分析某高层建筑框架核心筒结构设计

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摘 要：本文结合某办公楼的结构设计案例，论述了框架核心筒的结构设计，本工程的结构设计方案以及分析方法可为同类工程的设计提供了参考借鉴。

关键词：框筒结构； 高层结构； 结构选型； 结构布置； 概念设计

中图分类号：TU318 文献标识码：A

1 工程概况

本工程地下部分为 2 层，地面以下深度 11.4m。地下部分建筑功能为停车场，地上部分主要分为办公楼和商住楼（公寓）两部分。 办公楼采用框架核心筒结构体系， 核心筒为 25层， 结构高度为 90.60m。高宽比为 3.4 < 6， 核心筒宽 8.40m，长 14.80mm， 平均高宽比为 10.7 < 12。商住楼为 32 层， 结构高度为 99.0m； 高宽比为 5.50 < 6， 但大于 4 （基底不宜出现拉应力）。

本工程抗震设防烈度为 6 度，设计地震分组为第二组， 设计基本地震加速度值为 0.05g。本工程为对风荷载比较敏感的的高层建筑且位于沿海地区， 基本风压按照 100a重现期的风压值采用， 取基本风压值为 0.70kN/m2， 风荷载体型系数采用 1.4。

2 结构设计

2. 1 结构平面布置

为减小整体结构的复杂性以及两塔楼之间的影响， 避免塔楼质量和刚度不同所引起的扭转效应增大， 把塔楼和裙房之间采用 140mm 的防震缝自地下室分开， 从而形成多个较规则的子结构。从概念设计角度选择结构体系， 根据建筑平面布置，结构体系采用框架－剪力墙核心筒结构。其中剪力墙核心筒部分采用现浇钢筋混凝土筒体，框架柱采用钢筋混凝土柱，楼面梁采用普通梁，楼板采用现浇实心板。剪力墙核心筒作为抵抗水平作用的主要构件，框架柱主要承受竖向荷载。

为了增加楼板刚度采用了现浇钢筋混凝土楼板，对于地下室顶板、 加强层楼板以及屋顶楼板均适当加厚，地下室顶板板厚取为 200mm， 现浇空心楼板按 L/35 ～ L/40 确定板厚。其余双向板均按 L/40 确定板厚。

为了保证楼板的整体性，楼板与筒体的混凝土采用整体浇筑， 不得在混凝土筒体外周与楼板连接处留置竖向施工缝。结构标准层平面见图 1。

图 1 结构标准层平面布置图

2. 2 结构立面布置

由于本工程立面较规则，故框架柱和核心筒的截面以及混凝土强度由下至上逐渐均匀变化减小， 无明显的不规则性。核心筒剪力墙墙体上下连续， 只有外框架的部分框架柱需要转换， 因此相邻层的刚度没有发生大突变， 设计时只需在收缩层处通过框架梁来加强该收缩层的刚度。

考虑到核心筒除了承受主要的水平荷载，同时还要保证其在超越荷载下由于开裂刚度下降后的延性问题， 因此核心筒的剪力墙采用低轴压比设计。在构造措施中，在核心筒与外框架连接处以及洞口处等都设置有框架柱， 以保证核心筒与外框架的可靠连接。

2. 3 基础设计

地下 1 层为五级人防，地下 1 层顶板有约 1.5m 厚覆土， 荷载比较大， 为保证地下室的净高， 并减少基岩的开挖，地下室楼盖可适当采用部分宽扁梁的梁板体系。本工程基底持力层为强风化闪长岩， 高层塔楼部分采用伐板基础， 其余柱下采用墩基加防水板， 裙房部分电梯间及楼梯间部分钢筋混凝土墙采用带型基础加防水板； 所有地下室外墙均采用带型基础加防水板。

因地下水位较高， 为-1.0m， 纯地下室部分需采取抗浮措施，拟采用锚杆来作为抗浮措施。地下部分及错层处因建筑功能要求不设缝，由于总长大于规范值，且裙房与两个塔楼高差相差悬殊，故在裙房凹处设置后浇带，以减少混凝土收缩应力及减少沉降引起的次应力。

2. 4 构造措施

为了使各单元内结构平面形状和刚度均匀对称， 剪力墙墙厚取 200mm～300mm。大开间剪力墙及短肢剪力墙双向布置且宜挂直对齐，以使整个结构抗侧刚度中心尽量靠近水平合力的作用线。 墙肢厚比取为大于 5， 这样既能保证结构的安全使用，又能充分发挥所有材料性能，降低了地震力， 使结构的受力性能得以改善。

5 层以 下 外 墙 厚 不 小 于 300mm ， 竖 向 钢 筋 为Φ12mm@150mm ， 水 平 钢 筋 为 Φ12mm@150mm ；5层 以 上 墙 厚 为 200mm ～ 300mm ， 配 筋 不 少 于Φ10mm@150mm ～ 200mm。 因短肢剪力墙在压弯剪的复合状态下工作， 为保证在外界干扰下不致于失稳， 墙体厚度不易太薄且应双面配筋， 以防止平面处的受弯裂缝且便于施工。

3 结构分析

3. 1 计算原则

采用多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE 进行计算分析。结构在竖向重力荷载、 风荷载以及多遇地震作用(50a 内超越概率 63.2%)下的内力和位移均按弹性方法计算。框架梁和连梁等构件可考虑局部塑性变形引起的内力重分布。楼板在其自身平面内为无限刚性。在进行重力荷载作用效应分析时， 柱、 墙轴向变形应考虑施工过程影响，施工过程的模拟 2 采用分层加载法。在进行风作用效应分析时，正反两个方向的风荷载按两个方向的较大值采用。

抗震计算时， 考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。 振型数取 36 个，振型参与质量不小于总质量的 90%。在内力与位移计算中，结构计算从地下 2 层算起，考虑回填土侧向约束。楼面框架梁与混凝土筒体的连接用刚接，通过在梁、 墙连接处的墙体内构造措施来实现这种连接方式。

3. 2 弹性分析

弹性时程分析时， 每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的 65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。 办公楼弹性时程分析结果见表 1。

表1办公室主要弹性时程分析结果

采用 SATWE 软件进行结构弹性动力时程分析，分析结果见表 2。

表2弹性动力时程分析结果

通过以上的计算结果表明，该结构的时程分析平均地震反应均小于振型分解反应谱的结果，而且都满足规范对底部剪力的要求，显然表明了所选时程曲线是正确的； 计算结果也显示结构位移曲线比较均匀， 无突变， 不存在中间楼层薄弱层；同时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的 65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。

4 结语

本文对该框架核心筒结构进行计算分析，介绍了框筒结构的选型、平立面布置以及结构构造措施等设计方法，采用弹性动力时程分析方法进行验证， 分析结果表明本文所采取的设计方法以及构造措施等有效地控制层间位移等要求。