高层结构核心筒布置设计优化策略探究

2013-10-09张仕权

中国建筑金属结构 2013年2期

张仕权

（宁波市交通房地产有限公司，浙江宁波 315000）

由于人口数量的递增，城市在现代化的进程中，也出现了用地紧张的情况。在这样的环境下，高层建筑得到了较为广泛的运用。从整体的角度而言，高层建筑也越来越被广大的建筑同行所青睐，无论在城市改建，还是在扩建的过程中，高层建筑都是首选的结构模式。而核心筒结构又是最为常用的模式结构，因为在这样的模式结构之下，可以有效地达到稳定性、安全性、抗震性等性能目标。核心筒结构本身具有一定的优越性，可以达到高效使用的目的，在整个研究高层建筑中具有一定的实际意义。

1 核心筒结构技术特征分析

从概念上看，核心筒结构是利用楼梯建筑内的电梯井道、通风井、公共卫生间等构建中央核心筒，同时采用外围框架形成框架核心筒结构。从优越性能的角度来看，这一结构形式更加有利于承受的力量，同时也能够强化建筑物整体结构的抗震性能。从使用的普遍性角度而言，核心筒结构在当前的建筑物之中是运用得最为普遍的形式，此外，还可以提高相关建筑物的空间利用率。在核心筒结构应用的过程中，有效地提高核心筒的抗侧向刚度，可以强化楼体的抗震性能。就竖向以及水平方向的荷载情况来看，该核心筒结构都起到了不可忽视的重要作用。框架-核心筒的结构优势在现代超限高层设计中有着重要的应用，这一结构能够利用自身的优势减少多余荷载的承担量，同时在一定范围内增加了一些建筑的面积，对于强化城市的土地利用率以及加大投资利用率都起到了强化的作用。核心筒由于自身的优越性，受到了业界人士的青睐，并在高层以至超高层建筑群体中得到了广泛的应用。

2 分析核心筒结构在高层设计中的应用情况

2.1 针对高层设计抗震性能的核心筒结构展开设计的过程

核心筒结构的作用比较明显，无论在水平侧力的抵抗方面，抑或是竖向以及水平方向上的荷载量方面，都能够起到一定的作用。同时，在对核心筒结构间的抗侧力刚度比展开分析的时候，需要留意到铰接节点的重要性，并合理地加以配置，从而规避受力配备不均的现象，达到建筑物抗震的有效性。在这个过程中，额外地要把核心筒刚度和框架结构刚度分配的比例加以考虑，从而规避核心筒刚度过度而出现混凝土墙体崩裂的后果。在科学合理分析的基础上，来强化相应的抗震效果。

从国际的视角来看，核心筒结构具有一定的局限性，核心筒结构建筑物并不适用于多发地震国家。笔者在搜集文献资料的过程中，发现容易倒坍的建筑物反而是那些核心筒结构过于强化的建筑。在这个环境下，框架结构和核心筒结构之间的框架结构并不吻合，容易造成裂缝的现象，并影响到建筑物的恒稳性，进而会出现一系列的事故，这在地震多发地（譬如日本）更为明显。因此，在实际的运用过程中，均会采取必要的审批的制度，并出台了相应的条规。在一些经常发生地震的地带应该全面地考虑到这一结构的重要性及其范围，从而保障建筑物的安全性。

就我国实际的情况来看，为了更好地适应抗震的环境，对建筑工程的经济因素并没有实际考虑，同时，对核心筒结构建筑应该从实际应用的角度来加以分析，尤其是核心筒建筑自身结构的特征，从而考虑到建筑物的经济性因素。在实际的应用中，经常将钢架密柱方案运用到外围框架的结构体系之中。其目的在于强化核心筒建筑结构的稳定性以及抗侧向刚度，进而削减对混凝土墙地压应力。

2.2 探析高层设计中风荷载和结构设计情况

在高层建筑的设计过程中，同样需要考虑到建筑物的风荷载水平情况，并对其进行分析、计算与论证。利用框架-核心筒混凝土剪力墙结构使结构整体能够在风荷载作用下有效控制建筑物的受力，从而减少不同层次之间可能出现的位移现象。

在具体的研究过程中，通常采用应力的方式来加以研究，其目的在于更为全面地保障建筑物的稳定性。同时不能忽视侧向变形、振动等对研究建筑物展开分析的作用，包括风压及其高度异化的系数、风荷载体型系数和风振系数，强化高层抗侧向的变形程度。此外，还应该关注到抗侧向形变和抗震性能之间的衡稳状态，通过科学性的分析，从而强化其科学化的分配，包括刚度与应力。

