的面积和线刚度，而是可以相对减小了梁的线刚度。

我们来看一下本工程底层柱承担的倾覆弯矩（KN・m）及地震剪力（KN）：

方向 柱倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱倾覆弯矩百分比

X 171856 1039245 14.19%

Y 180658 972162 15.67%

方向 柱剪力 墙剪力 柱剪力百分比

X 758 13077 5.48%

Y 898 13124 6.4%

可以看出，结构底部核心筒承担了大部分的地震剪力和倾覆力矩，计算结果符合框架及核心筒的内力分担要求，是一个合理的结构选型，此时外框柱剪力尚需做进一步内力调整以满足二道防线的承载力要求。

2．结构的抗侧刚度

本工程采用整体现浇结构，属于刚接筒体-稀柱框架结构体系，楼屋面梁与中央核心筒及周边稀柱框架的连接为连续性刚接，连接节点不仅要承受和传递重力荷载及水平荷载作用下梁端剪力和弯矩，而且为了保证中央核心筒承载能力和整体结构抗震延性，通常会将重力荷载下核心筒应力水平比框架柱压应力水平控制低些，这样楼屋面梁就还要协调中央核心筒和框架柱之间轴向变形差异，使自身在重力荷载下已处于较为不利的较高应力状态。

楼屋面梁将中央核心筒和框架边柱层层相连，各层梁的抗弯刚度都发挥了作用，整体结构空间抗侧性能发挥极佳，周边稀柱框架不但没有剪力滞后效应，反而“剪力提前”――水平荷载方向上与楼屋面梁直接相连的框架边柱轴力、剪力反而比非荷载方向上柱大。由此可见，楼屋面梁非常有效地参与了整体结构抗侧工作，整个周边框架受力比较均匀合理。

为了有效发挥周边框架柱的抗侧作用，减小中央核心筒承受的倾覆力矩，缩小核心筒与周边框架柱重力荷载作用下压应力水平差异，本工程并没有采用[参考文献]4提到的减小梁高的设计手法，而是直接采用常规梁截面350x700，跨高比约13.5。

从层间位移角曲线图可以看出，由于楼屋面梁剪力对相连接竖向构件弯曲变形的抑制，结构层间位移角从下往上先逐渐增大，至一定高度后，则逐渐减小。整体曲线光滑无突变，结构刚度沿竖向变化均匀，计算所得最大层间位移角比规范要求略有富余。

3. 构件截面强度延性控制

对高层建筑竖向构件在重力荷载、水平荷载共同作用下轴压比的控制，是保证高层建筑结构延性、安全度的重要措施。震害调查及实验研究表明，轴压比较低的竖向构件延性较好，反之延性较差。

由于本工程为妇女儿童活动中心，框架及核心筒抗震构造措施均按一级考虑。外框架柱轴压比均控制在0.7以内，每层取相同截面。1~7层为900X1000mm， 8~16层为800X900mm，16以上层为700X800mm，柱长边顺筒体径向布置。中央核心筒轴压比控制在0.5以内，核心筒连梁设置交叉暗撑以提高延性。为确保核心筒刚度，外筒壁厚1~7层取为500mm，8~16层为450mm，16以上层为400mm，由于内隔墙对筒体抗弯刚度贡献较小，主要帮助外筒承受重力荷载，取其墙厚200~250mm。柱墙混凝土等级各层相同，随结构高度由C50逐渐减小至C35。

在实际的钢筋混凝土结构中，其刚度构成、荷载形成是一个随施工方法变化而变化的复杂过程，且混凝土本身又是一种弹塑性材料，其弹塑性性能随施工工艺方法不同而有所不同，即使在低应力、小应变的情况下，混凝土仍有其固有的弹塑性性能。再加上非结构构件对刚度、地震力的影响，使得真实结构分析变得极其复杂。尽管结构计算软件技术不断发展，计算精度不断提高，但是计算的结构内力与实际内力不可避免地总存在着一定的差距，故从严控制竖向构件轴压比有利于弥补此差异带来的结构隐患，有利于保证结构安全工作。

4. 楼梯影响

汶川地震后，让大家注意到楼梯对整体结构的影响，《抗规》6.1.15指出：“楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响”。

楼梯对结构的影响主要体现在其斜撑作用，通过将楼梯作为斜杆（斜板）模拟计算可知，其弹性侧向刚度相对框架结构是不可忽略的，对结构计算指标影响也很大。但是在楼梯间四周有钢筋混凝土剪力墙围合的结构（如框架-核心筒）计算中，其弹性侧刚度的影响是可以忽略的。但实际地震时，楼梯的弹塑性性能究竟如何，尚没有明确的结论，还需要不断研究。

5.结语

对于结构工程师而言，一个优秀的作品并不仅仅是在正常使用状况下的结构安全，更重要的是如何做到让结构“大震不倒”，这才是我们应该追求的最高境界。关于这一点，很多前辈给我们做了示范，比较典型的如林同炎大师设计的美洲银行，在马那瓜罕遇强震中，昂然不倒，楼立墟群，这也可以说是概念设计的胜利。因为地震从本质上讲并非一个力，而是一个能量概念，也就是说要求结构必须具备足够的耗散地震能量的能力。

对于框架-核心筒结构，我们要认清结构的受力特性，着手做好核心筒剪力墙、外框架柱的布置方案，设置多道抗震防线，分配好周边框架和核心筒之间的刚度，从整体上保证力流的简洁、顺畅。不能一开始就只是看到配筋，看计算结果的红不红，若如此，即使配筋做的再精细，实则本末倒置。

参考文献：

[1] 建筑抗震设计规范GB50011-2010. 中国建筑工业出版社，2010 .

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002. 中国建筑工业出版社.

[3] 傅学怡. 实用高层建筑结构设计. 中国建筑工业出版社.

[4] 程懋. 对框架-核心筒结构平面布置的理解和探讨，建筑通讯，2007.9.

[5] 朱炳寅. 建筑结构设计问答及分析. 中国建筑工业出版社.