高层建筑框架核心筒结构设计探讨

引言

筒体是一种空间受力构件，由竖向筒体为主组成，承受竖向和水平荷载作用。筒体结构具有造型美观、使用灵活、受力合理以及整体性强等优点，适用于较高的高层建筑。筒体结构根据平面墙柱布置情况主要可分为框架－核心筒结构和筒中筒结构。框架－核心筒利用建筑功能的需要在内部组成核心筒作为主要抗侧力构件，在布置大柱距的框架(一般8～12m)，其受力状况与框架剪力墙相同。但由于平面布置的规则性和内部核心筒的空间性能优越性使其受力性能、适用高度优于一般的框架剪力墙结构，在高层及超高层建筑中被广泛应用。本文通过工程实例对框架－核心筒结构设计提出一些探讨:

1工程概况

本工程位于福州市台江区，设2层地下室，1～3层为商业层高5.4m，4～22层为办公层高3.8m，建筑总高度94.75m。设计使用年限50年，安全等级二级，建筑抗震设防类别为丙类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.55S。基本风压0.7KN/m2，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。剪力墙核心筒部分作为抵抗水平力的主要构件，考虑到结构还应具有一定的延性，核心筒采用低轴压比设计。外筒最大厚度450mm，控制最大轴压比为0.45。框架柱最大截面为1200x1400mm主要承受竖向荷载。核心筒与外框架连接处尽可能设置扶壁柱或暗柱，以保证核心筒与外框架的可靠连接。标准层平面简图如下:

2主体结构计算分析

2.1多遇地震下弹性计算分析

多遇地震下采用SATWE计算软件进行弹性计算分析，并用盈建科复核。结构在多遇地震、风荷载及重力荷载作用下的内力和位移按振型分解反应谱法计算。抗震计算考虑扭转、偶然偏心和双向地震对结构的影响，平扭耦联扭转效应，振型参与质量不小于总质量的90%。墙、柱轴向变形内力计算分析应按模拟施工3分层加载来考虑施工过程的影响。框架梁、连梁等构件可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。楼板在自身平面内为无限刚性。主要计算结果指标如(表1):

2.2弹性时程分析进行多遇地震的补充计算

本工程属于竖向体型收进的复杂高层，采用弹性时程分析进行多遇地震的补充计算。根据场地性质取3条地震波，其中2条为天然波，1条为人工波。地面运动最大加速度为35cm/s2，地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15s，地震波的时间间距可取0.01s。地震波产生的基底(地上首层)剪力与振型分解反应谱法(CQC法)基底剪力比较，结果显示CQC法的层间剪力曲线基本能包络所选的三条地震波对应的平均层间剪力曲线，楼层位移曲线、层间位移角曲线光滑无突变，结构侧向刚度较均匀。层间位移角曲线形状相似、光滑，结构刚度较均匀。但顶层CQC法的地震剪力偏小，设计时已对顶层剪力进行调整。地震波的平均地震影响系数曲线与CQC法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。每条时程曲线计算所得结构底部剪力大于振型分解反应谱法结果的65%。3条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法结果的80%。振型分解反应谱法地震作用效应计算结果大于3条时程曲线计算结果的平均值。地震波选择满足高层建筑混凝土结构技术规程(简称“高规”)要求，时程分析结果满足规范要求。

