基于連接形式的超高層框架-核心筒結構的抗震性能分析

楊嘉琪，雷 浩（中建東孚投資發展有限公司，上海 200122）

近年來，高層建筑以其高效的土地利用率以及新穎的外觀得到了廣泛的應用。與此同時，為了控制地震作用下高層建筑的側移，帶加強層的框架-核心筒結構應運而生，并已廣泛應用于實際工程中。但加強層的設置使結構沿高度產生剛度突變，在實際工程設計中，加強層與外圍框架柱的連接方式對結構體系的受力和變形性能的影響成為亟待解決的問題。

本文將結合東莞國際貿易中心的工程實際，對框架-核心筒結構中伸臂在地震作用下的連接形式進行技術性、經濟性比較，分析和探討各連接形式的優缺點。

1 工程概況

本工程位于廣東省東莞市，為東莞國貿中心，塔樓部分地上 88 層，地下4層，地面以上結構總高度 387m，平面尺寸 50m×50m，高寬比約 7.9。建筑功能主要為辦公，頂部觀光裝飾部分周邊有幕墻結構包裹。大樓預計使用人數超過 8000 人，按設防分類標準，本工程屬于重點設防類建筑。該工程采用雙重抗側體系抵抗水平荷載，它們分別由鋼筋混凝土核心筒（上部是鋼筋混凝土核心筒，下部是型鋼混凝土核心筒）和型鋼混凝土柱，以及伸臂桁架及腰桁架組成。本工程處于6度抗震設防烈度區，同時按7度采取抗震構造措施。

核心筒采用現澆鋼筋混凝土： C 60 高強混凝土可在達到同樣強度的同時，減少結構占用面積，內墻通高壁厚 400 mm 。該工程采用橫向人字形伸臂，橫向人字形伸臂桁架設于 33～34 層、63 ～ 64 層，每道8榀伸臂穿過兩個樓層，布置在平面角部，高度均為 9.47m，環帶桁架設于 33 ～ 34層、63 ～ 64 層。

2 模型方案及對比分析

根據結構模型，通過設置伸臂與外框柱不同的連接形式和不同的伸臂截面類型，對其進行6度反應譜地震作用下的多個模型方案計算分析，得出各模型反應以探討結構性能。具體模型方案見表1。

表1 模型方案

2.1 伸臂的連接形式及布置對結構自振特性的影響

伸臂與外框柱的不同連接形式對結構整體的抗側剛度有直接影響，剛接的抗側剛度最強，半剛接其次，鉸接的抗側剛度最弱，這也體現在結構自振周期的變化上。

由表2 中(T1、T2、T3分別指第 1、第 2、第3階振型下結構整體的自振周期)所列數據可以看出，在伸臂與外框柱連接剛度逐漸增大的條件下，水平伸臂方案(方案 1～方案3)自振周期減小的程度明顯大于橫向人字形伸臂方案(方案4～方案 6)，也就是說水平伸臂方案對自振周期的影響相對更為敏感。此外，橫向人字形伸臂方案的周期明顯低于水平伸臂方案，這說明橫向人字形伸臂方案比水平伸臂方案對結構的剛度貢獻更大。

表2 結構振型信息

2.2 伸臂的截面及與外框柱的連接對單片抗側力構件彎矩的影響

在框架-核心筒結構中，結構設置伸臂和環帶以后，結構的傳力途徑在伸臂和環帶處發生變化，框架與核心筒間的彎矩分配得以改變。由于伸臂布置在核心筒的四個角處，因此，這里取與伸臂一端相連的1根框架柱 E1柱為例（即 E軸與1軸相交的柱）進行分析。剪力墻也取與該伸臂另一端相連的 W 65（圖1、圖2）行分析， X 向多遇地震作用下 E1柱和 W 65 的彎矩見圖1～圖3。

圖1 水平伸臂方案柱墻彎矩

圖2 橫向人字形伸臂方案柱墻彎矩

圖3 兩種伸臂方案剛接時柱墻彎矩

伸臂和環帶的設置引起單片抗側力構件的彎矩值在加強層及其附近樓層發生鋸齒形突變。水平伸臂的突變數量大于橫向人字形伸臂，這主要是因為水平伸臂設置在 32、34 層以及 62、64 層，這就使剛度的突變更加分散；而橫向人字形伸臂的剛度則集中在 33 層和 64 層，這就使剛度突變的樓層更加集中。兩種伸臂方案中，改變伸臂與外框柱的連接形式時，單片抗側力構件中框架柱彎矩的突變均要大于剪力墻彎矩的突變，這說明單片抗側力構件中框架柱彎矩的突變對伸臂與外框柱的連接形式更加敏感。水平伸臂方案和橫向人字形伸臂方案對 E1柱的彎矩突變程度影響相當。但對于與伸臂直接相連的單片剪力墻，橫向人字形伸臂方案引起的彎矩突變明顯大于水平伸臂方案。這表明，在單片抗側力構件中，側向剛度越大的伸臂方案會給單片剪力墻帶來更大的彎矩突變，這部分的剪力墻構件在抗震設計時也更應該被重視。

3 結 語

本文以實際工程為依托，對框架-核心筒結構中伸臂與外框柱的連接形式進行了深入分析，得出以下幾點結論。

(1) 關于伸臂的截面及與外框柱的連接對結構整體性能的影響：不論是水平伸臂還是橫向人字形伸臂，隨著伸臂與外框柱之間的連接剛度增大，結構的自振周期都有不同程度的減弱。在連接剛度逐漸增大的情況下，水平伸臂方案自振周期減小的程度明顯大于橫向人字形伸臂方案。

(2) 伸臂的截面及與外框柱的連接對地震作用下單片抗側力構件彎矩的影響：無論是水平伸臂方案還是橫向人字形伸臂方案，伸臂與外框柱的連接形式總體來說對單片抗側力構件的彎矩值影響較小。伸臂與外框柱的連接形式對水平伸臂方案單片抗側力構件的影響大于橫向人字形伸臂方案。兩種伸臂方案布置中，改變伸臂與外框柱的連接形式時，單片抗側力構件中框架柱彎矩的突變均要大于剪力墻彎矩的突變。在單片抗側力構件中，側向剛度越大的伸臂方案會給單片剪力墻帶來更大的彎矩突變，這部分的剪力墻構件在抗震設計時也更應該被重視。