超限高層建筑框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王 秀 文

(呂梁市建筑勘察設(shè)計(jì)院，山西 呂梁 033000)

1 框架—核心筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

房屋建筑的框架—核心筒一般為鋼混結(jié)構(gòu)，主要由樓梯、電纜井、通風(fēng)井、電梯井道、公共衛(wèi)生間以及部分設(shè)備間圍護(hù)而組成，在與外圍框架的組合下，整體形成“外框內(nèi)筒”的結(jié)構(gòu)。對(duì)于超限高層建筑而言，框架—核心筒的運(yùn)用可以顯著提升樓體結(jié)構(gòu)的抗震性能，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，同時(shí)還可提升樓體內(nèi)部的使用空間以及空間利用率，為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流形式?；诳蚣堋诵耐步Y(jié)構(gòu)原理的分析，其對(duì)樓體抗震性的提升主要是利用了核心筒的抗側(cè)向剛度，而水平荷載(少量)與豎向荷載則由框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)。此外，在增加樓層的情況下，框架—核心筒的運(yùn)用可使框架水平荷載的承擔(dān)比重有效減小，從而增加建筑使用面積，提升空間利用率與總體效益。

2 超限高層中框架—核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 基于抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在超限高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)中，由于水平側(cè)力主要由核心筒結(jié)構(gòu)承擔(dān)而少量水平荷載與豎向荷載由框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此在具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于框架與核心筒各自的功能應(yīng)綜合考慮。對(duì)于框架與核心筒抗側(cè)力剛度比的分配，可通過(guò)鉸接點(diǎn)的科學(xué)布置而實(shí)現(xiàn)合理控制，以防樓體結(jié)構(gòu)因受力不均而對(duì)整體抗側(cè)向剛度造成影響，從而使樓體抗震性降低。需要注意的是，在抗側(cè)力剛度分配過(guò)程中，為防止強(qiáng)震情況下混凝土墻體出現(xiàn)開(kāi)裂，從而使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)向剛度迅速下降而鋼框架結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)水平荷載的比重迅速增加，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)因鋼框架荷載過(guò)重(超過(guò)承載極限)而出現(xiàn)破壞甚至倒塌現(xiàn)象，核心筒剛度不宜增強(qiáng)過(guò)多(避免形成弱鋼框架結(jié)構(gòu)體系)，對(duì)此應(yīng)通過(guò)計(jì)算做到合理分配。

在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，由于大多地區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)強(qiáng)制提升，因此一定程度上提升了建筑物的總體造價(jià)。而框架—核心筒結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，由于其外圍鋼架柱一般采用密柱形式而內(nèi)部核心筒采用鋼混結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)形式下，可使核心筒承擔(dān)的地震傾覆力矩大幅減少而鋼框架抗側(cè)向剛度有效增加，使混凝土墻體所受壓應(yīng)力以及受壓區(qū)高度明顯降低，從而在地震作用下，可有效避免因混凝土剪壓脆性破壞而使建筑結(jié)構(gòu)整體剛度退化，實(shí)現(xiàn)抗震性能的顯著提升。

2.2 基于風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超限高程建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，除地震作用外，還需綜合分析、計(jì)算以及論證風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的水平作用?；诳蚣堋诵耐步Y(jié)構(gòu)的運(yùn)用，在風(fēng)荷載的作用下，可以有效改善建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，從而降低層間位移。在超限高層建筑框架—核心筒設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，具體需針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)載作用下的振動(dòng)與側(cè)向變形，對(duì)風(fēng)壓、風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)載體形系數(shù)以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行分析和確定，以此合理設(shè)計(jì)框架—核心筒結(jié)構(gòu)，從而提升建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向變形能力。

3 超限高層建筑框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

對(duì)于超限高層建筑框架—核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文依據(jù)工程實(shí)例以對(duì)比分析的方式予以論述和優(yōu)化。

3.1 工程概況

某高層建筑由A，B兩棟塔樓組成，其中A塔樓建筑面積約為11.8萬(wàn)m2，地上55層，建筑高度為232 m；B塔樓建筑面積約為7.1萬(wàn)m2，地上29層(含4層裙房)，建筑高度128 m。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，A，B樓均按一級(jí)抗震設(shè)計(jì)(A樓底部為特一級(jí))，其中A樓框架—核心筒結(jié)構(gòu)采用型鋼，B樓則采用鋼管混凝土，現(xiàn)就A，B樓結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行具體分析。

