建筑框架核心筒結構設計的分析

王曉君

摘要：本文結合某寫字樓工程實例，論述了某高層建筑框架-核心筒結構設計方案的構思，并按照相關規范，從鋼管混凝土柱梁節點設計、剪力墻平面外對梁端嵌固作用分析、核心筒外墻的連梁設計等方面，對建筑結構設計進行了詳細分析，可供同類工程參考！

關鍵詞：寫字樓;框架結構;核心筒結構;結構設計

一、工程基本情況

某寫字樓建筑位于浙江地區，由1棟26層高層建筑、3層商業附樓以及2層地下室構成，工程占地面積為13800m2，總建筑面積45146m2，建筑高度為78.60m。

二、高層建筑結構設計的構思

1結構類型的選擇

該項目采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，其結構承載力及變形抗力都不強，可以通過減少結構剛性抗側力構件的轉換，來提升建筑立面效果和使用的要求。對于建筑一層層高8m、結構超限和柱截面收縮等問題，在建筑下層運用鋼管混凝土組合柱，在建筑樓蓋運用現澆鋼筋混凝土梁板體系結構。

在進行結構承載力與水平位移計算過程中，該項目基本風壓都選取為0.65kN/m2。因為結構側向位移沒有滿足限值的要求，在該項目第23層中設立了結構加固層，采用了鋼筋混凝土桁架;但是結構加固層一方面能夠提升結構的抗側移強度，另一方面會造成結構豎向強度發生變化，因此結構加固層和相隔層要按照《高規》來進行合理的加固。

2超限措施

該項目結構的平面形狀規則、承載力及剛度均勻分布，垂直形狀也是如此;結構的抗側力構件上下連續連接。除了結構高度超過適用限值外，其他的指標調整后都沒有超過限值。

因為該項目結構設計超限，一層層高8.0m;設計過程中處理超限時的措施主要集中在一層和其下層結構抗側力構件：1-12層框架柱采用鋼管混凝土組合柱加固，1-2層核心筒剪力墻采用四角附加鋼暗柱，一層抗震等級提高一級。鋼管混凝土具有良好的承載力和變形能力，但其防腐防火材料不僅價格高，而且對時間有時限要求，為了解決這個問題該項目采用鋼管混凝土疊合柱及鋼管混凝土組合柱。為解決一層高度較大的剪力墻端部應力集中問題，在核心筒剪力墻四角增設鋼暗柱，從而提高剪力墻的承載力以及抗變形能力。

三、鋼管混凝土組合柱的梁柱節點設計

在大部分建筑項目中，鋼管混凝土通常只被應用于框架柱中，對于框架梁通常是選擇鋼筋混凝土結構，這使得兩種混凝土結構如何進行有效連接成為了工程建設的一項關鍵內容。現階段使用較多的連接點方式包括雙梁法、鋼牛腿法、環梁法、純鋼筋混凝土節點法等多種形式，本工程所使用的連接節點類型是在鋼管上設置相應的開穿鋼筋小孔，從而為連接節點提供更多設計結構。

1鋼管開小孔的連接節點設置

在鋼管上設置開穿鋼筋小孔的過程為：

1.1先在鋼管上開設小孔結構：設置小孔直徑D=鋼筋直徑+10mm，同時設置小孔的水平間距×D，垂直間距是2×D。

1.2為鋼管設置水平加強環：分別在梁底面與梁頂面上設置一道環板，在寬度設置方面，對于鋼管混凝土柱應選擇0.10倍的鋼管直徑，對于鋼管混凝土疊合柱應設置70～100mm;設定環板的厚度為0.5t，要求達到16mm以上，其中t是鋼管壁厚。

1.3為鋼管的豎向增加短勁肋，與水平方向的加強環形成緊密貼合狀態，肋寬的數值是環板寬-15mm，同時設定肋厚與環厚一致，長200mm，將其布置于梁開孔兩側與中間區域。

1.4選擇HRB400級的大直徑鋼筋作為梁鋼筋，達到降低鋼管開孔數的目的。構建鋼管混凝土疊合柱的過程中，有一些梁鋼筋會穿過鋼筋混凝土柱所在的區域。

2鋼管開小孔的連接節點優勢

2.1當鋼管完成開小孔后，不會明顯減小鋼管的截面，當梁鋼筋從小孔穿過之后只剩下非常小的縫隙，不會降低管芯受到鋼管混凝土的約束力，因此不會改變鋼管混凝土柱的抗變形與承載力。

