100～300m 框架－核心筒結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析及超限審查注意事項(xiàng)

【中圖分類號】 TU318.2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

0 引言

GB50352-2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”）[1]中規(guī)定，建筑高度大于 100m 的建筑為超高層建筑；JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（簡稱“高規(guī)”）2中規(guī)定，框架－核心筒結(jié)構(gòu)是指由核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結(jié)構(gòu)；框架-核心筒結(jié)構(gòu)在超高層建筑中應(yīng)用廣泛。當(dāng)高度不大于 100m 的建筑采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)時(shí)，通常其屬于常規(guī)設(shè)計(jì)范疇，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)即可；高度超過 300m 的超高層建筑，其結(jié)構(gòu)形式通常采用巨型結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等形式，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員較少接觸;對于高度在 100～300m 的超高層建筑，工作幾年以上的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)對其有所了解或接觸，但認(rèn)識(shí)不深，掌握起來有一定難度，該高度范圍內(nèi)的超高層建筑多采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，且常存在超限情況，需進(jìn)行超限審查等，鑒于此，本文對80余棟該高度范圍內(nèi)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對建筑層高、梁高、墻柱截面尺寸、自振周期、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、材料強(qiáng)度等級等進(jìn)行歸納總結(jié)；對水平荷載作用下框架-核心筒結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行簡要介紹；對超限設(shè)計(jì)及超限審查的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，并提出了幾點(diǎn)建議，供后續(xù)類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

1 統(tǒng)計(jì)分析

對抗震設(shè)防烈度為6～8度的80余棟超高層建筑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要從建筑層高、梁高、核心筒外圍剪力墻厚度、框架柱截面、材料強(qiáng)度、第一自振周期、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行。

1.1建筑層高、梁高

該高度范圍內(nèi)的超高層建筑，其建筑用途通常為辦公、酒店，辦公區(qū)域?qū)痈咭话銥?4.2m ，酒店區(qū)域?qū)痈咭话銥?.9m ，頂部會(huì)所層高一般為 5.1m.5.4m ;外圍框架梁高度一般

為 900mm ，內(nèi)部框架梁及次梁高度一般控制在 800mm 以內(nèi)，連梁高度一般不超過 800mm ，按上述梁高進(jìn)行控制，通常可以滿足規(guī)范對建筑凈高的要求。

1.2核心筒外圍剪力墻厚度

對核心筒外圍墻體厚度按抗震設(shè)防烈度和建筑高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表1。

表1核心筒外圍剪力墻厚度 單位： mm

對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值范圍為 13～ 17kN/m² ，設(shè)防烈度較高時(shí)取上限值，較低時(shí)取下限值。

設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施減輕結(jié)構(gòu)自重，核心筒剪力墻厚度應(yīng)自下而上逐漸減薄，頂部外墻厚度可減至 300mm ，頂部內(nèi)墻厚度可減至 200mm ;核心筒剪力墻厚度不宜大于 1.5m ，墻體太厚會(huì)導(dǎo)致建筑空間利用率低，結(jié)構(gòu)重量增加，地震力增加，對抗震等不利。

1.3 框架柱截面

對外圍框架柱截面按抗震設(shè)防烈度和建筑高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表2。

通過上述分析知：

表2首層框架柱典型截面

注：表中未注明的柱指普通鋼筋混凝土柱。

（1）6度、7度區(qū)高度不大于 200m 及8度區(qū)高度不大于150m 的超高層建筑，框架柱可采用普通鋼筋混凝土柱；當(dāng)為減小框架柱截面尺寸、提高延性或?yàn)闈M足軸壓比限值要求，可在底部幾層或者 1/3～1/2 建筑高度以下樓層的框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼。

（2）6度、7度區(qū)高度大于 200m 及8度區(qū)高度大于150m 的超高層建筑，建議采用型鋼柱及鋼管柱等形式。

（3）當(dāng)框架柱采用鋼管混凝土柱時(shí)，為便于地下室相關(guān)范圍內(nèi)梁柱的連接，塔樓外圍框架柱通常采用型鋼混凝土柱，鋼管外包混凝土厚度不宜小于 200mm 。