3.2 方案對(duì)比

3.2.1型鋼框架—核心筒

在初步設(shè)計(jì)階段，A樓型鋼框架—核心筒的框架柱與橫梁橫截面尺寸分別為1.8 m×1.4 m和0.5 m×1.0 m，層高為3.9 m。在該布置方式下，由于框架擁有較大的剪力，因此使用鋼量因柱網(wǎng)密集而增加較多。

3.2.2鋼(管)混框架—核心筒

在原方案的基礎(chǔ)上將框架—核心筒調(diào)整為鋼管混凝土形式，并且框架柱橫截面尺寸為1.4 m×1.4 m，而橫梁與層高保持不變。由于鋼管柱承載力表現(xiàn)極強(qiáng)，因此為方便布局，可將跨度適當(dāng)增大。與此同時(shí)，基于設(shè)備走線(如風(fēng)管)的考慮，橫梁為變截面設(shè)計(jì)，以此將層高在靠近核心筒的部位調(diào)整為4.0 m，同時(shí)為便于鋼結(jié)構(gòu)施工，將橫梁與核心筒的連接方式設(shè)計(jì)為鉸接。

3.3 計(jì)算結(jié)果

在兩種結(jié)構(gòu)形式下，為分析地震作用下的具體響應(yīng)，以此判斷是否符合規(guī)范要求，現(xiàn)分別對(duì)A、B樓框架—核心筒中的型鋼柱與鋼管柱采用專業(yè)軟件建立模型a與b，然后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)通過(guò)模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，最終確定出最佳設(shè)計(jì)方案。

3.3.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

基于a，b模型振型周期的分析，由于建筑擁有規(guī)整的平面，因此兩個(gè)方案的前兩個(gè)周期接近且均為平動(dòng)周期，同時(shí)橫向與豎向剛度也極為接近，有利于抗震。對(duì)于超限高層建筑而言，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，其周期比應(yīng)不大于0.85，而經(jīng)試算后兩方案的實(shí)際周期比均小于0.65(滿足要求)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小，建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震條件下以平動(dòng)為主，并且扭轉(zhuǎn)周期極短，有利于結(jié)構(gòu)抗震。此外，由于鋼管柱既可縮小截面，又可減少柱子，振型周期因結(jié)構(gòu)剛度的降低而增大，因此在相比之下，鋼管柱的周期大于型鋼柱(周期差占到型鋼柱周期的10%～20%)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后柔性表現(xiàn)更好。在大剛度結(jié)構(gòu)下，由于其對(duì)地震作用承受較大，并且使配筋率與位移增大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為防止建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地震響應(yīng)過(guò)大，應(yīng)將剛度適當(dāng)降低。

3.3.2結(jié)構(gòu)位移與位移角

1)頂點(diǎn)位移。對(duì)a，b模型的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分別計(jì)算和統(tǒng)計(jì)后，分析可知：由于鋼管柱數(shù)量與截面尺寸均有所減小，因此其頂部位移相對(duì)較大，但是極限位移符合規(guī)范要求，只是剛度相對(duì)較小。

2)層間位移。采用不同樓層豎向構(gòu)件各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生位移差為層間位移，其最大值就是該層層間位移最大值，而平均值需在相加最大值與最小值后除以2求得。按現(xiàn)行規(guī)范的要求，針對(duì)本工程實(shí)際情況，其層間位移角應(yīng)控制在1/800以內(nèi)。由層間位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，鋼管柱層間位移角的最大值和規(guī)范要求限值十分接近，說(shuō)明其剛度合適。此外，如果結(jié)構(gòu)層數(shù)達(dá)到30層以上，則為風(fēng)載控制，受風(fēng)荷載作用后，最大位移角等于1/1 199，比地震作用條件下的位移角小，所以地震作用為主要控制作用。

3)層間位移比。對(duì)于超限高層建筑，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，其最大層間位移比應(yīng)在平均值的1.2倍～1.4倍之間。分析a，b模型的最大層間位移比可知，兩方案均在1.2倍平均值左右，說(shuō)明均無(wú)明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)以平動(dòng)為主。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)模擬試算和對(duì)比，A，B樓框架—核心筒結(jié)構(gòu)均可滿足規(guī)范要求。A樓型鋼柱為大剛度體系，周期較短且位移及位移比較小，容易產(chǎn)生浪費(fèi)；而B(niǎo)樓鋼管柱在經(jīng)局部剛度調(diào)整后，可通過(guò)剛度的增加來(lái)將周期減小，并對(duì)建筑經(jīng)濟(jì)性與安全性綜合權(quán)衡后，可從中確定出理想點(diǎn)以及最佳結(jié)構(gòu)方案。