钢筋混凝土结构核心筒设计探讨

黄世怡 何伟球

摘要：本文结合实际工程案例，对该工程结构平面布置、结构立面布置、基础设计及构造措施详细介绍，通过对该工程计算原则、弹性分析进行了分析，并对钢筋混凝土结构核心筒设计进行了阐述。

关键词：钢筋混凝土；核心筒；结构设计；结构分析

钢筋混凝土核心筒—钢框架结构中，砼芯筒主要用于抵抗水平侧力。由于材料特点造成两种构件截面差异较大，钢筋混凝土核心筒的抗侧向刚度远远大于钢框架，随着楼层增加，核心筒承担作用于建筑物上的水平荷载比重越大。钢框架部分主要是承担竖向荷载及少部分水平荷载，随着楼层增加，钢框架承担作用于建筑物上的水平荷载比重越小，由于钢材强度高，可以有效减少柱体截面，增加建筑使用面积。

1 工程概况

某高层建筑地下2层，地上25层，基坑深度10.9m，地下使用功能为停车场，地上商业办公。商业办公采用框架核心筒结构，结构高度为89.71m。高宽比为3.4<6，核心筒宽7.98m，长13.91mm，本工程抗震设防烈度为7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，外围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，外围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。

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(50年内超越概率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

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，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。

参考文献

[1] 赵毅强 柯长华 程懋堃，金地中心钢筋混凝土窗格框架-核心筒结构设计、试验与施工[J]建筑结构，2008.01

[2] 聂建国 田淑明，高层钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震安全评价[J]建筑结构学报，2010.12

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。