2.3多遇地震设计和中震不屈服设计对比分析

根据结构抗震性能化目标D的设计要求，设防烈度地震工况应满足第4抗震性能水准。多遇地震下各构件完好无损，设防烈度地震下关键构件轻度损坏、部分普通竖向构件中度损坏、耗能构件损坏、建筑修复或加固后可继续使用。关键构件抗震承载力满足“屈服承载力设计”的要求即按照中震不屈服进行结构设计。计算中各参数处理如下:地震影响力系数按需小震的2.8倍取值;荷载分项系数取1.0，组合时不考虑风荷载;与抗震等级有关的增大系数取为1.0;不考虑承载力抗震调整系数;钢筋和砼材料强度采用标准值。在多遇地震工况下:框架柱与核心筒各层均未出现拉力，框架柱在小震作用下基本为构造配筋，轴压力较大，剪力按0.2Q0进行调整。在设防烈度地震工况下(中震不屈服设计):框架柱各层未出现拉力，核心筒剪力墙在底部加强区范围出现拉力，底层外框筒角部拉应力比达到3.51。框架柱配筋基本没有变化，剪力墙配筋值大于按小震计算的配筋值。(下图为中震不屈服计算的底层墙偏拉验算简图)根据偏心受压(1)、偏心受拉(2)斜截面受剪承载力计算公式分析，在小震下剪力墙为偏压构件，轴压力有利于受剪承载力，但压力增大到一定程度后，对抗剪的有利作用减小;在中震下当剪力墙局部出现拉力时，轴向拉力对受剪承载力有不利的影响，较大的拉力将大大降低剪力墙的抗剪承载力。仅按小震所需的水平分布筋不一定能满足抗剪承载力要求宜按中震进行复核。本工程底部加强区角部墙体在中震下出现拉应力区域需增加水平筋以满足抗剪要求，其余位置原水平分布筋中震下均能满足抗剪承载力要求。对角部开洞较大的外框筒剪力墙的配筋按中震不屈服进行复核，并按高规要求底部加强部位主要墙体的水平和竖向分布筋配筋率不小于0.3%;底部加强部位角部墙体约束边缘构件沿墙肢长度取墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件范围内应主要采用箍筋;底部加强区以上角部墙体均设置约束边缘构件。根据规范剪力墙底部允许出现塑性铰作为耗能区域，并通过“强剪弱弯”的设计原则提高抗剪承载力及设置约束边缘构件等措施，确保剪力墙底部的延性。但当剪力墙底部大面积出现较大拉力时，可能完全丧失抗剪承载力，这种破坏形式与塑性铰不同，设计中应引起重视并避免。

2.4对平面不规则楼板补充平面有限元性能分析

对平面凹凸尺度较大、开洞较多的楼层，裙房屋面等平面不规则的楼板，考虑其受力复杂可能产生应力集中按弹性板进行有限元应力分析。标准层应力计算结果显示在电梯井、楼梯等洞口边缘及核心筒周边板应力值较大。平时工况下最大值为1.4N/mm2，板内拉应力均不大于C30混凝土抗拉强度标准值1.43N/mm2。地震工况下仅个别位置最大值为2.4N/mm2采取附加板筋承受此应力。(平时工况标准层应力如下图)结构设计时标准层核心筒内部及周边板厚加大，配筋加强;楼盖外角设置双层双向钢筋并满足高规的配筋率及构造要求。二层楼面(入口大厅)、裙房屋面板厚加大为150mm，大屋面板厚120mm，设置双层双向钢筋以达到性能要求。

3结构设计探讨

3.1核心筒连梁截面选取对整体抗震性能的影响

通常情况下，剪力墙在水平荷载作用下墙肢底部所受弯矩最大，整个结构呈弯曲变形为主，受拉墙肢与受压墙肢的变形的不一致直接造成连梁的两端产生反向相对变形，所以连梁承受了比较大的剪力，它将两端墙肢连接起来，此种双肢剪力墙的受力特点与连梁的跨高比、连梁与墙肢的刚度比有直接的联系，一般情况下，破坏时首先出现在中间楼层处的连梁与剪力墙连接部位。随着荷载的增加，其他层连梁端部相继屈服。结构计算中，在核心筒剪力墙保持不变的情况下，外框筒连梁的刚度越大，核心筒所具有的抗扭刚度就越大。随着连梁高度降低，核心筒抗侧刚度减小，结构自振周期加大，结构所吸收的地震力减小，墙肢所承担的弯矩百分比减小，结构的最大层间位移角和顶层位移加大。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比加大。高规规定结构平面布置应尽量减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。同时还须保证核心筒墙体所承担的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的50%。当连梁的跨高比较小时，破坏时容易出现剪切斜裂缝，如果部分连梁剪切破坏或全部剪切破坏，则墙肢间的约束将削弱或全部消失，联肢剪力墙蜕化成多个独立墙肢。结构的刚度会大大降低，承载力也随之降低，并最终可能导致结构的倒塌。当连梁的跨高比较大时，破坏时梁端会出现垂直裂缝，地震作用时会出现交叉裂缝。在结构受到往复的地震力作用时，耗能能力较强的连梁可以通过自身的逐步破坏，消耗较大的地震能量，纵向钢筋屈服，砼被压碎从而形成塑性铰，塑性铰能够传递弯矩和剪力继续起到约束墙肢的作用，逐步降低结构的抗侧刚度，减小结构地震反应，确保其他更重要的竖向承载构件的安全。跨高比较大的连梁在地震作用下，其塑性铰的发展更加充分，转动能力也更强。在同等条件下，跨高比较大的连梁具有更好的耗能能力。结构设计中应反复调整连梁的截面进行试算，达到延性设计和耗能性能的良好统一。

