南寧某高層研發辦公樓結構體系選型分析

□ 孫 昌 農文婷

1 工程概況

項目位于廣西壯族自治區南寧市高新區，建筑面積約26400m2，地上27層（不含屋頂設備房及構架層），地下2層，首層層高7.9m，2層層高4.6m，其余各層層高3.5m，建筑總高度約99.9m。典型的結構平面布置圖，如圖1所示。剪力墻結合建筑疏散樓梯、電梯井、設備管井等豎向空間集中在建筑中部區域，框架柱布置在建筑周邊形成開敞室內空間。從結構體系而言，該布置方式屬于規范中規定的框架—剪力墻結構還是框架—核心筒結構[1]，未有明確的規定，需要進一步分析與探討。由于選取的結構體系不同，相應的結構抗震等級、抗震措施、計算指標以及構件的配筋要求不同，因此對研發辦公樓項目的剪力墻集中布置在結構中部時的結構體系需要明確。

圖1 標準層結構平面布置圖

2 框架—剪力墻結構與框架—核心筒結構的特點

2.1 框架—剪力墻結構與框架—核心筒結構的定義

框架—剪力墻結構是由框架和剪力墻共同承受豎向和水平作用的結構。框架—核心筒結構是由核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結構。框架—核心筒是筒體結構形式中的其中一種[1]。

2.2 框架—剪力墻結構的受力特點

框架—剪力墻結構是由框架和剪力墻兩種不同的抗側力結構體系構成的受力形式，因此框架部分不同于純框架結構體系中的框架，剪力墻部分也不同于剪力墻結構體系中的剪力墻。在結構的中、下部樓層，剪力墻的水平側移較小，拉動框架部分按彎曲型的曲線變形，剪力墻承受大部分的水平力，上部樓層則相反，剪力墻水平側移越來越大，有向外傾的趨勢，而框架則有向內收的趨勢，框架拉著剪力墻按剪切型的曲線變。如圖2所示。框架除了承擔外荷載產生的水平力外，還承擔了把剪力墻拉回來的附加水平力。在結構的上部樓層，即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架部分也會出現較大的水平剪力[2]。

圖2 框架—剪力墻結構的側移變形曲線

2.3 框架—核心筒結構的受力特點

框架—核心筒結構在水平作用下的變形特征與框架—剪力墻結構一致，呈彎曲—剪切型變化。不同之處在于核心筒剪力墻圍合而成的筒體在水平力作用下必須保證空間整體截面協同工作，即筒體腹板截面上的軸力分布基本上是符合平截面變化規律的。如圖3所示。

圖3 核心筒的受力狀態

3 研發辦公樓結構體系選型

結合文獻及電算結果從以下方面對研發辦公樓的結構體系綜合判別如下：

（1）建筑平面布局。建筑平面外部為框架，柱距8m～9m，由于外圍框架與內部筒體之間跨度較大，增設了一排內柱；中部核心筒較完整，核心筒沿Y向偏心布置。從平面布置形式看符合框架—核心筒結構的平面布置要求。

（2）核心筒的平面尺寸。核心筒的平面長、寬尺寸與建筑平面尺寸的比值l/L（b/B）是否大于0.35。趙西安統計了國內已建成投入使用的部分高層框架—核心筒結構，發現核心筒尺寸與建筑平面尺寸比值多為0.35～0.55，比值在0.35以下的框架—核心筒結構數量較少[3]。因此從使用的角度出發，對于一般的高層建筑可近似取0.35作為判斷結構體系是否屬于框架—核心筒結構的下限值。研發辦公樓的核心筒尺寸18.2m×9.15m，建筑平面尺寸37.4m×24.05m，l/L（b/B）比值為0.49/0.38，基本符合框架—核心筒的平面尺寸要求。

