某框架－核心筒超高层外框布置及选型研究①

江 昊， 丁洁民， 吴宏磊

(1.同济大学建筑工程系，上海 200092;2.同济大学建筑设计研究院，上海 200092)

0 工程概况

本工程为某市现代化城市综合体.主要功能为酒店、酒店式公寓、办公总部、商业及银行.地上建筑总面积97，997m2，建筑层数53层，塔楼屋面高度232m;地下共2层，主要用作停车场，地下室大底板结构标高－10.6m.工程结构设计基准期为50年，安全等级为二级，抗震设防烈度为6度(0.05 g)，场地土特征周期为0.35s，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，建筑结构阻尼比为0.04.基本风压为0.45kN/m2(50年).图1为本项目建筑效果图与立面图，图2为建筑平面图.

1 结构体系与布置

1.1 结构体系及研究参数

本工程采用框架－核心筒结构体系，现浇混凝土楼板.

外框对框架－核心筒体系的受力特性影响很大，本文以某超高层建筑为例，针对以下2个方面对外框布置的相关问题进行研究:

1、外框柱距

2、外框柱子形状

1.2 原方案结构及构件参数

以上2个参数分析均基于塔楼初步设计原方案.原方案基本模型塔楼结构高度232m，外框采用SRC(型钢混凝土柱)及H型钢梁，核心筒采用RC(钢筋混凝土)筒体结构，普通层楼板厚度120mm，避难层楼板厚200mm，结构标准层层高为4.2m，避难层层高为6.0m.

图1 剖面图

塔楼平面尺寸为42.6m ×42.6m(1814.8m2)，核心筒尺寸为 19.9m ×20.4m(407.0m2)，占总平面的22.4%，核心筒延伸至塔楼顶部无收进.塔楼结构整体高宽比5.4，核心筒高宽比11.6.设置3道避难层，分别位于第16，27，36层.构件截面尺寸见表1.墙和柱的混凝土等级为C60～C50，楼板为C30，钢材采用 Q345.

模型弹性分析采用美国 CSI公司开发的ETABS9.7.4 软件进行计算.

图2 底层平面图

表1 构件结构尺寸(单位:mm)

2 外框布置选型

2.1 外框柱距比较

外框柱距比较共3个方案，计算模型及构件参数见表2，方案标准层平面图及立面图见图3，4.ZJ2和ZJ3模型柱距分别为ZJ1(原方案)模型的1/2和1/3，柱子大小根据等面积原则变换.型钢柱SRC含钢率控制在《钢骨混凝土结构技术规程》(YB9082－2006)规定的4%.根据建筑功能要求，塔楼底部3层需要大开间，ZJ2与ZJ3第1～3层仍采用9～10m柱距.由立面图可以看出，ZJ2与ZJ3在第4～6层设置转换桁架，主要用以传递塔楼上部密柱部分的竖向荷载.

表2 柱距比较模型

17F～27F SRC1200方柱 SRC850方柱 SRC700方柱5F～16F SRC1400方柱 SRC1000方柱 SRC800方柱1F～4F SRC1400方柱 SRC1400方柱 SRC1400方柱

表3 柱距比较分析结果

表3给出了三个模型的弹性计算结果.

对表3的结果进行分析，可以得到以下结论:

(1)3个模型的质量比较接近，建模基本遵循了柱子等面积换算原则.

(2)3个模型的第一与第二振型均以平动为主，结构扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比小于0.85，符合《抗规》[1]规定.对比周期结果表明，柱距减小减少了外框的剪力滞后效应，同时增大了外框的整体性，使塔楼整体平动刚度和扭转刚度都增大，但柱距减小到一定程度后，刚度增大效果将不再显著.

(3)计算结果表明，风荷载作用下的层间位移角远大于地震作用下的层间位移角，3个模型均满足《高规》[2]第 3.7.3 －3 条的限制 1/538，且 ZJ2和ZJ3较小柱距模型具有更好的抗侧能力，层间位移角都比ZJ1小.3个模型风荷载下层间位移角见图5.值得注意的是在ZJ2的转换层处(4～6层)，风荷载层间位移角出现了一小段不光滑的突变，这种情况的出现，是由于角度较大的转换桁架腹杆参与了抗侧，增大了这几层的抗侧刚度而引起的.ZJ3相对较小倾斜角度的转换桁架腹杆则没有引起这段变化.

图3 柱距比较方案标准层平面图

图4 柱距比较方案立面图

图5 柱距比较模型层间位移角

(4)从表3及图6可以看出，ZJ1外框承担剪力在7%左右，ZJ2在18%左右，而ZJ3达到20%左右.