3.2剪力墙平面外与梁相交时的连接处理

当楼面梁与剪力墙平面外相交时，剪力墙承受由梁端传来的竖向荷载和平面外弯矩，还承受自身平面内由上至下叠加的轴力，在这些荷载作用下剪力墙呈偏心受压状态。剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大，平面外刚度和承载力都很小。当剪力墙平面外作为跨度大于5m的梁的支座时，在地震力的作用下剪力墙可能出现竖向裂缝，如果弯矩较大，也会出现平面外破坏。针对此问题高规7.1.6条要求可沿楼面梁轴线方向设置扶壁柱或在剪力墙平面内设置暗柱。设置扶壁柱时，其截面宽度不应小于梁宽(图1);设置暗柱时，暗柱的截面宽度可取梁宽加2倍墙厚(图2)。同时可通过砼规范偏心受压构件正截面受压承载力计算公式确定暗柱和扶壁柱的纵向钢筋。暗柱受弯承载力尚不宜小于梁端截面受弯承载力的1.1倍及正常使用极限状态下的要求。当单面有大跨梁与剪力墙暗柱连接时，为避免梁端弯矩过大造成暗柱破坏，在满足平时工况前提下，可对梁端弯矩进行较大的调幅，并采用小直径的纵向钢筋以便满足钢筋锚固要求(梁跨中弯矩应按平衡条件作相应调整)。当锚固段的水平投影长度不满足要求时还可将楼面梁伸出前面形成梁头(图5)。工程设计可采用梁端水平加腋的方法直接加大嵌固作用的有效长度(图3)，也可采用设置边框梁的方式增加剪力墙平面外梁端嵌固的局部刚度(图4)。

4结论与建议

由于建筑使用功能及立面造型等原因造成结构体系的不规则，结构抗震设计需要进行详细的计算分析比较，并采取有效的构造措施。在能够满足承载力使用要求和变形要求的同时确保结构可靠、经济、合理。基于多年工程实践设计经验对框架－核心筒结构设计提出如下建议供参考:(1)采用至少两个不同力学模型的结构分析软件对体型复杂、结构布置复杂的高层建筑进行多遇地震下弹性计算;用弹性时程分析进行多遇地震的补充计算;(2)应满足预期结构抗震性能设计目标的要求，对结构的主要构件和关键部位提高抗震承载力和变形能力，按照中震不屈服进行设计复核。(3)对平面不规则楼板补充平面有限元性能分析，楼面刚度变化较大，应力较大部位采取加强措施。(4)连梁通常按“强墙弱梁”“强剪弱弯”进行设计，使其作为抗震耗能的第一道防线。连梁作为主要耗能构件其截面的选取对核心筒的抗弯能力与整体抗侧刚度有很大影响。(5)剪力墙平面外刚度和承载力都很小，当楼面梁与墙平面外相交时，应采取适当的措施增加墙体平面外的刚度。

作者：林雪 单位：福建众合开发建筑设计院