1.4材料強(qiáng)度

豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級一般為 C40～C60 ，豎向構(gòu)件也有用C70的，但比較少，當(dāng)采用高強(qiáng)混凝土（C70及以上）時(shí)，因其延性較差，應(yīng)采取改善其延性的有效措施，如提高配筋率、采用型鋼或鋼管柱等；梁板混凝土強(qiáng)度等級一般為C30～C35 ；需要注意的是墻柱截面變化與混凝土強(qiáng)度等級變化要錯(cuò)開，避免出現(xiàn)在同一樓層。

鋼材常用的等級有Q355鋼、Q390鋼、Q420鋼、Q460鋼和Q345GJ鋼，對于厚度大于或等于 40mm 的鋼板，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5313-2010《厚度方向性能鋼板》（后續(xù)簡稱“性能鋼板”）[3]中關(guān)于Z15級的斷面收縮率指標(biāo)的規(guī)定，采取相應(yīng)措施后可不再要求更高的抗撕裂性能；抗撕裂性能問題實(shí)質(zhì)上是焊接問題，使用階段的外力并非主要影響因素，在節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)應(yīng)采取措施以減小焊接約束應(yīng)力等。

鋼筋通常選用HRB400級鋼筋，條件允許時(shí)可選用HRB500或HRB600級鋼筋。

1.5第一自振周期

對第一自振周期按抗震設(shè)防烈度和建筑高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，（1）第一自振周期不僅與建筑高度有關(guān)，還與抗震設(shè)防烈度有關(guān)。抗震設(shè)防烈度越高，地震力越大，為滿足結(jié)構(gòu)水平位移限值要求，結(jié)構(gòu)剛度越大，相應(yīng)自振周期越小。（2）6度、7度區(qū)結(jié)構(gòu)第一自振周期比較接近。當(dāng)建筑高度不大于 200m 時(shí)兩者周期差異較大，7度區(qū)結(jié)構(gòu)自振周期較6度區(qū)小；當(dāng)建筑高度大于 200m 時(shí)，兩者差異較小。（3）8度區(qū)結(jié)構(gòu)第一自振周期較6度、7度區(qū)小的多，8度區(qū)往往地震力是控制因素，結(jié)構(gòu)剛度較大，故周期較小。

圖1不同設(shè)防烈度下第一自振周期與建筑高度的關(guān)系

另外，結(jié)構(gòu)自振周期還與建筑層數(shù)、結(jié)構(gòu)自重、是否設(shè)置加強(qiáng)層及風(fēng)荷載取值等因素有關(guān)。

《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施》（中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司編著，2020，簡稱“西南院技術(shù)措施”）[4中對結(jié)構(gòu)第一自振周期有合理分布范圍的建議，現(xiàn)摘取部分見表3，表3中建議的合理周期變化范圍較大，如當(dāng) 100m?Hlt;150m 時(shí)變化幅度達(dá) 75.0% ，當(dāng) 150m?Hlt;250m 時(shí)變化幅度達(dá)60.0% ·H?250m 時(shí)變化幅度達(dá) 33.3% 。由前面分析知第一自振周期的影響因素較多，離散性大，現(xiàn)階段建議可按抗震設(shè)防烈度適當(dāng)細(xì)分，見表4。

表3“西南院技術(shù)措施”關(guān)于第一自振周期的合理分布范圍

注： T₁ 表示第一自振周期， H 為建筑高度。

表4本文建議的自振周期的合理分布范圍

注： T₁ 表示第一自振周期， H 為建筑高度。

1.6基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

超高層建筑基礎(chǔ)通常采用樁筏基礎(chǔ)。

1.6.1 筏板厚度

該高度范圍內(nèi)的超高層建筑，其筏板厚度為 2.0～4.5 m ，筏板混凝土強(qiáng)度等級為 C40～C50 。筏板厚度與柱網(wǎng)間距、核心筒尺寸及層數(shù)等因素有關(guān)，通過統(tǒng)計(jì)分析知，筏板厚度折算到每層約 50～80mm ，在初步確定筏板厚度時(shí)可參考。

