高层框架―核心筒结构两种结构方案的技术经济比较分析

摘要：随着社会经济的发展，超高层建筑结构近几年不断的涌现，而框架-核心筒的结构形式由于良好的受力性能和较好的空间布置得到较为广泛的运用。本文主要通过对高层框架―核心筒结构两种结构方案的技术经济比较进行了分析探讨。

关键词：高层框架；核心筒结构；抗震性能

中图分类号：C35 文献标识码： A

工程概述

本工程基本风压0.65KN/O，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组第一组，场地类别暂定为II类，规范场地特征周期tg=0.45s，图1所示为结构的计算模型。

图1结构计算模型

本文针对外框架采用钢筋混凝土框架和钢管混凝土混合框架两种结构方案，以下称为钢筋混凝土方案和混合结构方案这两个方案展开研究，通过计算结果比较分析两方案在力学性能、成本造价、施工的可行性和经济效益等方面的优劣性，相关结论可供在实际工程中结构方案选型时的参考。

一、框架一核心筒结构合理设计的概念

l、双重抗侧力构件

双重抗侧力构件是抗震结构最为合理的结构形式，其特点是：由两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力结构组成，每种抗侧力结构都具备足够的刚度和承载力，可以承受一定比例的水平荷载，并通过楼板连接而协同工作，共同抵抗外力。在地震作用下，当一部分有损伤时，另一部分有足够的刚度和承载力能够承受较多的地震作用，损伤部分可以与它共同担当抗震任务，或它能够单独抵抗后期余震。因此设计为双重抗侧力体系可以实现多道设防，是安全可靠的抗震结构体系。

2、筒中筒结构

筒中筒结构是一种双重抗侧力体系，当地震作用时，它是由框筒和实腹筒共同抵抗侧向力的结构，但因其外框筒柱距较小，梁截面较高，采光面积小，建筑立面不好处理，近年来使用的较少。

3、框架一核心筒结构

框架一核心筒是由筒中筒结构延伸而来，筒中筒结构在空间受力时，由于水平荷载的作用，其密柱深梁框筒的翼缘框架柱承受较大轴力；当柱距加大、裙梁的跨高比加大时，剪力滞后加重，柱轴力将随着框架柱距的加大而减小，但它仍然会有一些轴力，有一些空间作用，因这一特点，称其为“稀柱筒体”。

当筒中筒结构外筒柱距增大到与普通框架相似时，除角柱外，其他柱轴力将很小，通常可忽略沿翼缘框架柱传递轴力的作用，直接称其为框架区别于框筒。框架一核心筒结构由于周边框架柱数量少、柱距大而受到建筑师的青睐，但是框架分担的剪力和倾覆力矩少，核心筒成为抗侧力的主要构件，所以框架一核心筒结构不是双重抗侧力体系。

二、两种结构体系技术指标比较

根据建筑平面和建筑使用功能，以及建筑所在地区的风荷载较大的特点，因此采用框架一核心筒结构体系。核心筒是结构抗风和抗震的主要抗侧力构件，选用钢筋混凝土材料，混凝土的刚度大，耐火性能好，初始造价和后期维护的费用都较低。但外框架存在钢筋混凝土框架和钢管混凝土混合框架两种选择，以下称为钢筋混凝土方案和混合结构方案。钢筋混凝土结构方案中周边框架和核心筒均采用钢筋混凝土材料，充分利用混凝土结构刚度和阻尼大的优点，结构的竖向刚度和内力变化平稳。在另一方案中，核心筒选用钢筋混凝土材料，而周边框架柱采用钢管混凝土，框架梁为组合梁。由于该地区风荷载较大，该组合结构方案需设置加强层，采用伸臂析架和腰析架增强核心筒和周边框架的共同作用。根据本建筑的特点，初步选定第17层和34层（避难层）作为加强层，混合结构Y向刚度较弱，在每个加强层沿Y向布置四道加强柑架，析架采用人字形析架形式，桁架杆件初步选定为箱形钢构件。图2所示为钢筋混凝土方案典型楼层结构布置，图3为混合结构方案加强层结构布置。

