關(guān)于巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑

李貌

（深圳市佳遠(yuǎn)集團(tuán)有限公司 廣東深圳 518034）

1 引言

對(duì)于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)而言，它既可以充分發(fā)揮型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性、穩(wěn)定性以及防火性，同時(shí)在抗側(cè)性方面也有著一定的優(yōu)勢(shì)。該結(jié)構(gòu)在使用功能方面較為靈活，次結(jié)構(gòu)傳力相對(duì)明確，因而在超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷深化，超高層建筑的數(shù)量與規(guī)模急劇增加，做好該結(jié)構(gòu)的研究有著極其重要的意義。

2 概述

2.1 巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的研究

一方面，由于該結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，因而在國(guó)內(nèi)以及一些亞洲國(guó)家發(fā)展的較為迅速，并且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，由于鋼框架有著輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)勢(shì)，并且鋼筋混凝土核心筒在抗壓能力與防火性能方面較為優(yōu)越，兩者有機(jī)結(jié)合的方式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。另一方面，對(duì)于鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)而言，其剛度較大，但是在強(qiáng)度方面存在著一定的缺陷；對(duì)于巨柱框架結(jié)構(gòu)而言，其性質(zhì)正好相反，其在抗震性能方面存在著一定的欠缺。設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，如果一味的增大建筑構(gòu)件的截面尺寸，不僅會(huì)造成使用空間的浪費(fèi)，收效甚微，另外在經(jīng)濟(jì)性方面也存在一定的不足。但是，對(duì)于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)而言，其利用巨型鋼框架以及巨型支撐、伸臂桁架、核心筒等結(jié)構(gòu)形式，可以有效提升建筑的抗震性能。

2.2 抗側(cè)性分析

隨著超高層建筑高度的不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度將會(huì)急劇下降，設(shè)計(jì)過(guò)程中如果一味地增大構(gòu)件截面尺寸，不符合經(jīng)濟(jì)性要求。為了有效提升巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，提升超高層建筑的抗震性能，可以采取以下幾點(diǎn)措施進(jìn)行改善：①適當(dāng)增大結(jié)構(gòu)中巨型梁以及伸臂構(gòu)件的尺寸，但是這樣一來(lái)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度過(guò)于集中，因而不利于結(jié)構(gòu)抗震；②適當(dāng)加大巨型梁以及伸臂的道數(shù)，但是這一做法可能受到建筑、設(shè)備等因素的制約；③設(shè)計(jì)過(guò)程中可以將巨型梁或伸臂的高度擴(kuò)大一層；④在結(jié)構(gòu)外框架上設(shè)計(jì)相應(yīng)的巨型支撐。

2.3 結(jié)構(gòu)研究存在的不足

2.3.1 規(guī)范執(zhí)行過(guò)程中存在問(wèn)題

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中多道防線的思想，對(duì)于建筑外框剪力分擔(dān)系數(shù)進(jìn)行了明確的說(shuō)明，對(duì)于筒體結(jié)構(gòu)而言，該系數(shù)的限值為10%。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中，也對(duì)于這一系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。但是，在進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)工作時(shí)，大多數(shù)的巨型-框架核心筒結(jié)構(gòu)不能達(dá)到規(guī)范的要求。甚至在一些工程實(shí)例中，框架結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的地震剪力僅僅是結(jié)構(gòu)總體剪力的5%左右，相比于規(guī)范中的要求存在著明顯的差距。在進(jìn)行超高層建筑的抗震審查工作時(shí)，審查專(zhuān)家將會(huì)對(duì)控制指標(biāo)提出更為嚴(yán)格的要求，甚至一些系數(shù)要求比規(guī)范條文中的嚴(yán)格。為了可以達(dá)到這一要求，建筑中的構(gòu)件截面尺寸將會(huì)不斷的提升。這不僅會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的合理性造成影響，同時(shí)也需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）中，明確規(guī)定巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，核心筒應(yīng)承擔(dān)全部地震剪力，同時(shí)巨柱承擔(dān)的地震剪力取不小于框架按剛度分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的3倍。

2.3.2 對(duì)于雙重防線概念的認(rèn)識(shí)不足

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，我國(guó)對(duì)于結(jié)構(gòu)性能的要求定的較高，尤其對(duì)于超限高層建筑，甚至一些要求很難得到貫徹。這樣一來(lái)，就導(dǎo)致對(duì)于雙重抗震體系抗震效果的認(rèn)識(shí)存在一定的缺陷。一方面，存在一部分的建筑結(jié)構(gòu)，其能夠在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及彈塑性分析工作中保持不錯(cuò)的彈性，但是如果以此為依據(jù)斷定建筑結(jié)構(gòu)有著良好的抗震性能，那么相關(guān)結(jié)論不夠科學(xué)。另一方面，對(duì)于一些混合結(jié)構(gòu)而言，在進(jìn)行試驗(yàn)與結(jié)果分析時(shí)，可以得到大震條件下核心筒損傷破壞、外框柱卻不發(fā)生損壞的現(xiàn)象。由此斷定外框設(shè)計(jì)的太弱或者是太強(qiáng)也不具科學(xué)性。對(duì)于雙重防線而言，要將抗震安全作為基本的目標(biāo)，并且還要兼顧到經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面的要求，過(guò)于追求安全系數(shù)是缺乏科學(xué)性的。現(xiàn)階段，普遍認(rèn)為雙重防線破壞的合理模式應(yīng)該是小地震作用下，超高層建筑可以憑借核心筒（第一道防線）來(lái)發(fā)揮抗震的作用；中大震作用下，可以允許核心筒受到一定程度的破壞，但是隨著破壞程度的加劇外框柱的能力要得到充分的發(fā)揮。此外，還要保證外框自身具備較強(qiáng)的延性與承載能力，并且還要確保在后續(xù)的地震過(guò)程中不出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞問(wèn)題。

