對高層框架核心筒結構若干問題分析

周林花

1.框架—核心筒結構的應用意義

進入21 世紀以來，我國的經濟社會發展十分迅速，城市化的建設進程也越來越加速。在當前的城市建筑中，高層建筑已經成為最主要的建筑形式，人們對高層建筑物的需求也越來越大，在這樣的發展背景下，高層建筑的結構設計也呈現出多樣化、復雜性的特征。核心筒的抗側剛度非常強，要明顯高于其他的剛度。所以，這兩種結構在結合使用的過程中可以為高層建筑物提供更大的抗側力，同時框架結構還能夠為高層建筑物提供較大的空間優勢。因此，在目前的高層建筑物設計過程中，框架—核心筒結構的整體應用性能較好，而且剛度大、抗震性能良好，是當前高層設計中比較理想的結構設計之一，在目前的高層建筑物設計中有著非常廣泛的應用，下文將圍繞這一結構內容展開研究與分析[1]。

2.筒體內墻以及內部樓板的布置分析

在高層框架—核心筒結構設計過程中，筒體的設計是非常重要的一個部分，筒體的內部設計非常復雜而且比較細致。筒體的內部分為各種均勻的層次，每一個層次都有著自己獨特的功能，那么在設計的過程中就應當保證筒體內部各層樓板之間的水平剛度能夠達到相應的要求。但是在高層建筑實際的設計過程中，筒體內部往往會存在著大量的電梯井、通風井等，這些結構的設計在很大程度上削弱了樓板的水平剛度，對整體結構起到了非常不穩定的影響。所以，在設計的過程中，為了保證整個樓梯剛度能夠達到行業標準要求，應當按照我國目前《建筑抗震設計規范》（GB/50011-2010）中的相關規定內容進行設計與分析。該規范中規定了“樓板局部不連續”的限值，也就是說在普通的高層建筑物設計過程中，尤其是在實際的施工過程中，各方面的數據要求達不到這樣的標準，那么就應當按照四周有剪力墻和連梁圍合的電梯間、樓梯間、通風井等內容進行規劃設計，可以不按照水平開洞處理的原則進行。例如，可以在具體設計的過程中增加剪力墻和連梁的數量從而有效地減少開洞的效應，而且在設計的過程中，樓梯間在地震發生的過程中是可以起到“安全島”的作用的，所以若發生劇烈的地震建筑結構中的筒體是作為第一道防線而最先被破壞的，從這個角度來考慮，高層建筑物中的樓梯四周也應當布置一定數量的剪力墻和連梁，使得兩者形成圍合的情況，從而保證樓梯的整體安全性。此外，在設計的過程中筒體的內墻最好是與外墻進行“T”或者“L”型連接，這種連接方式可以形成相互支撐的格局，從而提高高層建筑物筒體的抗側剛度[2-3]。

3.高層框架—核心筒結構模型設計的調整分析

在該部分的分析中，選取某高層辦公樓結構模型設計為例進行分析，該高層辦公樓地上有24 層，地下1 層，其結構的高度為84m，抗震性能的設計為7度，該建筑物的建筑場地類別為建筑行業中的III 類，其地震設計為第一組，標準層的結構布置如圖1 所示。

圖1 某高層建筑辦公樓標準層結構布置圖

3.1 常規調整方法分析

（1）從上述的高層建筑辦公樓的標準層結構布置圖的內容來看，如果對其框架-核心筒設計中調整其外圍框架的截面，那么對抗扭的剛度以及結構抗側的剛度影響相對較小，從力學計算的角度來看，抗扭剛度和抗側剛度的變化幅度是呈現出一定的特點，抗側的剛度一般要小于抗扭的剛度，且其周期性的變化幅度也是平動小于扭轉周期的。相反，如果對其內部框架界面進行調整的話，那么對于抗扭的剛度以及結構抗側的剛度影響也是相對較小的，但是在變化幅度上與外部調整恰恰相反，抗側的剛度一般要大于抗扭的剛度，且其周期性的變化幅度也是平動大于扭轉周期的[4]。