2.2當梁鋼筋從鋼管穿過之后，梁可以實現內力的可靠傳遞，并使梁長范圍內保持一個恒定的剛度，從理論上分析得到的結構受力情況和實際測試結果一致。

2.3通過設置水平加強環及進行豎向短加勁肋補強處理后，鋼管將在節點區形成連續分布狀態，不會對節點剛性造成影響，實現“強節點弱構件”的性能要求。

2.4便于完成現場施工，即使采用圓弧梁鋼筋也能夠順利完成穿過。

2.5用于節點補強的材料明顯少于鋼牛腿法與鋼管開大洞方法，從而獲得更低的造價。為了研究鋼管的開小孔過程，我國進行了比例為1：5的總共包含九個試件的四組模型測試，同時采用多個工程實踐對上述方法可行性與可靠性進行了驗證。

四、剪力墻平面外對梁端嵌固作用的分析

1對于框架-核心筒結構，應在剪力墻的平面外方向支撐一些框架梁。目前，關于平面外剪力墻至梁端的預埋作用空間的研究文獻較少，而且不涉及設計標準和規范。影響梁端剪力墻嵌固效果的主要因素是梁端預埋效果的有效長度、墻線的風度與梁的剛度之比、墻在樓層上的軸向壓力等;雖然目前常用的計算分析軟件有功能面外剛度分析的功能，它不考慮墻平面外嵌入對梁端的影響的有效長度。如果遇到長墻肢或筒子體墻肢空間風度很大的時候，計算分析軟件高估了平面外墻對梁端的嵌入效果，使梁端負彎矩計算值大于實際值。

2該項目運用在梁端加水平腋的方法，直接增加了平面外墻對梁端嵌入效果的有效長度。

3為了提高平面外梁端嵌固的局部剛度，該項目運用加墻框架梁的方法。墻側框架梁的截面寬度應不小于梁縱向鋼筋長度的0.4倍，墻側框架梁的截面高度應大于樓面截面高度。為了保證梁端部的剪力通過墻邊框架梁均勻傳遞到墻體上，墻側框架梁應在墻厚外寬度處以斜角過渡。

為了保證梁正截面的設計對實際受力的調節，可采用“調幅再調幅”的方法計算梁端的彎矩;就是在梁端設置負彎矩的調幅系數后進行計算。在梁的分析計算中，可以在局部人工計算調幅配筋時進行。在使用“調幅再調幅M”時，應考慮構件的剛度、內力重分布的充分性、裂縫情況和變形要求。

五、核心筒外墻的連梁設計

計算核心筒外壁連接梁的縱向配筋是非常常見的?！陡咭帯穼B梁縱筋有特殊的處理措施，研究文獻較多。但計算模型的選擇也是一個重要因素。

《高規》提出，對于跨高比在5以內的連梁屬于深彎梁與深梁類型;計算該梁的正截面承載力時，不可以根據桿系進行分析，已經超出了平面假定的范圍，但實際上還有很多分析軟件將其作為連梁按桿系進行分析，從而產生很大的計算偏差。

根據“強剪弱彎”以及“強墻弱梁”的原則來設計連梁結構時，雖然在《高規》中沒有對連梁設計提出明顯要求，而這種“弱”應達到怎樣的程度，受到設計者經驗與理解能力的顯著影響。

根據《高規》的要求來設計本工程的核心筒外墻連梁，處理連梁以外都配置了相應的交叉暗撐結構，同時進一步加強了剪力墻邊緣構件，從而更好地適應“強墻弱梁”與“多道抗震防線”的要求。

六、結語

1鋼管混凝土柱與鋼管混凝土疊合柱

疊合柱具備優異的承載性能與變形性能，同時還能夠有效彌補鋼管混凝土柱缺乏良好的防腐性能缺陷以及克服了防火材料需要較高造價的問題。

2根據構造要求為鋼管設置鋼筋小孔，在盡量減小鋼管截面損傷程度的前提下可以使梁鋼筋順利穿過鋼管，將梁內力高效傳遞至豎向短加勁肋與水平加強環上，提高了節點的剛度。同時還能夠減少梁柱節點的鋼材用量，便于開展施工。

3影響染端嵌固作用的因素：梁線剛度和墻線剛度的比值、梁端嵌固有效長度、軸壓力等。為了提升梁端嵌固效果，可選擇梁端水平加腋以及拓展墻邊框梁的方法。

4連梁是一種深梁類型，計算其正截面的承載力時，不可以按照桿系的模型進行計算。