1.6.2 樁型的選擇

樁型通常采用灌注樁，樁徑一般在 800～1200mm 之間，常用的樁徑為 ?800mm，?1000mm，?1200mm ，樁身混凝土強(qiáng)度等級為 C40～C50 ，當(dāng)樁徑為 ?800mm 時(shí)單樁抗壓承載力特征值一般取 5500～8000kN ;當(dāng)樁徑為 1000mm 時(shí)單樁抗壓承載力特征值一般取 8000～13000kN ;當(dāng)樁徑為 ?1200 mm 時(shí)單樁抗壓承載力特征值一般取 13000～17000kN_s

當(dāng)為提高樁基承載力或減小基礎(chǔ)沉降時(shí)，灌注樁可采用后注漿技術(shù)，后注漿技術(shù)分為樁側(cè)后注漿、樁端后注漿及樁端樁側(cè)復(fù)式后注槳三種。工程實(shí)踐表明，后注槳加固效果的離散性大，設(shè)計(jì)時(shí)對采用后注漿的樁基，其單樁抗壓承載力特征值提高的幅度不宜過高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，建議該提高的幅度可取 50%～70% 之間。

樁基長徑比不宜過大。一般情況下，考慮施工垂直度偏差等因素，宜控制樁的長徑比不大于80；另外，當(dāng)樁身與筏板或承臺(tái)的混凝土強(qiáng)度等級不同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行局壓驗(yàn)算。

2水平荷載作用下框架-核心筒結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理

每一種結(jié)構(gòu)體系都有其合適的適用高度，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及規(guī)程，對框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度進(jìn)行匯總，見表5。

表5框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大適用高度 單位：m

注：上表僅匯總了抗震設(shè)防烈度為6～8度的情況。

隨建筑高度的增加，水平荷載往往成為超高層建筑設(shè)計(jì)的控制因素。由于框架-核心筒結(jié)構(gòu)中的框架是平面框架，其主要在平面內(nèi)受力，在水平荷載作用下，可認(rèn)為核心筒和平行于水平荷載作用方向的腹板框架起抗側(cè)作用，忽略翼緣框架的作用。由于核心筒剛度較大，因此其是抗側(cè)力的主體，是第一道防線；當(dāng)結(jié)構(gòu)高寬比較大，尤其核心筒高寬比較大時(shí)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較小，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)水平位移很難滿足規(guī)范要求，同時(shí)核心筒也會(huì)承受較大拉力，設(shè)計(jì)時(shí)存在一定困難。

為提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度并減小核心筒的拉力，一般可利用建筑避難層或設(shè)備層設(shè)置加強(qiáng)層，可在核心筒和外圍框架柱之間設(shè)置伸臂桁架或在外框上設(shè)置環(huán)帶桁架，也可兩者均設(shè)置。伸臂桁架可利用外框柱的軸向力來形成較大的抗傾覆力矩，將核心筒的彎曲變形轉(zhuǎn)換成外框柱的軸向變形，以減小水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移；環(huán)帶桁架能提高結(jié)構(gòu)外框的剛度，使豎向構(gòu)件受力均勻，同時(shí)可以緩解外框的剪力滯后現(xiàn)象；設(shè)置加強(qiáng)層可以很大程度上提高建筑的建造高度，建造高度可達(dá) 300m 以上，甚至更高。

3超限設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1框架柱地震剪力及其調(diào)整

在水平地震作用下，框架應(yīng)具有一定的抗側(cè)能力，為第二道抗震防線提供保證。“高規(guī)”第9.1.11條第3款規(guī)定，“當(dāng)框架部分分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 20% ，但其最大值不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 10% 時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 20% 和框架部分樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值的1.5倍兩者的較小值進(jìn)行調(diào)整。”。

《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67號文，簡稱“超限審查技術(shù)要點(diǎn)\"）[5第十一條第（二）款規(guī)定：“應(yīng)明確多道防線的要求。框架與墻體、筒體共同抗側(cè)力的各類結(jié)構(gòu)中，框架部分地震剪力的調(diào)整宜依據(jù)其超限程度比規(guī)范的規(guī)定適當(dāng)增加”。具體如何“適當(dāng)”增加沒有具體的規(guī)定，通過對工程案例超限審查意見的歸納總結(jié)，可參照下列執(zhí)行。

