高層鋼筋混凝土框架——核心筒結構實例分析

李玉春 喬一龍 李曉男 劉 梅 劉永川 翟祝賀 羅 娜

1河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）2蓬萊市建設工程事務服務中心（265600）

0 引言

框架-核心筒是近年來多高層建筑中廣泛應用的一種結構體系，是由剪力墻圍成的核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結構，是框架-剪力墻的一種特殊形式。根據建筑功能可布置為單筒、雙筒或者 多筒，一般在核心筒處布置樓梯間、電梯間、豎向設備管井及公用 服務房間，周邊柱距較大，方便建筑靈活布置，通過框架外挑又可 以形成豐富的立面效果。對結構而言框架具有承受豎向荷載能力強、截面尺寸小等優點，但存在著抗側剛度小的缺點；而剪力墻筒體具 有具有較大的抗側剛度和較好的抗剪能力，此體系充分利用了二者各自的優點。因此在工程中應用較廣。

1 工程概況介紹

升龍國際中心C區8號樓是一棟高層建筑，位于鄭州市二七區大學路政通路交叉口東北角，為升龍集團尚錦地產開發的高層寫字樓。配合建筑使用功能，本工程采用框架-核心筒結構體系。地下1層車庫，地上29層，其中1~4層為商業，5~29層為辦公區。商業層高5.0 m，標準層層高為3.15 m，結構總高99.5 m。建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g，設計地震分組為第一組，場地類別為II類，基本風壓為0.5 kN/m2。該結構框架和核心筒的抗震等級為2級。地下室連為整體，建筑嵌固端設在地下室頂板。標準層結 構布置方案如圖1所示[1]。

2 框架-核心筒結構特點

框架-核心筒結構是一種雙重抗側力體系。其框架和剪力墻筒體兩種受力和變形能力不同的超靜定抗側力構件組成，每種構件都具有一定的剛度和承載力，可以承受一定的水平荷載，通過樓板連接而協同工作，共同抵抗外力。在水平荷載作用下，框架呈剪切型變形，剪力墻則呈彎曲型變形。在樓板水平剛度足夠大時，使兩者變形協調，整體結構呈現彎剪型變形，變形曲線如圖2所示。

圖1 8號樓標準層結構平面布置圖

圖2 框架-核心筒結構變形曲線

在下部樓層，剪力墻位移較小，它拉著框架按照彎曲型變形變形，剪力墻承受大部分水平力；上部樓層則相反，剪力墻位移越來越大，有外倒的趨勢，而框架則呈內收的趨勢，框架拉著剪力墻按照剪切型曲線變形，框架除了負擔荷載產生水平力外，還額外負擔了把剪力墻拉回來的附加水平力。在結構上部，剪力墻可能會出現負剪力。框架部分承擔的層剪力一般在底層最大，往上逐漸增大，然后再逐漸減小。

3 結構方案布置

結構平面布置如圖1所示。標準層X向51 m，Y向40 m。核心筒X向19 m，Y向12 m。通過合理布置核心筒墻體，分為兩個小筒，通過強連梁連接。筒體外墻在底層厚度為400 mm，往上逐漸遞至頂層300 mm；筒體內墻由300 mm遞減為250 mm厚；電梯井隔墻200 mm厚。控制柱跨在11 m以內，X向6排柱，Y向4排柱。框架柱截面底層1 300 mm×1 300 mm，往上逐漸遞減至頂層900 mm×900 mm。底層墻柱混凝土等級C55，往上逐漸遞減至C30。工程設計中墻體厚度與框架柱截面選擇及變化應根據計算結果控制，需滿足周期、位移、剛度、軸壓比等多項指標的要求，同時應滿足建筑使用功能的要求。對于高層建筑，尤其是超高層，為了保證結構整體剛度均勻變化，滿足軸壓比 的前提下建議同一種豎向構件截面尺寸持續3層以上，避免墻柱截 面同時改變，且與混凝土等級的變化錯開。考慮走廊凈高要求，與筒體外墻平面外相連框架梁650 mm×650 mm，搭接處增加墻厚，設置暗柱，按框架柱通過計算確定其配筋。周圈框架梁截面為700 mm×750 mm，需要注意的是，由于筒體剛度較大，框架-核心筒結構周圈邊框梁截面不宜過小，否則結構周圈剛度不足，不易控制結構的扭轉效應。

