高层建筑框架-核心筒结构设计分析

王湘军

（长沙有色冶金设计研究院有限公司　湖南　长沙　410011）

高层建筑框架-核心筒结构设计分析

王湘军

（长沙有色冶金设计研究院有限公司湖南长沙410011）

高层建筑的结构设计工作是一项涉及诸多因素和问题的综合性技术工作，高层建筑对结构设计的要求非常高，结构工程师一定要在准确分析计算的前提下，根据结构设计的原则性要求，结合实际的工程条件和地质条件，设计和采用合理的结构设计方案。本文探讨了高层建筑框架-核心筒结构设计中的相关问题，并通过设计实例进行了分析阐述，具有一定借鉴价值。

高层建筑；框架-核心筒；结构设计；计算

引言

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，城市中建筑物的数量不断增加，城市用地趋于紧张，高层建筑不断出现。相对于常见的低层建筑，高层建筑的体型更加庞大，基础较深，结构设计复杂性增加，是高层建筑的规划建设的难点所在。本文主要分析高层建筑的框架-核心筒结构设计的主要特点、在设计时要考虑的般原则，对此高层建筑框架-核心筒结构设计进行分析探讨。

1　高层建筑框架-核心筒结构设计关键环节

1.1外框架的设计

对于高层建筑建筑方案本身的要求，结构需配合建筑和外立面的造型进行一体化设计，而不是分离开独自考虑，这个前提限制了结构外框柱的尺寸不能太大。因此，外框架的“尽其所能”主要表现为：①配合建筑和幕墙对柱的尺寸要求；②）外框柱的承载力尽量充分利用；③外框梁、柱的抗侧刚度尽量利用。由于一般外框架结构的用钢量占总用钢量的大部分，因此外框架设计可改善结构的经济性。

1.2外框架及核心筒抗震性能设计

高层建筑外框架的弹性剪力分担比例应满足高规9.1.11条的规定，即外框架楼层剪力分担比例最大值不小于10%，实际的构件设计应按照不能满足该条规定进行外框架和核心筒墙体的加强，同时从抗震性能设计上也有所考虑：①建筑整体结构的抗震性能目标性水平；②结合结构的特点和设计理念，核心筒墙体作为主要的抗侧向力构件，有能力承担所有的侧向力，因此抗震性能水准高于关键构件的要求；③充分利用钢结构后期良好的延性能力，将外框钢梁的性能目标适当提高至关键构件，目的是确保外框架作为一个整体能在大震下分担必要的剪力和倾覆力矩，同时加强对小截面外框柱的约束。

1.3梁柱偏心设计

高层建筑整个节点的设计，需要采用系统化的理念，除了理论的分析和设计外，后续将开展节点性能的试验以进一步论证。梁柱偏心主要设计理念：①偏心节点导致节点区应力分布不均匀，节点构造设计应在传力概念的基础上，确保各板件之间的连续性、连接的可靠性以及施工的可行性；②由于梁偏心布置，梁对柱的约束条件与常规对心梁柱节点有所不同，需要研究偏心节点对柱的整体和局部稳定性进行分析和确认；③高层建筑偏心节点与常规对心节点相比，节点刚度有所削弱，故在建筑的整体分析时，需要考虑节点刚度对建筑整体指标的影响。

1.4高层建筑核心筒墙体拉剪分析与设计

高层建筑在受到较大水平荷载作用时，整体主要呈弯曲型的变形和受力，当水平荷载足够大时，结构的竖向荷载就有可能抵消不了因倾覆力矩产生的拉力，从而令柱或者墙体受拉。对于钢筋混凝土构件而言，受拉会产生两个方面的问题：①局部构件刚度的退化可能导致过大的内力重分布，如果内力重分布无法被合理地估算，则会影响设计的安全性；②核心筒墙体等构件在全截面受拉时，除了斜截面受剪承载力需要设计，全截面开裂有可能影响核心筒墙体剪切承载力。

2　高层建筑框架-核心筒结构设计优化要点

2.1关于高层建筑结构计算简图的选取原则

在高层建筑的结构设计和受力分析过程当中，要进行相关的计算，而计算简图是进行结构设计计算的基础，所以计算简图的选取恰当与否关系着高层建筑的结构设计是否合理，也关系着高层建筑的使用是否安全可靠。在进行高层建筑结构计算简图的选取时，要特别的仔细认真，这样才能保证结构设计计算结果的可靠，保证高层建筑的安全建设和使用。同时，计算简图要有一定的构造措施和构造方法来保证安全，尤其是建筑节点在图纸上和实际中略有差别，必须保证计算简图的误差在允许的设计误差范围内。此外，设计工程师要仔细的分析软件计算的结果，避免因为不同计算软件的计算结果而造成比较大的计算偏差和失误。

2.2关于基础设计和建筑结构设计的方案选取原则

高层建筑的基础比较深，基础设计要考虑多种因素。高层建筑的基础设计必须参考详细的地质勘探报告，然后结合地区的地质条件进行基础的合理设计。同时，采用哪种高层建筑的结构类型也影响着基础的设计工作，不同的建筑类型的荷载不同，高层建筑的基础设计必须与结构类型和荷载分布相一致。综合考虑各种因素来确定基础的设计工作的目的是使地基的稳定性能和承载能力发挥最大。

