对高层框架核心筒结构若干问题分析

周林花

1.框架—核心筒结构的应用意义

进入21 世纪以来，我国的经济社会发展十分迅速，城市化的建设进程也越来越加速。在当前的城市建筑中，高层建筑已经成为最主要的建筑形式，人们对高层建筑物的需求也越来越大，在这样的发展背景下，高层建筑的结构设计也呈现出多样化、复杂性的特征。核心筒的抗侧刚度非常强，要明显高于其他的刚度。所以，这两种结构在结合使用的过程中可以为高层建筑物提供更大的抗侧力，同时框架结构还能够为高层建筑物提供较大的空间优势。因此，在目前的高层建筑物设计过程中，框架—核心筒结构的整体应用性能较好，而且刚度大、抗震性能良好，是当前高层设计中比较理想的结构设计之一，在目前的高层建筑物设计中有着非常广泛的应用，下文将围绕这一结构内容展开研究与分析[1]。

2.筒体内墙以及内部楼板的布置分析

在高层框架—核心筒结构设计过程中，筒体的设计是非常重要的一个部分，筒体的内部设计非常复杂而且比较细致。筒体的内部分为各种均匀的层次，每一个层次都有着自己独特的功能，那么在设计的过程中就应当保证筒体内部各层楼板之间的水平刚度能够达到相应的要求。但是在高层建筑实际的设计过程中，筒体内部往往会存在着大量的电梯井、通风井等，这些结构的设计在很大程度上削弱了楼板的水平刚度，对整体结构起到了非常不稳定的影响。所以，在设计的过程中，为了保证整个楼梯刚度能够达到行业标准要求，应当按照我国目前《建筑抗震设计规范》（GB/50011-2010）中的相关规定内容进行设计与分析。该规范中规定了“楼板局部不连续”的限值，也就是说在普通的高层建筑物设计过程中，尤其是在实际的施工过程中，各方面的数据要求达不到这样的标准，那么就应当按照四周有剪力墙和连梁围合的电梯间、楼梯间、通风井等内容进行规划设计，可以不按照水平开洞处理的原则进行。例如，可以在具体设计的过程中增加剪力墙和连梁的数量从而有效地减少开洞的效应，而且在设计的过程中，楼梯间在地震发生的过程中是可以起到“安全岛”的作用的，所以若发生剧烈的地震建筑结构中的筒体是作为第一道防线而最先被破坏的，从这个角度来考虑，高层建筑物中的楼梯四周也应当布置一定数量的剪力墙和连梁，使得两者形成围合的情况，从而保证楼梯的整体安全性。此外，在设计的过程中筒体的内墙最好是与外墙进行“T”或者“L”型连接，这种连接方式可以形成相互支撑的格局，从而提高高层建筑物筒体的抗侧刚度[2-3]。

3.高层框架—核心筒结构模型设计的调整分析

在该部分的分析中，选取某高层办公楼结构模型设计为例进行分析，该高层办公楼地上有24 层，地下1 层，其结构的高度为84m，抗震性能的设计为7度，该建筑物的建筑场地类别为建筑行业中的III 类，其地震设计为第一组，标准层的结构布置如图1 所示。

图1 某高层建筑办公楼标准层结构布置图

3.1 常规调整方法分析

（1）从上述的高层建筑办公楼的标准层结构布置图的内容来看，如果对其框架-核心筒设计中调整其外围框架的截面，那么对抗扭的刚度以及结构抗侧的刚度影响相对较小，从力学计算的角度来看，抗扭刚度和抗侧刚度的变化幅度是呈现出一定的特点，抗侧的刚度一般要小于抗扭的刚度，且其周期性的变化幅度也是平动小于扭转周期的。相反，如果对其内部框架界面进行调整的话，那么对于抗扭的刚度以及结构抗侧的刚度影响也是相对较小的，但是在变化幅度上与外部调整恰恰相反，抗侧的刚度一般要大于抗扭的刚度，且其周期性的变化幅度也是平动大于扭转周期的[4]。

