高设防烈度下某框架-核心筒设计

高设防烈度下某框架-核心筒设计

梁嘉轶

新疆建筑设计研究院股份有限公司

摘要：本文主要探讨框架-核心筒结构在高设防烈度下的实际应用，结合实际对具体工程问题进行探讨。

关键词：框架-核心筒高设防烈度楼板大开洞 跃层柱

1.框架-核心筒结构的特点

目前，随着我国经济的发展，人们对建筑高度、外观、平面布置提出了更高的要求。因此，框架核心筒体系在高层建筑中得到了广泛的应用，由于此结构体系具有外框架间距大、布置方式多变、建筑立面灵活等优点，因此可较好的体现建筑意图，更好的展示现代建筑的幕墙外观要求。

框架-核心筒结构中，框架核心筒结构是由核心筒与外围的稀柱框架组成的，稀柱框架其与周边的梁构成了外框架，中间以剪力墙布置成筒体，受力变形特征与框架剪力墙结构比较类似。核心筒在建筑的中央部分，由电梯井道、楼梯、通风井、电缆井、公共卫生间、部分设备间围护形成中央核心筒，与外围框架形成一个外框内筒结构，以钢筋混凝土浇筑。此种结构十分有利于结构受力，并具有极优的抗震性。是国内高层建筑广泛采用的主流结构形式。同时，这种结构的优越性还在于可争取尽量宽敞的使用空间，使各种辅助服务性空间向平面的中央集中，使主功能空间占据最佳的采光位置，并达到视线良好、内部交通便捷效果。

下面结合在高设防烈度下某金融中心高层办公楼结构设计实例，主要就结构设计方案的构思及设计要点进行探讨。

2.工程概况

某金融中心高层办公楼，总建筑面积26252㎡，地下1层，地上17层，建筑层高地下室部分6米，地上一层~三层5.5米，以上各层3.9米，建筑总高度76.35m。地下1层为地下车库及设备用房，1层为主楼+裙房均为办公大厅，2～17为商业用房，其中包含多功能厅，大小会议室、设备机房等，建筑安全等级一级。设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度为0.2g，地面粗糙度为B类。

2.1基础设计及结构方案选择

     2.1.1基础设计

地基基础设计等级为乙级，基础均采用天然地基，主楼部分采用筏板+地基梁，消防水池底采用筏型基础，裙楼与地下车库部分采用独立基础+防水底板，联通通道部分采用条形基础，沿主楼外围设置一圈后浇带。

2.1.2结构体系

最终上部结构体系设计方案平面详见下图：

2.1.3外围框架柱：

在地震作用控制下尽可能的减小外围柱截面尺寸，以层渐进的方式，分层减小框架柱截面，由于地震烈度高，底层框架柱截面1100mm*1100mm，上层以轴压比上限为参考，进行分层减小截面，标准层以上按照50mm收进，以更好的满足建筑使用要求，增加使用空间，控制造价。

2.1.4核心筒外墙：

结合建筑使用功能，使主楼部分空间满足大开间，在高烈度地区，由于地震作用大，结构构件截面也较大，核心筒部分中内部墙厚对整体核心筒贡献小，主要贡献产生与核心筒外部墙厚，由于建筑层高较高，一~三层层高5.5米，且外围框架梁跨度较大，一侧支撑于整个核心筒上，梁支撑处对于核心筒部分形成暗柱，为保证满足锚固长度，且考虑到整体稳定性，增加整体刚度等问题，采用增大外围核心筒墙厚，对于外围墙厚采用层渐变厚度，尽可能的减少成本，控制造价，地下室~一层顶核心筒外围墙厚500mm，二层顶~三层顶核心筒外围墙厚450mm，三层顶至出屋面层核心筒外围墙厚400mm，由于剪力墙抗震级别为一级，故需要验算剪力墙水平施工缝。实际设计时。由于外筒墙边缘一直到十二层均产生小偏心受拉，需要按照相关规定处理。

2.1.5核心筒内墙：

核心筒内部多为电梯间与消防楼梯间，核心筒内部墙体均为盒子状小筒体，整体刚度大，在不影响建筑使用情况下，保证内部墙体稳定，故减小核心筒内部墙体厚度，故采用250mm~300mm厚度。