4 結構整體計算結果及分析

本工程8號樓的計算分析采用SATWE空間有限元分析與設計軟件，地震作用采用考慮扭轉藕聯振動影響的振型分解反應譜法進行計算分析。

4.1 結構的周期、振型及周期比

結構的周期、陣型及周期比的計算結果見表1，圖3為結構前3個陣型的空間陣型圖。周期比是控制結構扭轉效應的一個重要指標，其控制的是側向剛度與扭轉剛度的相對關系，其目的是使抗側 力構件的平面布置更為合理，讓結構不出現較大的扭轉效應，A級高度高層建筑的第一扭轉自振周期T與第一平動自振周期T之比，不應大于0.9。本工程結構陣型較為純粹，周期比0.877，滿足規范要求。

表1 振動周期、X，Y方向的平動系數、扭轉系數

圖3 8號樓前3振型空間振動簡圖

4.2 位移比及層間位移角

表2 為結構在規定水平力作用下的樓層位移及位移角的計算結果。位移角是構件截面大小、剛度的一個相對指標，在正常使用條 件下，保證主體結構基本處于彈性受力狀態，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。對于框架-核心筒結構，規范規定限制為1/800。而位移比基于剛性樓板假定，主要目的為控制結構的扭轉變形要小于平動變形，避免結構在地震作用下因扭轉而破壞。《高規》中規定A級高度的建筑在考慮偶然偏心影響的規定水平力作用下，樓層豎向構件的最大位移和層間位移不宜大于該樓層平均位移的1.2倍，不應大于平均位移的1.5倍。由表2可以看出，本工程的位移比和層間位移角均能滿足規范要求，并且沒有發生突變。在實際工程中，核心筒寬度與結構總高的比值不應小于1/12，合理的布置內筒墻體，保證足夠的外墻厚度與邊框柱尺寸，則基本能使結構滿足位移比與層間位移角的要求[2]。

表2 位移及位移比計算結果

4.3 樓層受剪承載力之比與樓層側向剛度之比

受剪承載力之比與側向剛度之比是控制結構豎向不規則的重要指標，設計中應使下部樓層的剛度大于上部樓層，避免變形集中于剛度較小的下部軟弱層。規范規定下側樓層側向剛度不應小于上部相鄰樓層的70%，或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。剛度突變使地震作用下結構樓層剪力突變，形成薄弱層破壞。故規范規定A級高度建筑的樓層層間抗剪承載力不宜小于上層的80%，不應小于上層的65%。本工程層高變化均勻，平面布置在標準層范圍內沒有大的變化，墻厚和框柱截面交替均勻變化。但5層商業層高較大，且帶有局部裙房，由此判斷剛度在裙房屋面發生突變。經過粗算，第5層X、Y向抗剪承載力之比分別為0.75和0.77。通過調整上下層連梁高度，使最終計算結果為0.81和0.83，滿足規范要求。

4.4 剛重比和剪重比

對于高層建筑，其在豎向重力荷載作用下產生整體失穩的可能性 較小。高層建筑的穩定設計主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應即P-△效應不能過大，以免引起結構的失 穩倒塌。而結構的剛度和重力荷載之比即剛重比是影響重力P-△效應的主要參數，若結構的剛重比能滿足高規中1.4的要求，在重力P-△效應可控制在20%以內，結構穩定具有適宜的安全儲備，若進 一步減小，則重力P-△效應將成非線性增長，直至引起結構的整體失穩。本工程的剛重比:X向為2.8，Y向為2.9，均大于1.4且大于2.7，可以通過整體穩定驗算，不需考慮重力二階效應。

剪重比為地震作用與重力荷載代表值的比值。主要為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結構的安全。剪重比是規范考慮長周期結構用振型分解反應譜法和底部剪力法計算時，因地震影響系數取值可能偏低，相應計算的地震作用也偏低，因此出于安全考慮,規范規定了樓層水平地震剪力的最小值。若樓層水平地震剪力小于規范對剪重比的要求，水平地震剪力的取值應進行調整，《抗規》第5.2.5、《高規》4.3.12條明確要求了樓層剪重比。剪重比若不滿足規范要求，說明結構的剛度相對于水平地震剪力過小；但剪重比過分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當調整墻、柱等豎向構件的截面面積。規范規定本工程最小剪重為2.4%，剪重比及地震剪力調整情況見表3。

