高层建筑框架-核心筒结构设计分析

周忠凌

（江西省井冈山应用科技学校，江西 吉安 343000）

0 引言

竖向荷载是多层建筑结构设计主要考虑的因素[1]，风荷载及地震作用对多层建筑结构设计的影响相对较小，但在高层建筑尤其是超高层建筑的结构设计中，以上因素均需着重考虑，并且水平及竖向荷载的共同存在还会出现新的作用效应。这就要求高层建筑结构不仅要具有足够的强度、刚度，还要保证在强风和强震情况下具有良好的塑性变形及延展性。框架-核心筒（建筑外围布置大柱距的框架结构，内部核心筒贯通建筑全高，靠框架梁传递侧向荷载）的结构形式顺应了高层建筑这一特性，不仅满足建筑多样化的功能划分而且其受力性能优于普通的框剪结构。本文通过北方某工程实例，对框架-核心筒的结构设计进行研究。

1 工程概况

本工程为北方某市综合办公楼，地下2层，地上37层，筑高度136.5m，总建筑面积7万m2。其中1～4层为塔楼裙房，其主要功能为商业，5～37层功能为办公室，其中14层及29层为避难层，核心筒内为建筑交通核，围绕交通核布置办公区域。

根据本工程平面布置以及建筑功能对采光通风方面的要求，优先考虑其结构形式采用框架-核心筒，在这种结构形式下，以核心筒作为抗侧力主体，具有较大的刚度，同时兼具较大的承载能力，外围框架部分承受较小的水平剪力，同时在核心筒与框架柱之间设置水平伸臂构件，不仅可增大结构整体抗倾覆力矩的能力，还可改变周边框架的受力状态，产生抵消核心筒的弯矩的反弯效果，减小结构的变形和侧移。

本工程建模时，考虑塔楼与裙房之间不设置抗震缝。裙房部分采用框架结构，采用1100mm×1100m的柱截面，梁宽500mm，梁高700mm；塔楼部分采用框架-核心筒结构，经过建模粗略验算，最终确定了核心筒外围剪力墙厚度及内侧剪力墙厚度，其数值分别为550mm及350mm。随建筑楼层的增加，框架柱截面、核心筒剪力墙厚度逐步减小，与此同时还需按照规范（图1），对框架-核心筒结构梁、板、柱的混凝土强度等级进行设计。

图1 首层结构布置平面图

通过PKPM建模及其分析计算，考虑偏心地震作用力的情况下，扭转位移比最大值为1.56，同时，考虑到塔楼部分位于裙房左上角，故全楼的刚度中心受核心筒位置的影响，偏向于左上角，而质量中心却偏向于面积大的裙房，从而产生了侧向荷载作用下明显的结构扭转。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）3.4.1条可知，该结构属特别不规则形。为克服这一难题，设计团队最终考虑在塔楼与群房之间设置抗震缝，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）3.4.10条规定，抗震缝宽度为140mm，这一方案不仅使结构平面美观，梁、板、柱及剪力墙的受力关系也更加合理，塔楼部分与裙房部分分别独立，故其刚度中心及质量中心重合，无明显的结构扭转，竖向上各层侧移均匀，刚度突变及刚度薄弱情况较设缝前的方案，已无此情况，结构体系更加合理，受力情况更加均匀。

2 框架-核心筒结构的受力分析

2.1 剪力的分配

在水平地震作用下，通常框架部分计算所得的剪力较小。在设计中，需考虑多道防线[2]，剪力墙是比框架部分先破坏的整个结构的第一道防线，地震作用下，剪力墙率先出现塑性内力重分布情况，进而加大了框架部分承受的剪力，而在考虑作为第二道防线的框架部分结构设计中，应适当提高其抗侧力能力。

经计算，本工程底层X方向框架部分剪力分配为3.64%，Y方向为2.43%，均小于10%。故应调整框架部分承担的剪力，使其满足《高规》9.1.11条的规定。

2.2 轴压比

为保证地震力控制下剪力墙的塑性变形能力、柱的延性及剪力墙塑性变形能力，设计中需限制框架柱的轴压比，结合《高层建筑结构设计建议》及《高规》6.4.2条，7.2.13条和11.4.4条，确定本工程型钢混凝土柱轴压比限值为0.9，剪力墙墙肢轴压比限值为0.6。通过振型分解反应谱方法，本工程实际框架柱轴压比最大值为0.71，剪力墙墙肢最大轴压比为0.44，墙、柱轴压比均满足规范要求。

2.3 剪力墙边缘构件

剪力墙边缘构件包括构造边缘构件与能提高剪力墙塑性变形能力的约束边缘构件。《高规》7.2.14条规定：剪力墙两端及洞口两侧应设置边缘构件，并应符合如下规定：①对于底层底截面的轴压比大于0.3的二级剪力墙，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应设置约束边缘构件，考虑边缘构件设置于底部加强部位和加强部位相邻上一层。②除第①条所列部位外，剪力墙应设置如暗柱、端柱和翼墙的构造边缘构件。

应按照规范要求，本工程底部剪力墙轴压比大于0.3需设置约束边缘构件。其约束边缘构件长度宜为墙肢截面高度的1/4，为满足正截面受压（受拉）承载力计算要求，构件内垂直方向上布置的箍筋或拉筋间距不宜大于150mm，肢距在水平方向不应大于竖向间距的2倍。考虑《高规》7.2.16条约束的剪力墙构造边缘构件的布置范围，构造边缘构件的竖向钢筋及箍筋直径和间距应满足框架柱的相应要求，沿水平方向的籀筋和拉筋肢距不应大于竖向钢筋间距的2倍，且不宜大于300mm。