（1）A級高度建筑。按\"高規(guī)\"第9.1.11條第3款執(zhí)行，即按 0.2V₀ 和 1.5V_f，max 的較小值進(jìn)行調(diào)整。

（2）B級高度建筑。按 0.2V₀ 和 1.5V_f，max 的較大值進(jìn)行調(diào)整。

（3）超B級高度建筑。按 0.25V₀ 和 1.8V_f，max 的較大值進(jìn)行調(diào)整。

其中， V₀ 為結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值， V_f，max 為框架部分樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值。

需要注意的是，上述調(diào)整僅針對小震設(shè)計(jì)，在進(jìn)行中震或大震等效彈性分析時(shí)，不考慮上述調(diào)整。

3.2抗震性能目標(biāo)的選取

“高規(guī)”第3.11.1條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素選定”。

對于高度在 100～300m 采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑，通過對案例的統(tǒng)計(jì)分析，通常選用性能目標(biāo)為C級，其分別對應(yīng)多遇地震時(shí)的性能水準(zhǔn)1、設(shè)防烈度地震時(shí)的性能水準(zhǔn)3、罕遇地震時(shí)的性能水準(zhǔn)4。其宏觀描述為遭遇多遇地震時(shí)完好、無損壞（不需修理即可繼續(xù)使用），遭遇設(shè)防烈度地震時(shí)輕度損壞（一般修理后可繼續(xù)使用），遭遇罕遇地震時(shí)中度損壞（修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用）。

3.3伸臂桁架、環(huán)帶桁架性能目標(biāo)的合理確定

（1）“高規(guī)”中規(guī)定，關(guān)鍵構(gòu)件指該構(gòu)件的失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命安全的嚴(yán)重破壞。

由本文第2章可知，設(shè)置伸臂桁架或環(huán)帶桁架的目的只是彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的不足，設(shè)計(jì)中加強(qiáng)層剛度應(yīng)適度，以免引起樓層抗側(cè)剛度和抗剪承載力的突變，形成薄弱層；由此可以看出，為彌補(bǔ)抗側(cè)剛度不足為設(shè)置的伸臂或環(huán)帶桁架可定義普通構(gòu)件，而非關(guān)鍵構(gòu)件，在大震下允許其進(jìn)入塑性并耗能，其性能水準(zhǔn)可按中震不屈服設(shè)計(jì)。

（2）T/CECA20024-2022《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱“性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”）第3.1.5條中規(guī)定：“普通的環(huán)帶桁架與伸臂桁架的性能水準(zhǔn)可略低于豎向構(gòu)件”，對于豎向構(gòu)件，其中震下性能水準(zhǔn)一般為抗剪彈性、抗彎不屈服，普通環(huán)帶和伸臂桁架的性能水準(zhǔn)可略低于豎向構(gòu)件，故可按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜上所述，為提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度而設(shè)置的伸臂或環(huán)帶桁架，可按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)，大震下允許進(jìn)入塑性耗能；當(dāng)環(huán)帶桁架兼作轉(zhuǎn)換桁架時(shí)才有必要定義其為關(guān)鍵構(gòu)件，并根據(jù)項(xiàng)目情況確定其性能水準(zhǔn)，如按大震不屈服設(shè)計(jì)等。

3.4樓板性能化設(shè)計(jì)

3.4.1 性能目標(biāo)

樓板作為結(jié)構(gòu)的主要水平構(gòu)件，不僅需要承受和傳遞豎向荷載，在水平荷載作用下，樓板起著協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件間變形，并把水平力傳遞到各豎向構(gòu)件的作用。

當(dāng)樓板因大開洞、凹凸變化等形成弱連接樓板時(shí)，弱連接樓板的作用尤為重要，通常將其定義為關(guān)鍵構(gòu)件。其性能目標(biāo)可按中震抗剪彈性、抗彎不屈服（或彈性）設(shè)計(jì)，中震抗彎性能根據(jù)具體項(xiàng)目確定。