表3 剪重比調整情況

4.5 框架地震剪力調整和抗傾覆力矩

為了保證結構形成雙重抗側力體系，抗震設計時，框架承擔的層 剪力至少為基底總剪力的20%，或者框架的計算層間剪力的1.5倍（取二者較小值）。當不能滿足此要求時，應在剪力墻的內力不做調整的同時，按照要求的比例調整增大框架的內力。對框架-核心筒結構，應控制框架部分分配的樓層地震剪力標準值的最大值不宜小于結構底部總剪力標準值的10%，否則應按《高規》9.1.11條進行相應的調整。本工程20%底部剪力:X向為4 291 kN，Y向為4291 kN。1.5倍層間剪力最大值:X向為10 798 kN，Y向為8 409 kN。0.2V0調整系數如圖4、5所示。

地震作用下，核心筒作為結構第一道防線，承擔了大部分水平地震作用，框架作為第二道防線僅承擔豎向荷載和小部分水平地震作用。形成多道抗震設防，形成一種安全可靠的抗震結構體系。現實工程中，建議合理選擇核心筒的寬度、墻體布置、外墻厚度和框架柱截面，盡量保證框架部分承擔抗傾覆力矩占總地震傾覆力矩的10%~50%。如不能滿足此要求，請參照《高規》8.1.3條，采取相應的設計方法[3]。

圖4 框架地震剪力調整系數-X向

圖5 框架地震剪力調整系數-X向

5 抗震構造措施

本工程對采取的加強措施和設計中遇到的一些問題列舉如下:

5.1 核心筒

筒體底部加強區的墻體配筋率提高為0.3%。角部墻體約束構件長度為墻肢截面高度的1/4，約束邊緣構件應主要采取箍筋，在底部加強區以上部位也應按照剪力墻相關要求設置約束邊緣構件。計算和構造均應滿足筒中筒結構的相關要求。箍筋直徑最小10 mm，箍筋間距最大100 mm，建議設置交叉暗撐。

5.2 框架柱、梁

由于標準層層高較低，框架柱均為短柱，箍筋沿全高加密。對角柱應按雙向彎曲計算其配筋。與剪力墻重合的框架梁可保留，也可做成與墻同寬的暗梁，高度為2倍墻厚或與相連框架梁等高，按構造布置連梁配筋。由于柱距較大，對大跨的次梁尚應進行撓度和裂縫驗算。

5.3 樓板

核心筒內由于樓板開洞較多，板厚至少取120 mm，雙層雙向配筋。核心筒外側走廊板厚也應適當加強，以保證水平力的有效傳遞。考慮樓板的翹曲的不利影響，避免樓板角部產生裂縫，框架-核心筒角 部宜設置雙層雙向鋼筋，配筋率單層單向不于0.3%，鋼筋直徑不應小與8 mm，間距不應小于150 mm，配筋范圍不宜小于外框架至內筒外墻中距的1/3和3 m。框架核心筒結構多為大開間辦公室或者公寓，樓板跨度一般較大，對跨度超過4.4 m的樓板板厚不宜小于120 mm，采取雙層雙向配筋。

5.4 薄弱環節設計

①裙房頂層樓板板厚最小為120 mm，雙層雙向配筋；對屋面上層 和下層樓板均采取加強措施；②墻柱截面和混凝土等級在6層以下不做改變，在標準層應交替變化，保證豎向構件在層高范圍內的平 穩過渡；③對超過2 m的長懸挑梁考慮豎向地震，并配置抗扭腰筋；④配合幕墻安裝需要盡量做封邊梁或者挑板，不做下掛板，保證邊梁寬度和挑板厚度不小于200 mm；⑤對屋頂造型應重點考慮風荷載作用。

6 結論

框架-核心筒結構體系中，框架承擔的剪力和傾覆彎矩都較小，在抗震設計中，外框架承擔的內息需按照規范進行調整，達到一定的比例，才能成為雙重抗側力體系，達到多道抗震防線的設計要求。鋼筋混凝土墻體是結構體系的主要抗側力構件，應重視核心筒的抗震性能，加強核心筒的承載力和延性，保證多道抗震設防體系的有效發揮。