超限高层建筑框架—核心筒结构设计分析

王 秀 文

(吕梁市建筑勘察设计院，山西 吕梁 033000)

1 框架—核心筒的结构特点

房屋建筑的框架—核心筒一般为钢混结构，主要由楼梯、电缆井、通风井、电梯井道、公共卫生间以及部分设备间围护而组成，在与外围框架的组合下，整体形成“外框内筒”的结构。对于超限高层建筑而言，框架—核心筒的运用可以显著提升楼体结构的抗震性能，优化整体结构的受力状态，同时还可提升楼体内部的使用空间以及空间利用率，为当前国内外建筑结构设计的主流形式。基于框架—核心筒结构原理的分析，其对楼体抗震性的提升主要是利用了核心筒的抗侧向刚度，而水平荷载(少量)与竖向荷载则由框架结构承担。此外，在增加楼层的情况下，框架—核心筒的运用可使框架水平荷载的承担比重有效减小，从而增加建筑使用面积，提升空间利用率与总体效益。

2 超限高层中框架—核心筒结构的设计

2.1 基于抗震性能的结构设计

在超限高层框架—核心筒结构中，由于水平侧力主要由核心筒结构承担而少量水平荷载与竖向荷载由框架结构承担，因此在具体设计时，对于框架与核心筒各自的功能应综合考虑。对于框架与核心筒抗侧力刚度比的分配，可通过铰接点的科学布置而实现合理控制，以防楼体结构因受力不均而对整体抗侧向刚度造成影响，从而使楼体抗震性降低。需要注意的是，在抗侧力刚度分配过程中，为防止强震情况下混凝土墙体出现开裂，从而使结构整体抗侧向刚度迅速下降而钢框架结构部分承担水平荷载的比重迅速增加，最终导致建筑结构因钢框架荷载过重(超过承载极限)而出现破坏甚至倒塌现象，核心筒刚度不宜增强过多(避免形成弱钢框架结构体系)，对此应通过计算做到合理分配。

在我国建筑结构的设计方面，由于大多地区对结构的抗震等级强制提升，因此一定程度上提升了建筑物的总体造价。而框架—核心筒结构的运用，由于其外围钢架柱一般采用密柱形式而内部核心筒采用钢混结构，在此结构形式下，可使核心筒承担的地震倾覆力矩大幅减少而钢框架抗侧向刚度有效增加，使混凝土墙体所受压应力以及受压区高度明显降低，从而在地震作用下，可有效避免因混凝土剪压脆性破坏而使建筑结构整体刚度退化，实现抗震性能的显著提升。

2.2 基于风荷载的结构设计

超限高程建筑设计过程中，除地震作用外，还需综合分析、计算以及论证风荷载对建筑结构的水平作用。基于框架—核心筒结构的运用，在风荷载的作用下，可以有效改善建筑结构的受力状态，从而降低层间位移。在超限高层建筑框架—核心筒设计时，为保证建筑结构的稳定性与安全性，应对结构在风荷载作用下的应力进行科学计算，具体需针对建筑结构在风载作用下的振动与侧向变形，对风压、风振系数、风载体形系数以及风压高度变化系数进行分析和确定，以此合理设计框架—核心筒结构，从而提升建筑结构的抗侧向变形能力。

3 超限高层建筑框架—核心筒结构设计实例

对于超限高层建筑框架—核心筒结构的设计，本文依据工程实例以对比分析的方式予以论述和优化。

3.1 工程概况

某高层建筑由A，B两栋塔楼组成，其中A塔楼建筑面积约为11.8万m2，地上55层，建筑高度为232 m；B塔楼建筑面积约为7.1万m2，地上29层(含4层裙房)，建筑高度128 m。在结构设计方面，A，B楼均按一级抗震设计(A楼底部为特一级)，其中A楼框架—核心筒结构采用型钢，B楼则采用钢管混凝土，现就A，B楼结构性能进行具体分析。

3.2 方案对比

3.2.1型钢框架—核心筒

在初步设计阶段，A楼型钢框架—核心筒的框架柱与横梁横截面尺寸分别为1.8 m×1.4 m和0.5 m×1.0 m，层高为3.9 m。在该布置方式下，由于框架拥有较大的剪力，因此使用钢量因柱网密集而增加较多。

3.2.2钢(管)混框架—核心筒

在原方案的基础上将框架—核心筒调整为钢管混凝土形式，并且框架柱横截面尺寸为1.4 m×1.4 m，而横梁与层高保持不变。由于钢管柱承载力表现极强，因此为方便布局，可将跨度适当增大。与此同时，基于设备走线(如风管)的考虑，横梁为变截面设计，以此将层高在靠近核心筒的部位调整为4.0 m，同时为便于钢结构施工，将横梁与核心筒的连接方式设计为铰接。

3.3 计算结果

在两种结构形式下，为分析地震作用下的具体响应，以此判断是否符合规范要求，现分别对A、B楼框架—核心筒中的型钢柱与钢管柱采用专业软件建立模型a与b，然后对各项指标通过模拟计算进行对比，最终确定出最佳设计方案。

3.3.1结构动力特性

基于a，b模型振型周期的分析，由于建筑拥有规整的平面，因此两个方案的前两个周期接近且均为平动周期，同时横向与竖向刚度也极为接近，有利于抗震。对于超限高层建筑而言，根据现行规范的要求，其周期比应不大于0.85，而经试算后两方案的实际周期比均小于0.65(满足要求)，扭转效应较小，建筑结构在罕遇地震条件下以平动为主，并且扭转周期极短，有利于结构抗震。此外，由于钢管柱既可缩小截面，又可减少柱子，振型周期因结构刚度的降低而增大，因此在相比之下，钢管柱的周期大于型钢柱(周期差占到型钢柱周期的10%～20%)，结构优化后柔性表现更好。在大刚度结构下，由于其对地震作用承受较大，并且使配筋率与位移增大，因此结构设计过程中，为防止建筑结构对地震响应过大，应将刚度适当降低。

3.3.2结构位移与位移角

1)顶点位移。对a，b模型的结构顶点位移分别计算和统计后，分析可知：由于钢管柱数量与截面尺寸均有所减小，因此其顶部位移相对较大，但是极限位移符合规范要求，只是刚度相对较小。

2)层间位移。采用不同楼层竖向构件各节点产生位移差为层间位移，其最大值就是该层层间位移最大值，而平均值需在相加最大值与最小值后除以2求得。按现行规范的要求，针对本工程实际情况，其层间位移角应控制在1/800以内。由层间位移统计结果可知，钢管柱层间位移角的最大值和规范要求限值十分接近，说明其刚度合适。此外，如果结构层数达到30层以上，则为风载控制，受风荷载作用后，最大位移角等于1/1 199，比地震作用条件下的位移角小，所以地震作用为主要控制作用。

3)层间位移比。对于超限高层建筑，根据现行规范的要求，其最大层间位移比应在平均值的1.2倍～1.4倍之间。分析a，b模型的最大层间位移比可知，两方案均在1.2倍平均值左右，说明均无明显的扭转效应，在地震作用下建筑结构以平动为主。

4 结语

经模拟试算和对比，A，B楼框架—核心筒结构均可满足规范要求。A楼型钢柱为大刚度体系，周期较短且位移及位移比较小，容易产生浪费；而B楼钢管柱在经局部刚度调整后，可通过刚度的增加来将周期减小，并对建筑经济性与安全性综合权衡后，可从中确定出理想点以及最佳结构方案。