3.4.2大震抗剪承載力驗(yàn)算

“超限審查技術(shù)要點(diǎn)\"第十一條第（八）款：“注意加強(qiáng)樓板的整體性，避免樓板的薄弱部位在大震下受剪破壞；當(dāng)樓板開洞較大時(shí)，宜進(jìn)行截面受剪承載力驗(yàn)算”。

關(guān)于大震下樓板受剪承載力驗(yàn)算可參照《深圳2018超限高層建筑工程設(shè)計(jì)研究及實(shí)例》[7]中相關(guān)內(nèi)容，現(xiàn)摘取部分如下。

樓板大震抗剪不屈服驗(yàn)算時(shí)，樓板全截面剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足式（1）式（2）。

V_k?0.15βI_ckb_ft_f

V_k=S_GE+S_Ehk^*

式中： β_c 為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度不超過C50時(shí)，取 1.0;f_ck 為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值; b_f，tf 分別為樓板驗(yàn)算截面寬度和厚度； S_GE 為重力荷載代表值的效應(yīng)； S_Ehk^* 為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力，不考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)。

取 1m 寬板帶，對不同厚度不同混凝土等級的樓板的受剪承載力進(jìn)行計(jì)算，見表6。

表6樓板受剪承載力 單位：kN

注：鑒于樓板混凝土強(qiáng)度等級一般為 C30～C35 ，最高不超過C40，故混凝土強(qiáng)度等級取C30、C35、C40三種進(jìn)行計(jì)算。

4超限審查意見匯總

對統(tǒng)計(jì)案例超限審查意見中比較共性的方面進(jìn)行匯總?cè)缦拢愃祈?xiàng)自設(shè)計(jì)中宜予以適當(dāng)考慮。

（1）出屋面構(gòu)架模型中應(yīng)建入，考慮其對結(jié)構(gòu)整體的影響，并應(yīng)加強(qiáng)其與主體的連接。（2）應(yīng)驗(yàn)算中震和風(fēng)荷載下框架柱及剪力墻底部是否出現(xiàn)拉力，對出現(xiàn)拉力的應(yīng)補(bǔ)充相應(yīng)驗(yàn)算，并采取提高抗震等級等措施。（3）小震計(jì)算分析時(shí)按安評和規(guī)范底部剪力大值采用，中震、大震按規(guī)范計(jì)算取值。（4）復(fù)核加強(qiáng)層及相鄰上、下層剪力墻抗剪承載力，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。（5）不考慮相關(guān)樓板剛度的作用，對與斜柱相連的梁進(jìn)行驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。（6）復(fù)核塔樓筒體收進(jìn)樓層的受力并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

5 建議及結(jié)論

（1）外框梁梁高一般控制在 900mm ，內(nèi)部框梁、次梁及連朵朵向且控制仕 800mm ;核心同外也剪刀瑜序度不且八于 1.5m 。

（2）6度、7度區(qū)高度不大于 200m 及8度區(qū)高度不大于150m 的超高層建筑，其框架柱可采用普通鋼筋混凝土柱；6度、7度區(qū)高度大于 200m 及8度區(qū)高度大于 150m 的超高層建筑，其框架柱宜優(yōu)先采用型鋼柱及鋼管柱等形式。（3）在初步確定筏板厚度時(shí)，可按每層 50～80mm 進(jìn)行估算；后注漿對樁基抗壓承載力的提高幅度宜取 50%～70% 之間；宜控制樁的長徑比不大于80。（4）為彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足而設(shè)置的伸臂或環(huán)帶桁架，其可定義為普通構(gòu)件，按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。（5）對框架柱地震剪力的調(diào)整可按以下進(jìn)行調(diào)整：A級高度建筑按 0.2V₀ 和 1.5V_f，max 的較小值進(jìn)行調(diào)整;B級高度建筑按 0.2V₀ 和 1.5V_f，max 的較大值進(jìn)行調(diào)整;超B級高度建筑按 0.25V₀ 和 1.8V_f，max 的較大值進(jìn)行調(diào)整。（6）對于弱連接部位的樓板，宜對其補(bǔ)充大震下截面受剪承載力驗(yàn)算，避免大震下受剪破壞。

參考文獻(xiàn)

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