框架-核心筒结构在现代高层办公楼中的应用

陈 伟 廖俊涛

（四川省建筑设计研究院，四川 成都 610000）

框架-核心筒结构是近十年来世界各国较普遍采用并且具有广阔发展前景的一种重要高层建筑结构体系。这种体系通常是由中央核心筒与周边稀柱框架构成。国外多采用钢结构，此时楼面多采用钢梁铰接支撑于周边钢柱、钢框架梁和核心筒的钢柱、钢梁上，核心筒、钢柱多多采用钢-混凝土组合，楼板大多为压型钢板混凝土组合楼板。整个结构的侧移刚度来源于核心筒和周边的稀柱外框筒的协同工作，若侧移刚度不够，常在设备层、避难层设外伸刚臂构成刚性加强层或在周边布置支撑体系予以加强，其建筑高度已达100层、400m左右。它的优点有利于减少工地劳动力，降低建造成本，加快施工进度；缺点是面广量大的楼面梁铰接未能发挥其侧移作用。

国内多采用现浇钢筋混凝土结构，此时楼面多采用现浇钢筋混凝土梁刚接整浇支撑于周边钢筋混凝土柱或钢混凝土组合柱、钢筋混凝土框架梁和钢筋混凝土或钢混凝土组合的核心筒上，楼板多为现浇钢筋混凝土，整体结构的侧移刚度来源于核心筒-楼面梁-周边框架柱，简称框筒结构，它与两边稀柱外框架协同工作，此时结构的抗侧传力直接，充分发挥了楼面梁的刚度参与工作，克服了稀柱外框筒的剪力滞后效应，在超高层建筑高宽比（>6）较大时，也常在设备层、避难层另加设外伸刚臂构成刚性加强层，对结构侧移刚度予以加强。这种结构体系使得建筑平面分隔灵活，景观视野开阔，中央核心筒主要结合电梯、消防楼梯、卫生间、设备管井等布置，且可随着建筑电梯数量的减小，在上部楼层适当减弱核心筒墙体，进一步扩大有效的建筑使用面积。

1 工程概况

本工程位于四川省成都市天府新区交子大道，为一现代化高层甲级办公楼，底层层高5.10m，标准层层高3.95m,建筑高度99.15m，地下3层，主要用作地下车库和设备用房；地上26层，下部两层局部通高，建筑外围采用玻璃幕墙，建筑效果图如图1所示。

设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第三组，抗震设防类别为标准设防类（丙类），场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s,基本风压为0.30kN/m2（50年一遇），基本雪压为0.10kN/m2（50年一遇）。

图1 建筑效果图

2 结构体系

本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，结构平面规则，平面尺寸约为43mx43m,呈正方型,外围框架柱柱网为9m,核心筒尺寸18.8mx18.5m,外围框架柱和核心筒距离约为12m；地下-3层为人防，由于层高仅为3.5m，采用无梁楼盖。标准层结构布置如图2所示。

由于本工程地下室为3层，顶板没有开大洞，通过增加地下室的核心筒墙体长度，可将结构嵌固端设在地下室顶板，这样可以大大减小结构的地震作用，同时又可以将基顶～-1层的抗震等级降低。框架和剪力墙抗震等级：基顶～-1层为三级，-1层以上为二级。

2.1 核心筒结构布置

核心筒的设计对整个结构设计的经济合理性尤为重要，核心筒的尺度一般宜取H/10～H/12，即筒体的高宽比一般宜取10～12，本工程核心筒尺寸为18.8mx18.5m，筒体高宽比为5.4，满足JGJ3-2010第9.2.1条要求。核心筒剪力墙的布置在满足剪力墙轴压比和稳定的基础上，尽量弱化筒内剪力墙，加强核心筒外围剪力墙。筒体厚度不宜取太厚，一般以300～500mm为宜， 筒体的内分隔墙尽量对齐贯通，其厚度可以适当减薄，筒内混凝土剪力墙厚度以200～250mm为宜，这是因为这部分分隔墙对结构整体的刚度贡献不是很有效，墙薄可以减轻结构自重；同时它又可以帮助筒体承受一部分垂直荷载、水平剪力和实现筒体的空间刚度。本工程核心筒外围剪力墙厚度地下室及地上2层为450mm,2层以上为400mm，核心筒内剪力墙厚度为200mm～300mm不等。

图2 标准层结构布置

由于办公楼走道通常需要在核心筒外围剪力墙上设置嵌入式消火栓，同时位于风井部位的剪力墙需要开洞让风管穿行，所以核心筒外围剪力墙的开洞位置对于筒体的完整性尤为重要，设计时应密切配合设备专业尽量避免在核心筒四角开洞或在核心筒外墙水平方向连续开洞，在布置筒体墙体时，一是要保证筒体角部有足够的转角翼缘，不宜小于2倍墙厚,不应小于500mm；二是筒臂门洞口的连梁尽量设计成高度较大的强连梁，以保证筒体的空间刚度。