结果表明减小框架－核心筒的外框柱距能明显的提高外框承担的剪力百分比.同时从图中可以看出ZJ2与ZJ3转换层处出现了外框剪力的突变增加，ZJ2转换桁架腹杆角度较大，引起的突变更显著.ZJ2及ZJ3底部框架承担的倾覆力矩在34%左右，大于ZJ1的18%，这也表明外框柱距减小使外框更多的参与了塔楼的抗侧.

(5)据《高规》[2]第 9.3.5 －1 条规定:外框筒柱距不宜大于4m.故ZJ1于ZJ2为框架－核心筒结构，ZJ3属于筒中筒结构.据《高规》表3.3.1－2，6度区B级高度框架－核心筒最大使用高度为210m，筒中筒为280m.故ZJ3没有高度超限.检察塔楼规则性超限情况，发现ZJ1存在扭转不规则，ZJ2存在楼层承载力突变且有斜柱，ZJ3仅存在斜柱.故ZJ3超限情况最少.

据以上分析ZJ2及ZJ3抗侧能力优于ZJ1，而ZJ2转换层桁架腹杆角度偏大会引起楼层刚度与剪力突变，超限情况最多，ZJ3超限情况最少.综合考虑选择ZJ3作为最优方案.

2.2 外框柱子形状比较

由于建筑立面及室内视野对柱子开间的要求，基于以上模型ZJ3，对外框柱子形状比较3个方案，计算模型及构件参数见表4，方案标准层平面图见图7.

XZ2和XZ3模型柱子大小根据等面积原则变换，由XZ1方形柱变成长宽比为1:2的矩形柱.从图7可以看出，XZ2柱子长边与外框边垂直，柱间开间较大，柱间距2763mm，建筑视野效果较好.XZ3柱子长边与外框边平行，柱间距2193mm，建筑视野效果较差.

图6 柱距比较模型外框承担剪力

图7 柱距比较方案标准层平面图

图8 柱子形状比较模型层间位移角

表4 柱子形状比较模型

表5给出了三个模型的计算结果

表5 柱子形状比较分析结果

对表5的结果进行分析，可以得到以下结论:

(1)3个模型的质量比较接近，建模基本遵循了柱子等面积换算原则.

(2)XZ3周期与扭转周期比都较小，抗侧能力最佳.XZ2则与XZ3相反，降低了塔楼的总体刚度，周期增大.塔楼层间位移角也体现了这一特点.图8为风荷载下层间位移角比较图.

(3)从图9可以看出，XZ1外框承担剪力在19%左右，XZ2在16%左右，而XZ3达到22%左右.结果表明柱子长边平行于外框边能明显的提高外框承担的剪力百分比，而柱子长边垂直于外框边则效果相反.

据以上分析XZ3结构抗侧能力优于XZ1与XZ2.但是由于建筑效果要求，XZ3无法达到室内视野及采光的要求.3个方案虽然存在抗侧性能差异，但差异不大且抗侧指标都能控制在规范限制以内，故选取建筑效果更优的XZ2方案.

图9 柱子形状比较模型外框承担剪力

2.3 结构最终方案

根据以上分析，结构外框最终方案为:第1～3层为SRC稀柱(9m～10m)，7层以上为矩形(长边垂直于外框边)SRC密柱(柱距3m～3.3m)，4～6层布置转换桁架传递柱子竖向荷载.

3 结论与建议

1)柱距减小使塔楼整体平动刚度和扭转刚度都增大，但柱距减小到一定程度后，刚度增大效果将不再显著.同时减小柱距能明显的提高外框承担的剪力百分比，使框架与核心筒两个系统更加合理的分配地震剪力.

2)由于超高层建筑底部通常需要大开间，故进行密柱方案设计时需要注意避免由转换层桁架刚度突变过大而引起的塔楼竖向布置不合理.

3)矩形柱子长边平行于外框边抗侧性能较优，但柱间开间较小无法达到室内视野及采光的要求，在抗侧指标都能控制在规范限制以内时，选择矩形柱子垂直于外框边方案.

[1]中华人民共和国建设部.GB50011－2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[2]中华人民共和国建设部.JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[3]洪磊，周颖，赵杨.熊海贝，刘祖华，某超高层结构抗震性能设计与优化[J].结构工程师，2012，28(1):60 －66.

[4]袁雅光，绍兴皇冠假日酒店型钢混凝土框架－核心筒结构设计[J].结构工程师，2010，26(3):24 －30.

[5]方鄂华，钱稼茹，叶列平.高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.

[6]高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社，2005.