建筑结构的设计方案一般要满足两方面的要求：①受力特性和建筑的力学性质的合理性，对于整个高层建筑的结构体系的受力和荷载要明确，力的分析与计算必须简单。②要满足经济成本合理性的基本要求，建筑结构的设计方案直接决定了后续的施工方案的选取工作和施工设计，这个过程必须考虑整体建筑施工成本合理的要求。另外，高层建筑的结构设计方案也必须考虑当地的地质条件、地理地形条件、工程施工的要求、施工方案和建筑设各安装等具体的因素，在各种因素相互协调的情况下，确定结构设计的最优方案。

2.3关于计算结果正确性分析的原则

随着计算机技术的不断进步，计算机应用软件不断地加入到高层建筑结构设计的分析计算当中，但是与建筑结构设计有关的软件的品种数量众多，不同的软件品种的计算方法、流程和编程实现方法不一定相同，导致了有关结构设计的计算结果存在着许多差异。设计工程师要正确认识和分析这此计算结果的差异，充分了解所采用的计算软件的计算范围和计算条件，要在仔细审核的基础上进行仔细的判断，排除人工数据输入的错误，才能够得出所需要的正确结果。

3　高层建筑框架-核心筒结构设计实例分析

3.1工程概况

某高层建筑占地面积约为38000m2，总建筑面积约为465000m2。其中，总部大楼建筑总高度为400m，地上66层，地下3层。结构分析设计主要参数为：设计基准期为50年，结构安全等级一级，为重点设防类；抗震设防烈度为Ⅶ度（0.1g），地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类；基本风压为0.75kPa（50年一遇），风响应由风洞试验确定。筒体的抗震等级从嵌固层下一层往上采用特一级，外框柱的抗震等级从嵌固层下一层至地面为特一级，地面以上为钢结构，抗震等级主要为二级。基础采用直径65m整体承台和2.5～4.5m大直径人工挖孔桩。

3.2结构选型

结构选型经历了两个主要阶段。概念设计阶段建筑方案本身尚处于外形研究和比选之中，图1为早期结构工程师配合建筑外形所开展的风工程初步研究。

图1　建筑外形风工程初步研究

风工程研究比选了14个不同的建筑外形，最终在结合建筑、结构、幕墙及业主等各方考量后，确认采用圆形造型进行设计。

3.3结构分析

本项目采用了ETABS9.7.4与MIDAS/Gen8.0两个不同结构软件进行了整体计算分析复核，各项主要指标基本一致。建筑的等效重量约为13.5kN/m2，其中结构自重占70%，另外由于外框钢结构较轻，核心筒墙体占结构自重的60%左右。建筑基本周期为6.62s，小震作用下，结构最小剪重比为1.1%。剪重比曲线见图2。略不满足1.2%的限值，需通过内力调整进行构件设计。结构最大层间位移角和最大位移见表1。

图2　剪重比曲线图

表1　结构最大层间位移角和最大位移表

最大层间位移角曲线见图3，由图可见，结构的最大层间位移角可以满足高规的要求。

图3　最大层间位移角曲线图

小震作用下，密柱框架在结构底部和顶部可分担超过10%的地震剪力，在中部分担的剪力比较少，但分担比例平均超过7%，且分担剪力比例最小（不低于4%），如图4所示。密柱框架的结构设计按照高规，以不满足最大楼层分担10%地震剪力的要求进行保守设计，保证外框架的设计地震力；同时，为了保证剪力墙的安全，构件验算时将剪力墙地震作用下的剪力放大1.1倍进行设计。

图4　小震作用下外框架内力分担比例图

结构弹性分析表明：①建筑的层间位移角、刚重比、剪重比计算结果证明建筑的抗侧刚度适宜，可以满足设计要求；②由周期比和位移比计算结果可知，建筑的扭转刚度很好；③根据结构受力的特点及其余各项分析，说明建筑在竖向及侧向力作用下内力分布明晰，符合力学原理和结构设计概念。后续构件设计及抗震加强措施，反映了结构分析对于结构在竖向和水平荷载作用下的表现和特征。

4　结语

综上所述，高层建筑的出现，一方面是为了缓解城市的用地紧张的情况，提高上地的综合利用率，使城市规划逐渐合理化和科学化，另一方面原因是高层建筑本身具有美学方面的重要意义，是一个城市现代发展的名片，可以作为城市重要的地标建筑。高层建筑作为一个复杂而又庞大的综合系统，其结构设计是否合理影响着高层建筑的安全和性能，所以高层建筑的结构设计有二个方面的基本要求：不但要满足抗震、抗风的安全性要求，而且要满足结构合理、构造科学的专业性要求，还要满足建设成本合理的经济性要求。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]高层建筑结构设计建议.上海科学技术出版社，2003.

[3]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.

TU973+.19

A

1673-0038（2015）02-0020-03

2014-11-12

王湘军（1986-），男，助理工程师，主要从事工业民用结构设计工作。