（2）如果筒体结构的外墙设计外围比较长，那么在进行调整的过程中对抗侧刚度和抗扭的刚度影响都是比较大的，但是抗侧刚度、平动以及扭转周期的变化却是呈现出不规则的变化情况，具体数值应当对相关的参数进行测算才可以得知。筒体内墙一般来说相对比较薄，而且会有很多个洞口，所以在对这方面结构进行调整的过程中，对抗侧刚度以及抗扭刚度的影响并不是很大，其变化幅度一般来说是抗侧刚度大于抗扭刚度，其周期的变化也是平动大于扭转周期。

（3）在该结构调整的过程中，如果该建筑物的周期比不够的话，所遵循的调整原则是加强筒体的外墙部分，并且需要对外墙的刚度以及外围框架的刚度加强，或者对筒体内墙和内部框架的刚度进行一定程度的削弱，从而起到稳定结构的效果，当然在现实的条件下，这两种方法也可以同时使用。

3.2 第二周期为扭转周期的调整方法分析

在当前的高层建筑物结构设计中，第二周期为扭转周期在框架—核心筒结构模型调整中是经常出现的，图1 中所展示的标准层结构布置图也具有这样的特点。在该结构设计中，第一和第三周期为平动周期，若第二周期为扭动周期时，那就说明该结构的抗扭刚度相比第二平动周期转角方向的抗侧刚度来说是相对较小的，那么在调整的过程中就应该将第二和第三周期分别调整为平动和扭转周期。如果在实际操作的过程中按照这个思路进行操作，可以发现这个思路在很多工程中难以实现应有的效果，例如以图1 所示的工程来说，如果在初期模型中将第二周期调整成为扭转周期，第三周期为Y 向的平动周期，在充分地满足位移角的前提之下，按照减少Y 向抗侧刚度的思路来反复地调整后发现第二周期仍然为扭转周期。

造成这样的结果原因为：Y 向的筒体外墙长度是相对较长的，那么在调整的过程中对Y 向抗侧刚度和抗扭刚度的影响效果是十分明显的，但是Y 向筒体的外墙比较靠近楼的中侧部分，距离建筑物的外侧部分是相对较远的，那么在调整的过程中对Y 向抗侧刚度以及抗扭刚度的平均影响效果是十分明显的，通过上文的阐述知道，在这种情况下，抗扭刚度影响比Y 向抗侧刚度的影响要小得多，所以在减少Y 向筒体的外墙强度时，Y 向抗侧刚度减少幅度大于抗扭的刚度，使得Y 向平动周期增加幅度大于扭动的周期，那么在这种情况下就难以将Y 向的周期调整为第二周期。

而在图1 的平面图中，X 方向的筒体外墙距离建筑物外侧的距离相对来说比较近，那么就可以适当地加强X 方向筒体外墙的刚度，期望抗扭刚度的增大幅度大于X和Y方向抗侧刚度的增大幅度，从而使得扭转周期减小幅度大于两个平动周期的减小幅度，这样的话就按照以往的思路调整成了与高层建筑相适应的周期，提高了建筑的稳定性与安全性。

3.3 异形框架—核心筒结构的调整

异形框架—核心筒结构在目前的高层建筑物内部设计中也有大量的应用，所以在调整的过程中以力学受力的思路来对核心筒的受力情况进行调整与分解，将其分解成为第一和第二平动周期转角方向的刚度，然后按照实际工程的特点来对刚度进行有效地分配，最后按照上述第二点的计算方式反复地计算来实现有效地调整。

4.结语

高层建筑物设计已经成为当前城市建设过程中的主流化设计，框架—核心筒的应用也越来越广泛，在设计的过程中需要严格地按照行业内的操作规范来进行，使得筒体内部的楼板以及外墙的布置与水平的刚度相互契合，确保在地震的情况下，楼梯间能够起到良好的安全岛功效。在应用中，框架—核心筒结构在外部震动的影响下，其连梁端附近的楼板会产生应力的集中情况，很容易出现开裂，所以在设计的过程中应当反复地对相关的结构设计进行加强，从而满足相关的强度要求。总体而言，高层建筑物的框架—核心筒设计具有一定的复杂性特征，在设计的过程中应当结合建筑物的实际特点进行，从而保证高层建筑物具有良好的安全性与稳定性。