2.2.构件截面与材料

3层群房部分:大部分框架梁截面主梁400mm*800mm，次梁300mm*700mm;

主体核心筒部分:大部分框架梁截面主梁400mm*700mm，次梁200mm*600mm，梁板墙混凝土强度等级如下图：

3.结构计算与分析

本工程分析采用YJK（盈建科）结构设计软件，

4.1自振动振型、周期、位移

振型:结构振型数为24，X、Y向平动振型参与质量系数总计均满足《高规》要求的90%以上

周期：第一第二周期纯平动，第三周期纯扭转，第1扭转周期(1.2561)/第1平动周期(1.7805) = 0.71，

位移：X向最大层间位移角：  1/1169  (14层1塔)，  Y向最大层间位移角：  1/960  (14层1塔)，X方向最大位移与层平均位移的比值：1.05(2层1塔)，X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.05(5层1塔)，Y方向最大位移与层平均位移的比值：1.06 (10层1塔)，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.07 (7层1塔)

4.关键部位处理与抗震构造措施

本工程由于在地上一层顶存在通高建筑大厅，地上一层顶板开大洞，洞口面积占整层面积的13.5%，成了带楼板大开洞的框架-核心筒结构，形成两根跃层柱，跃层柱几何长度为10.860米，柱截面尺寸为1050mm*1050mm，柱混凝土强度等级C50,结构平面图如下：

4.1.虽然盈建科软件可以识别跃层柱，由于跃层柱得线刚度比普通楼层柱刚度小，其上下层水平构件对跃层柱得弹性约束能力与普通柱不同，故其长度系数也不同，在水平力的作用下，柱剪力按刚度分配，由于长细比大，刚度小，因此在地震作用下分配的剪力比普通柱小很多，当普通柱进入塑性时，跃层柱能仍然处于弹性状态，随着普通柱的塑性破坏，地震力开始向跃层柱转移，可造成其快速破坏，要对跃层柱进行加强措施，从计算方面考虑，可以调整跃层柱得剪力使其不小于本层所有柱的剪力平均值，且不小于本层总地震力的1.5%。

针对本工程，利用盈建科的特殊构件定义，手动修改跃层柱得剪力系数，与原有的计算模型相对比，配筋取两者的较大值，施工图按此配筋，提升了跃层柱得抗震能力。且柱在一层~二层中按照通高柱统一配筋，保证上下配筋一致，对于此柱纵向配筋均采用一级机械连接，且柱全高加密。

4.2由于一层顶楼板大开洞，楼板不能有效的传递水平力，且可能会在与竖向构件相连接区域产生应力集中，导致楼板开裂破坏，板对洞口周边的楼板采用加厚板厚至150mm，配筋采用双层双向配筋，加大楼板的变形协调能力，按照有效元计算，按照弹性膜验算，与原有结构进行包络取较大值结果。加大配筋，提高安全度。

5.结论：

通过分析，本文通过结合工程实例对框架-核心筒设计要点分析，得出以下几方面结论：

1.在高烈度地区，结构平面中间有大开洞的情况，结构周期比容易超限，在解决周期比超限的情况时，可增大底层外圈梁柱截面。

2.对于高烈度设防下的核心筒结构，增大梁柱截面，会带来不经济，装修不便，楼层净高不满足使用要求等影响，宜考虑对结构采取合理计算，寻找内外剪力墙筒体与外梁、边柱截面最合理的平衡点，使结构整体参数尽满足规范要求的同时，也能做到满足建筑使用、美观、高空间度的要求。

3.对于大开洞处应按照弹性膜验算，楼板不对力有传递作用。与原有结构进行包络取较大值结果，对与剪力墙核心筒外墙，需加墙筒体配筋率，尤其对于与楼板开大洞出的连梁、剪力墙做加强处理，对于跃层框架柱需加强构造措施。

参考文献

[1] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]不同参数钢筋混凝土核心筒抗震性能研究. 工程力学, 2013, 30(10): 77-77.