淺談高層建筑框架核心筒結構設計

林曉偉

(廣州市景森工程設計顧問有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524000)

1工程概況

某高層建筑項目包括高層辦公樓和沿街商業裙房，地下2層停車場，地面以下深度8.1m，地上21層，功能為商業辦公，結構屋面高度78.2m，出屋面包含機房和設備間，機房屋面高度83.00m。高層辦公樓地上部分長50.2m，寬20.5m，建筑面積地上部分為28377m2，地下部分為 5700m2。

2結構布置

根據建筑平面布置（見圖1）結構體系采用框架－核心筒結構。其中核心筒部分采用現澆鋼筋混凝土筒體，外圍框架柱采用鋼筋混凝土柱，樓面梁采用普通梁，樓板采用現澆實心板。核心筒作為抵抗水平作用的主要構件，外圍框架柱主要承受豎向荷載。在筒體洞口的布置上，盡量使洞口遠離筒體角部，洞口間筒體墻肢均勻分布。框架柱考慮到剪力滯后效應的影響，加大角柱的截面和配筋。

圖1 平面布置圖

工程結構安全等級為二級，設計使用年限50年，抗震設防類別為標準設防類（丙類），抗震設防烈度7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g。場地類別為Ⅳ類，特征周期0.90s，結構阻尼比取0.05。按現行抗震規范，框架抗震等級為二級，核心筒抗震等級為二級。按現行高層建筑混凝土結構技術規程，本工程為對風荷載比較敏感的的高層建筑且位于沿海地區，按規范取用100年重現期的基本風壓：W=0.60kN/m2，地面粗糙度B類，基本雪壓S=0.20kN/m2。根據建筑豎向布置，對于高層辦公樓和沿街商業，因其地下一層位于堆土場地中且主樓/沿街商業與獨立辦公間土體無法對主樓地下一層形成穩定有效約束，故結構上僅考慮主樓地下2層為地下室，主樓地下一層結構上按地上部分考慮；主體結構以基礎頂板作為上部嵌固部位。主樓基礎埋深從獨立辦公基礎底算起，為6.62m，滿足規范基礎埋深1/18房屋高度的要求。高層辦公樓為大底盤單塔結構，單塔與大底盤偏心距為底盤相應邊長的16.3%（X向），5.8%（Y向）；

3超限情況分析及相應的抗震措施。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（或層間位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（或層間位移）平均值的1.2倍，小于1.5倍，為平面扭轉不規則；二層平面，在入口大廳上方樓板開洞，開洞后樓板缺失，樓板局部不連續，平面不規則。二十層立面收進，收進尺寸與相鄰下一層之比為X向16.9%，Y向局部100%；二十一層處立面收進，收進尺寸與相鄰下一層之比為59.6%，豎向不規則。針對上述超限情況本工程采取了如下的抗震構造和計算措施：⑴對于大底盤單塔，加厚大底盤頂板至250mm，并雙層雙向配筋；加強大底盤及上一層豎向構件配筋，并嚴格控制軸壓比滿足規范要求，以提高豎向構件的延性。⑵ 對于扭轉不規則，采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法，計及扭轉影響，并控制樓層最大的彈性水平位移和層間位移的分別不大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.4倍。⑶ 對于二層樓板局部不連續，設計中本層（5.400）板厚取為150mm，上（9.900），下 （0.00）層板厚為150mm，250mm，采取符合樓板平面內實際剛度變化的彈性樓板計算模型，在樓板開大洞的部位附近設置能真實計算樓板平面內與平面外剛度的“彈性樓板”計算模式，真實反應出相應部位的內力結果，并加強樓板及相關梁配筋；對于樓板開洞形成的連層柱，設計加強連層柱的配筋率，連層柱抗震等級提高一級，嚴格控制柱軸壓比，并核對連層柱計算長度系數，合理確定連層柱的內力。⑷ 對于豎向構件局部收進引起的側向剛度不規則，考慮突變樓層相交豎向構件在上下一層范圍內配筋予以加強，故計算時人為規定十九，二十，二十一層為薄弱層，對薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數，對豎向構件配筋予以加強以提高柱延性，并嚴格控制柱軸壓比小于規范限值；另加厚二十，二十一層樓板厚度，取為150mm，并加強樓板的配筋，以增強結構抗剪承載力，提高整體剛度，確保水平力的有效傳遞。

4結構分析。

結構分析的主要結果匯總及比較

4.1 計算軟件。本工程結構的整體計算采用SATWE與PMSAP2008年10月版程序。

4.2 主要計算參數。抗震設防烈度為7度，場地類型為Ⅳ類，采用上海地區反應譜。采用彈性樓板假設進行整體分析，以考慮樓板剛度變化較大對水平力分配的影響.彈性時程分析取地面運動最大加速度為35cm/s2，選用三種地震波，其中一條人工波（上海人工波SHW2），另選取Ⅳ類場地,特征周期0.90s的兩條實際波。

4.3 反應譜法主要計算結果。(1)計算得到的前3階模態的振動周期結果列于表1，兩個程序計算得到的第1階模態均為X向平動，扭轉模態為第3階。從表中可見，扭轉周期比滿足要求，有效質量系數滿足要求。

表1 反應譜法振動周期

(2)反應譜法計算得到的結構最大響應位移結果見表2，分析表明，層間位移角及位移比均滿足要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內，且滿足最小地震作用的要求。

表2 反應譜法結構最大響應位移

(3)地震作用下結構的層剪力沿豎向的分布情況，結構的層剪力沿豎向分布無明顯突變，滿足規范要求。

4.4 彈性分析主要計算結果。彈性動力時程分析的層剪力沿豎向的分布情況，以上的計算結果表明，三種地震波彈性動力時程分析所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法的計算結果的80%，最小值大于振型分解反應譜法的計算結果的65%，可以滿足規范要求。通過以上計算與分析，可以看出本工程第一，第二振型均為平動，扭轉為主的振型為第三振型，扭轉周期比滿足規范要求；層間位移角、位移比也均滿足要求，地震作用下的剪重比也在正常范圍，滿足最小地震力要求；彈性動力時程分析的結果滿足規范要求。采用兩種程序計算的結果相差不大，總體上保持一致，雖然數值上有一定的微小差異，均在規范規定的合理范圍之內。

結束語

綜上所述，通過對體型不規則的超限高層框架核心筒結構進行計算分析，采用了彈性動力時程分析方法進行驗證，分析結果表明本工程雖然為體型不規則的超限高層建筑，但由于在結構設計中采取了較為合理結構布置，并對結構的薄弱部位采取了有效的加強措施，減小了體型不規則對整體抗震性能的不利影響，結構具有較好的抗震性能，計算結果滿足現行規范和規程的要求。

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