3 關(guān)于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑的研究

3.1 計(jì)算模型的建立

通過(guò)參照相應(yīng)的工程實(shí)例，模型建立過(guò)程中創(chuàng)建了一個(gè)85層的巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)，并將其作為初始模型A。具體數(shù)據(jù)方面，這一模型的層高為4m，總體高度達(dá)到了340m。在平面尺寸方面，設(shè)置為41.6m×41.6m。在建筑中的第17、34以及51、68、85層，都相應(yīng)的設(shè)置了一道巨型梁以及伸臂桁架，并且兩者結(jié)合共同構(gòu)成了加強(qiáng)層，其中建筑的平面布置如圖1所示，建筑主要構(gòu)件的截面尺寸打下如表1所示。模型建立過(guò)程中，將巨柱與次柱設(shè)定為型鋼混凝土。其中巨柱的含鋼率達(dá)到了9～10%，次柱的含鋼率達(dá)到了5～6%。另外，該模型中連梁的高度是700mm，柱、墻結(jié)構(gòu)所用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)是C60。模型中，樓板的厚度為150mm，所用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是C35。此外，模型中所有的鋼材都選用Q345。

圖1 建筑模型A的第17層平面和三維示意圖

另外，在模型A的基礎(chǔ)進(jìn)行了相應(yīng)的變化，其中模型B是將1層高的巨型梁變換成兩個(gè)樓層，模型C是將1層高的伸臂桁架結(jié)構(gòu)變化成跨越兩個(gè)樓層，模型D是在巨型框架上設(shè)置相應(yīng)的巨型支撐。這一過(guò)程中，假定抗震設(shè)防烈度是Ⅷ度，建筑場(chǎng)地是Ⅲ類(lèi)。

3.2 模型分析

模型A到D的不同振型周期見(jiàn)下表2所示，其中，該結(jié)構(gòu)在平面布置方面采用X、Y方向?qū)ΨQ的形式。因而在振型方面1與2的周期具有一致性。此外，通過(guò)進(jìn)行跨越兩個(gè)樓層的巨型梁設(shè)置，可以有效的降低結(jié)構(gòu)的平動(dòng)周期。通過(guò)對(duì)B、C模型的周期進(jìn)行對(duì)比，可以得出伸臂的雙層設(shè)置對(duì)于結(jié)構(gòu)周期變化有著較大的影響。從模型D的周期能夠看出，通過(guò)加設(shè)巨型支撐的方式可以提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。

表1 建筑主要構(gòu)件的截面尺寸（mm）

表2 模型A～D前6階周期對(duì)比（s）

3.3 結(jié)構(gòu)側(cè)移分析

研究過(guò)程中，主要以水平地震作用為主進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的分析。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)水平地震作用進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)模型A～D不同樓層的位移以及最大層間位移角進(jìn)行計(jì)算，并且把巨型梁以及伸臂桁架的層數(shù)增加1層，都可以看出不同建筑結(jié)構(gòu)的頂層側(cè)移以及最大層間側(cè)移角出現(xiàn)了不同程度的降低。需要注意的是，通過(guò)增加伸臂高度的方式能夠獲得更為顯著的效果。這就表明，巨型框架結(jié)構(gòu)能夠有效的提升建筑整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。因而，如果實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)了超限的問(wèn)題，那么可以通過(guò)設(shè)置雙層巨型梁或者是伸臂的方式來(lái)提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，同時(shí)也可以通過(guò)增設(shè)巨型支撐的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 樓層側(cè)向剛度比分析

在進(jìn)行超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要確保樓層的側(cè)向剛度超過(guò)相鄰的上部樓層側(cè)向剛度，并且在數(shù)值方面要達(dá)到70%左右。如果存在加強(qiáng)層，那么結(jié)構(gòu)的剛度將會(huì)發(fā)生明顯的突變，進(jìn)而導(dǎo)致薄弱層的形成。通過(guò)對(duì)樓層側(cè)向剛度比數(shù)據(jù)的計(jì)算，能夠更加直觀的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度突變的部位。對(duì)于因設(shè)置加強(qiáng)層而形成的剛度突變樓層位置，可做進(jìn)一步中、大震抗震性能分析，提高相應(yīng)抗震措施，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定及承載能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于巨型-框架核心筒結(jié)構(gòu)在抗側(cè)行、抗震性以及經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性方面有著突出的優(yōu)勢(shì)，因而在目前國(guó)內(nèi)的超高層建筑設(shè)計(jì)工作中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著超高層建筑高度的不斷提升，該結(jié)構(gòu)形式在整體抗側(cè)剛度方面也會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題。因而，要通過(guò)合理改善巨型梁或伸臂桁架等方式，提升建筑的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)安全。