（3）核心筒剪力墻的完整性。核心筒剪力墻是否為實腹墻或可以等效視為實腹墻是水平作用下核心筒能否按平截面假定發揮空間作用效應的重要依據。當核心筒剪力墻的墻體開洞較多、墻肢形成弱連梁而導致核心筒在水平力作用下失去平截面工作特征時，不符合框架—核心筒結構的本質特征，應按框架—剪力墻結構設計。考查底部加強區1層～3層的墻肢在水平地震作用下的軸力分布圖。從圖4可看出X向的墻肢中間洞口較大，連梁較弱，兩片墻肢基本屬于單獨工作狀態的受力狀態，不符合平截面假定。從圖5可看出Y向墻肢由于洞口較小，受力基本符合平截面假定。

圖4 X向地震作用下C軸處墻體（1層～3層）軸力分布圖

圖5 Y向地震作用下2軸處墻體（1層～3層）軸力分布圖

（4）底層核心筒剪力墻承受的地震傾覆力矩。若底層核心筒剪力墻所承擔的地震傾覆力矩小于底層結構總傾覆力矩的50%，即使核心筒整體性能很優越同時又能發揮空間作用效應，但剪力墻不再是主要抵抗水平作用的結構構件，此時結構體系不該判定為框架—核心筒結構。計算結果表明底層（對應計算層號的第3層）X向剪力墻傾覆力矩與總傾覆力矩比值為66.9%，框架傾覆力矩與總傾覆力矩比值為33.1%；底層Y向剪力墻傾覆力矩與總傾覆力矩比值為66.0%，框架傾覆力矩與總傾覆力矩比值為34.0%。兩個方向均滿足剪力墻地震傾覆力矩與底部總地震傾覆力矩比值大于50%的要求，核心筒剪力墻是主要的抗水平作用構件。

綜上所述，由于開洞口較大的原因，X向水平作用下墻體的內力分布并不符合平截面假定，更符合帶弱連梁的雙肢剪力墻體變形特征。因此，綜合判斷研發辦公樓的結構體系更接近于框架—剪力墻結構。

4 兩種結構體系的設計要求對比

研發辦公樓自室外地面至主要屋面的建筑高度為99.9m。結構高寬比為4.2。項目所在地南寧市高新區相思湖街道的抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度為0.10g，房屋抗震設防類別為標準設防類（丙類）。采用框架—剪力墻結構體系與框架—核心筒結構體系的設計要求對比見表1。

表1 研發辦公樓采用不同結構體系的對比

從表1中可看出，雖然結構高度較高，但均未超出兩種體系的最大適用高度，因此抗震等級相同。規范對于框架—核心筒結構的設計要求更加嚴格，對應的土建造價會有所增加。實際按框架—剪力墻結構體系設計，綜合表3的要求，對底部加強區范圍內的剪力墻加強，配筋率提高至0.3%。

5 結論

（1）框架—剪力墻結構與框架—核心筒結構是由兩個變形性能不同的抗側力單元協同工作、共同抵抗水平作用的結構體系。當剪力墻集中布置在建筑中部形成核心筒體時，兩者的顯著區別在于核心筒剪力墻是否滿足平截面協同工作的假定。

（2）框架—剪力墻結構與框架—核心筒結構均屬于雙重抗側力體系，實現了規范關于抗震設防的多重抗側力體系要求。在結構設計時需要對框架與剪力墻承擔的傾覆力矩之間的比例進行分析判斷，保證框架與剪力墻之間的協同工作。特別對于框架—核心筒結構，由于核心筒的剛度大，更應關注底部框架承擔的剪力及傾覆彎矩，采取有效的措施實現雙重抗側力體系。

（3）結合現行規范對兩種體系設計要求進行匯總比較，表明框架—核心筒結構的抗震措施要求更高，這與框架—核心筒結構體系的受力性能相匹配。

（4）當結構高度在兩種體系的適用范圍時，采用不同的結構體系，一定程度上對土建造價、施工的難易程度以及結構性能均有不同的影響。研發辦公樓的結構體系采用框架—剪力墻結構更為合理。