2.4 周边框架梁、柱

框架柱的延性比梁小易形成塑性铰，导致产生层间侧移，直接影响结构承受垂直荷载的能力。故设计时需有目的地增大柱端弯矩，采用乘以修正系数的方式加强底层柱下端的受弯承载力。同时，在设计中为满足“强剪弱弯”要求，还需有目的地增大柱的剪力值及两端弯矩值。本工程梁端部和柱端部截面内力设计时考虑修正系数，尤其是框架角柱受力复杂，其弯矩、剪力设计值均应调整且考虑修正系数。

2.5 主要配筋构造

按三级抗震考虑，在设计梁端截面的底面和顶面配筋时，需控制纵向钢筋截面面积的比值，将其值考虑在0.3以上。在设计中柱和边柱配筋时，其纵向钢筋的配筋率需控制在0.6%以上，角柱不应小于0.8%。取8d和150mm的较小值为箍筋加密区的最大间距，箍筋最小直径为8mm。

按二级抗震考虑，在设计剪力墙配筋时，竖向和水平分布钢筋的配筋率需控制在0.25%以上，剪力墙钢筋间距需控制在300mm及以下，钢筋直径需控制在8mm以上，且不宜大于墙厚的1/10。各排分布钢筋之间应设置拉筋。

3 结构性能分析

根据不同建筑的重要性程度，考虑到其不同的使用功能，抗震设防目标也随之不尽相同（表1），建筑的抗震性能设计需综合考虑承载力和变形能力[3]。在本工程的实际结构设计中，为达到抗震性能目标灵活运用各种措施以在满足使用功能的要求下提高安全性。

表1 结构抗震性能目标分类

3.1 多遇地震作用

基于“振型分解反应谱法”，采用ETABS和SATWE计算软件分析多遇地震作用，通过对两者的计算结果比较，尤其是在多遇地震作用下分析弹性时程。

经过分析，取15个振型对ETABS模态分析，与STAWE一致。X方向有效质量系数为96.73%，Y方向有效质量系数为97.41%，表明ETABS计算时取15各振型同样满足要求。根据质量参与系数来判断平扭属性的ETABS，计算得结构的第一扭转周期与结构的第一平动周期的比值，为0.639，小于0.9，满足规范要求。

弹性动力时程分析通常依靠求解结构基本动力微分方程得出，在地震作用下，超高层结构的结构响应方法特殊，多以时程分析法，将地震作用以地震波曲线的形式引入微分方程，并通过积分方程得出在地震作用下，整体结构和各构件每一时刻的响应。故本工程选择三条地震波，进行弹性时程分析。根据强震观测记录的统计分析，两个水平方向地震加速度的最大值不相等，两者之比约为1:0.85；考虑两个方向的最大值不一定同一时刻发生，在计算两个方向地震作用效应时，需考虑采用平方和开方组合的方式。主方向在多遇地震下的地震加速度最大值为18cm/s2，次方向为0.85×18=15.3cm/s2，计算结果较大值作为地震作用效应。通过弹性时程分析得出的三条地震波底部剪力，发现其数值均大于振型分解反应谱法的65%，平均值大于80%，根据《高规》4.3.5条的规定，地震波的选取符合要求。

3.2 设防烈度地震作用

考虑到“强柱弱梁，强剪弱弯”概念设计，调整内力值容易导致中震作用下的梁端弯矩比小震作用下的小，同时由于材料强度按标准值设计，周边框架柱轴压比中震时比小震时小，小震弹性设计时底层柱轴压比计算结果最大值为0.71，中震不屈服设计时最大值为0.50，而剪力墙的轴压比在两种情况下相差不大。为保证抗震设防目标—小震不坏、中震可修、大震不倒，需保证在中震作用下结构的塑性发展不能过快，避免在中震设计下重要的抗侧力构件达到屈服状态的同时发现其重点薄弱部位进行加强[4]。

3.3 罕遇地震作用

结构部分构件在罕遇地震作用下，允许出现塑性发展，需考虑非线性行为。综合考虑弹塑性时程，在罕遇地震作用下，分析三条地震波曲线，得出主方向地震加速度最大值为125cm/s2，次方向最大值为0.85×125=106.25cm/s2。所得楼层位移变化趋势，可知X为主方向楼层位移时，最大值为347.9mm，Y为主方向楼层位移时最大值为356.1mm，同时根据时程分析塑性铰分布情况，周边框架柱两端均未出现塑性铰，框架梁端有塑性较出现。

4 结语

依托北方某市综合办公楼工程案例，对结构受力及性能分析，深入探讨整体结构和关键部位，以明确结构方案旳受力性能。以“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则提出适应本工程切实可行的设计方案，采用弹性时程分析不同地震力作用，可知结构构件的受力状态。总结得出结构设计原则如下。

（1）选择抗震和抗风性能良好结构体系，选择适应工程情况的结构体系，对称性布置结构受力构件，简化荷载传递路径。

（2）在满足规范要求的基础上，质量、刚度和承载力的变化不应出现突变的情况，避免特别不规则的结构布置情况。

（3）赋予水平构件及竖向构件足够的承载力、刚度及延性，在抵抗地震作用方面考虑多道防线，保证结构体系的安全性。

（4）规范设计节点构造，在遭遇较大地震作用时，节点应具备良好的延性，保证其不优先于构件发生破坏。

综合以上4点，将概念设计融入结构方案设计中并整体把握，最终即可得出最佳结构设计方案。