（2）如果筒體結構的外墻設計外圍比較長，那么在進行調整的過程中對抗側剛度和抗扭的剛度影響都是比較大的，但是抗側剛度、平動以及扭轉周期的變化卻是呈現出不規則的變化情況，具體數值應當對相關的參數進行測算才可以得知。筒體內墻一般來說相對比較薄，而且會有很多個洞口，所以在對這方面結構進行調整的過程中，對抗側剛度以及抗扭剛度的影響并不是很大，其變化幅度一般來說是抗側剛度大于抗扭剛度，其周期的變化也是平動大于扭轉周期。

（3）在該結構調整的過程中，如果該建筑物的周期比不夠的話，所遵循的調整原則是加強筒體的外墻部分，并且需要對外墻的剛度以及外圍框架的剛度加強，或者對筒體內墻和內部框架的剛度進行一定程度的削弱，從而起到穩定結構的效果，當然在現實的條件下，這兩種方法也可以同時使用。

3.2 第二周期為扭轉周期的調整方法分析

在當前的高層建筑物結構設計中，第二周期為扭轉周期在框架—核心筒結構模型調整中是經常出現的，圖1 中所展示的標準層結構布置圖也具有這樣的特點。在該結構設計中，第一和第三周期為平動周期，若第二周期為扭動周期時，那就說明該結構的抗扭剛度相比第二平動周期轉角方向的抗側剛度來說是相對較小的，那么在調整的過程中就應該將第二和第三周期分別調整為平動和扭轉周期。如果在實際操作的過程中按照這個思路進行操作，可以發現這個思路在很多工程中難以實現應有的效果，例如以圖1 所示的工程來說，如果在初期模型中將第二周期調整成為扭轉周期，第三周期為Y 向的平動周期，在充分地滿足位移角的前提之下，按照減少Y 向抗側剛度的思路來反復地調整后發現第二周期仍然為扭轉周期。

造成這樣的結果原因為：Y 向的筒體外墻長度是相對較長的，那么在調整的過程中對Y 向抗側剛度和抗扭剛度的影響效果是十分明顯的，但是Y 向筒體的外墻比較靠近樓的中側部分，距離建筑物的外側部分是相對較遠的，那么在調整的過程中對Y 向抗側剛度以及抗扭剛度的平均影響效果是十分明顯的，通過上文的闡述知道，在這種情況下，抗扭剛度影響比Y 向抗側剛度的影響要小得多，所以在減少Y 向筒體的外墻強度時，Y 向抗側剛度減少幅度大于抗扭的剛度，使得Y 向平動周期增加幅度大于扭動的周期，那么在這種情況下就難以將Y 向的周期調整為第二周期。

而在圖1 的平面圖中，X 方向的筒體外墻距離建筑物外側的距離相對來說比較近，那么就可以適當地加強X 方向筒體外墻的剛度，期望抗扭剛度的增大幅度大于X和Y方向抗側剛度的增大幅度，從而使得扭轉周期減小幅度大于兩個平動周期的減小幅度，這樣的話就按照以往的思路調整成了與高層建筑相適應的周期，提高了建筑的穩定性與安全性。

3.3 異形框架—核心筒結構的調整

異形框架—核心筒結構在目前的高層建筑物內部設計中也有大量的應用，所以在調整的過程中以力學受力的思路來對核心筒的受力情況進行調整與分解，將其分解成為第一和第二平動周期轉角方向的剛度，然后按照實際工程的特點來對剛度進行有效地分配，最后按照上述第二點的計算方式反復地計算來實現有效地調整。

4.結語

高層建筑物設計已經成為當前城市建設過程中的主流化設計，框架—核心筒的應用也越來越廣泛，在設計的過程中需要嚴格地按照行業內的操作規范來進行，使得筒體內部的樓板以及外墻的布置與水平的剛度相互契合，確保在地震的情況下，樓梯間能夠起到良好的安全島功效。在應用中，框架—核心筒結構在外部震動的影響下，其連梁端附近的樓板會產生應力的集中情況，很容易出現開裂，所以在設計的過程中應當反復地對相關的結構設計進行加強，從而滿足相關的強度要求。總體而言，高層建筑物的框架—核心筒設計具有一定的復雜性特征，在設計的過程中應當結合建筑物的實際特點進行，從而保證高層建筑物具有良好的安全性與穩定性。