图2钢筋混凝土方案典型楼层结构布置

图3混合结构方案加强层结构布置

1、结构周期和振型模态

图4所示为两种结构方案振型模态的对比，从图4可见，两种结构方案振型模态区别不大。

图4两种结构方案振型模态的对比

表1给出了两种结构方案结构前6阶周期的对比。计算结果表明，两种结构方案周期表现出规则的变化，占主要作用的周期振动分量耦合小，振型“纯净”。对于钢筋混凝土方案，前两个周期均为平动周期，第三周期为扭转周期，周期比为0.57，结构表现出良好的动力性能，由于建筑的限制，核心筒X向和Y向的长度相差较大，Y向的刚度约为X向的0.7倍；对于混合结构方案，前两个周期均为平动周期，Y向的刚度约为X向的0.7倍，第三周期为扭转周期，周期比为0.45，混合结构整体抗扭更好（见表1）。

表1两种结构方案周期比较

为满足抗侧刚度的要求，混合结构布置了加强层，提高整体刚度，在两因素综合作用下，混合结构的周期小于混凝土结构。

2、层间位移角

计算结果表明，两种结构方案在风荷载和地震作用下结构均满足层间位移角的限值要求。结构在风荷载作用下侧移较大，风荷载在本工程中起控制作用。图5和图6分别给出了钢筋混凝土结构方案和混合结构方案在风荷载作用下的层间位移角曲线。可见，对于混合结构方案，Y向水平作用下层间位移角曲线出现尖突，尖突位于加强层所处高度。与钢筋混凝土结构相比，混合结构的层间位移角更接近于规范限值，特别是Y向水平作用，该突变对抗震不利。

图5钢筋混凝土方案风荷载下层间位移角

图6混合结构方案风荷载下层间位移角

3、结构自重

钢筋混凝土结构方案恒载总重为151916.5t，混合结构方案为133244.5t，钢筋混凝土结构的恒载比混合结构重14%。钢筋混凝土结构方案折算结构重量为1.60t/m2，混合结构方案折算结构重量为：1.41t/m2。混合结构的重量比混凝土结构轻11.5%，总重约少18086.4kN。混合结构的自重较小，对基础设计和抗震设计有利。

混合结构可从地基和基础上节省一定的造价，以采用人工挖孔桩估算基础造价差额。人工挖孔桩桩身直径取d=1200mm，扩大头直径采用D=1.33d≈1600mm，预估桩长为20m，单桩极限承载力特征值为Ra=qpaAP=9000×3.14×1.62/4=186323.75kN（暂不考虑桩身摩擦对承载力的贡献），单桩承载力特征值Ra/2≈9043.2kN，则钢筋混凝土结构比混合结构所多出桩数量为186323.75/9043.2≈21根，每根桩的混凝土体积为22.6m3，总共需增加22.6×21=475m3混凝土，人工挖孔桩每立方米混凝土造价约为700元，混合结构方案可节省桩基造价700×475=33万元。

4、净层高

钢筋混凝土结构方案：主梁的高度为800mm（包括楼板厚度），建筑标准层层高为4.1m，保证了净高有3.3m。混合结构方案：主梁的高度为600mm，楼板厚度为120mm，保证了净高有3.38m。混合结构比钢筋混凝土结构多出80mm的净空，另外混合结构的次梁可采用蜂窝梁形式，可供水电管穿行，可提供更多的建筑空间。在净层高方面混合结构占优势。

5、材料估算

根据标准层平面及配筋图，估算出标准层的钢筋用量、混凝土用量和钢材用量。下列估算材料用量在后期设计阶段随着设计信息的进一步深化以及设计条件的变化会有所变化，但结构初步设计方案可以提供参考（见表2）。

表2材料估算表

结束语

伴随城市建筑工程事业的更进一步发展，建筑工程设计工艺以及科学化水平还将不断提高，框架核心筒结构设计也会随着建筑工程事业的不断发展而不断进步，结构设计的技术经济性也会更加精细化。多种结构方案的技术及经济比较分析可以节约结构材料用量可降低碳排量，也有助于实现绿色建筑建筑可持续发展，对提高我国高层建筑设计水平将具有重要意义。

参考文献

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