2.2 外围框架结构布置

外围框架柱网的布置往往由于受到建筑方案的制约，可调性很小，本工程由于建筑方案要求景观视野的开阔性，所以抽到了四角的外围框架柱，采用框架斜梁拉结。本工程钢筋混凝土外框架的柱距为9m，外围框架柱与核心筒外墙中轴线中距为12m，刚好满足JGJ3-2012第9.1.5条不大于12m的要求，不需要设置内柱。框架柱截面尺寸由底部的1200mmX1200mm逐渐变化到顶部的700mmX700mm，外围框架梁截面尺寸为300mmx800mm,四角斜拉框架梁400mmX800mm,和核心筒相连的框架梁为400mmX650mm，次梁在核心筒和外框架之间单向布置，次梁间距一般为3m，截面尺寸为300mmX650mm。

本工程之所以采用图2所示的单向次梁布置方案，一方面是因为相比井字梁方案单向次梁布置方案传力直接，该布置方式减小了和核心筒相连的框架梁的受荷面积，使横向框架梁的截面尺寸可以降至最低，有利于提高净空高度；另一方面考虑到可以利用次梁之间的肋间隙布置暖通空调风机盘管，可进一步提高办公区的净空高度。对外围框架梁由于没有设备管线穿行的限制，可采用相对较高的截面（本工程外围框架梁高为800），有利于增加结构的抗扭刚度，减小结构的周期比。

楼板厚度的确定：-2层楼面板由于为人防且采用无梁楼盖，厚度为400mm，-1层楼面由于大部分区域为设备用房，荷载较大，采用宽扁梁+井字梁布置方案，楼板厚度取150mm,地下室顶板为嵌固端，楼板厚度取180mm。结构标准层核心筒内取120mm,核心筒外结构四角取130mm,其余区域均取100mm，这是因为本工程标准层办公区域均做架空地板，所有接地管线均埋设在架空地板下穿行，不需在混凝土板内埋设线管，所以对核心筒外的楼板除四个角部外均取最低值100mm，节约了工程造价。

2.3 剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析

对于本工程由于部分框架梁要支撑在核心筒外墙剪力墙平面外方向，剪力墙平面外对梁端嵌固作用如何，其研究文献较少，设计标准和规范也没有涉及。影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。目前常用的计算分析软件虽然具有墙平面外刚度分析功能，但未考虑墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度，当遇到墙肢很长或筒体墙肢空间刚度很大时，计算分析软件可能会高估了墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值大于实际值，本工程采用如下措施来应对这一误差：采用图3增加墙边框梁方法，用以增加墙平面外对梁端嵌固的局部刚度。墙边框梁截面宽度应不小于0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框梁截面高度略大于楼面梁截面高度；为保证梁正截面设计更符合实际受力情况，梁端计算弯矩可以采用“二次条幅”方法，即分析计算时假定梁端负弯矩调幅系数后，配筋时再局部手算调幅，“二次调幅”时，应综合考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝的开展及变形满足使用要求。

3 计算结果分析及结构构造加强措施

本工程采用SATWE软件进行结构计算，以地下室顶板作为结构嵌固端，按模拟施工3加载计算，多遇地震作用下主要控制参数计算结果如表1：

第一平动周期：T1=3.01 第一扭转周期Tg=2.48

第一扭转周期与第一平动周期之比：Tg/T1=0.82均满足JGJ3-2010要求。

框架柱最大轴压比：0.80，剪力墙最大轴压比：0.46。

表1 多遇地震作用下主要控制参数计算结果

图3 楼层标高墙边框梁设置

结构构造加强措施：

3.1 对于底部2层局部通高部位，适当加强外围框架柱和核心筒外围剪力墙截面尺寸及配筋；

3.2 由于框架柱截面较大，下部部分楼层形成了极短柱，本工程采取设置芯柱来提高框架柱延性；

3.3 由于本工程四角抽柱，采用框梁拉结，适当加强四角外围框梁的通长配筋提高结构的整体性；

3.4 底部加强部位角部强体的水平和竖向分布钢筋的配筋率均按0.30%配置；

3.5 底部加强部位以上核心筒角部墙体均设置约束边缘构件；

3.6 核心筒外围连梁均需设置对角斜筋或交叉暗撑；

3.7 筒体角部楼板双层双向配筋，配筋率部小于0.3%；

结语

总而言之，现代化的办公楼设计要求更加合理、科学、舒适，要有较大的灵活的自由空间，钢筋混凝土框架-核心筒结构作为一种极具发展前景的结构体系很好地满足了这一要求。本工程作为高层办公楼框架-核心筒结构设计的一个特例，无论在结构平面上还是在竖向上均较为规则，不存在结构超限问题，这也得益于建筑方案的合理性。在今后还会遇到各式各样的框架-核心筒办公楼，或存在平面不规则，或存在竖向不规则，或二者兼有，但不管如何变化，只要我们抓住其核心筒和外围框架设计的精髓，通过不断地和建筑、设备专业的密切配合调整，就一定能做到更精细合理、安全经济。

[1]孙皓.普通高层办公综合建筑结构设计初探[J].科技风，2012（10）：169.

[2]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社.

[3]柳浩杰.某高层办公综合楼结构方案的设计[J].四川建材，2009（02）：91-93.