3 以核心筒结构设计要点为指导进行超限高层设计

在现代高层核心筒建筑物的结构设计体系之中，设计人员应该针对核心筒本身的特点进行设计，进而在基于核心筒设计的基础上，同样地考虑到相关结构的布置，包括框架及其框架梁、楼盖、框架剪力墙等内容，从而构建起相应的结构体系。

在核心筒设计的过程中，最先应该确认的是核心筒在全部结构中的重要地位。对于高层建筑物，也应该保证筒体的宽度超过全高的1/12。同时还要关注到剪力墙结构的应用。在设计过程中需要针对核心筒设计要求对相关设计要点、连梁等进行计算与设计，确保超限高层的结构稳定性。在框架结构设计中需要注重控制结构的周期与位移，利用墙加大量等方式增强结构抗侧刚度。针对超限高层结构需求进行框架结构设计。另外，超限高层框架-核心筒设计中还应对框架梁支撑条件进行确定。沿梁轴线方向有墙时刚接。核心筒外墙厚度大于0.4Lae（且内侧楼板不开洞）。梁支撑处有柱时刚接。如若出现不能够满足以上条件的梁则应该进行铰接。通过设计工作的针对性，确保超限高层结构等稳定性，确保超限高层核心筒建筑物结构的安全性。

除注重上述规范、要点与设计过程中应遵循的基本原则外，超限高层设计过程中还要针对框架-核心筒结构在超限高层应用中楼盖设计要求进行设计。在楼盖设计中应注重核心筒外缘楼板不能开洞口、核心筒内部楼板，厚度≥120mm，双层双向配筋。楼面梁不宜支承在核心筒外围的连梁上。通过针对框架-核心筒结构特点以及超限高层需求进行超限高层框架-核心筒结构的设计与应用，促进我国城市土地利用率的提高。另外，为了保障超限高层结构的抗震性能，结构设计过程中还需要针对抗震等级要求进行框架剪力墙结构设计与计算，保障超限高层结构的抗震性能。

4 核心筒结构优化设计理论

4.1 基本假设

（1）将楼层建筑物约减为均化分布于楼层高度上的连续性杆子，同时，将各个竖向上的零件视作一个整体，且基于梁来加以分析，通过连续连杆将其结合在一起，成为一个不可分割的整体。

（2）假设材料限定于弹性范围之内，且将结构的P-D实效。

（3）假设建筑物的结构处于同一楼层之处，相应的标高处的水平位移具有等值量。

（4）假设实际结构与连续性模型具有同等的总位能数值。核心筒建筑结构的简化模型以及水平连续化模型分别如图1、图2所示：

4.2 优化方法

由于要确切地对高层建筑物的抗侧力效应进行计算，难以通过常规性的数学公式加以计算，因此在本论文中，主要是从最优准则法以及遗传算法两个主要的途径来加以研究。

（1）最优准则法。该方法主要是通过规范化、工程经验、力学定义以及数学规划的最优化等多个角度来加以分析，从而构建某种准则，并基于相应的迭代方法来求解，从而得到了相应的解答，其主要的模式结构如下所示：

在上述目标函数的环境下，可以得出关于最优设计的恰当解，其途径包括质量最轻、材料最少、受力最小等，求得最优抗侧力的数值，从而达到核心筒布置的最优化方案。同时，该方法的优点也比较明显，即凸显出分析的重要性，同时可以减少一些次数，也可以达到一定的收效，即使问题规模地拓展，也并不会对计算的结果造成明显的后果。

当然，从实际的情况来看，该类方法具有一定的局限性，即由于约束条件的不同，也会相应地带来不同的检测准则，因此，其限制性条件较大。

（2）遗传算法。该类方法具有鲜明的生物模拟性特征，在这样的环境下，相应地可以创设出新的搜索优化方案，从相匹配的方法来看，具有简明易行的优点，同时步骤也显得比较规范、科学，从适应的范围来看，该方法更适用于规模较大、非线性、非连续性的多峰函数，同时，也与目标函数处于二者分离的状态，接口编程也易达到。

当然，该方法也同样具有一定的不足之处，譬如，统计意义的成立是该方法成立的前提条件，同时，在具体展开实际优化的过程中，其运行的效率并不高，且其运用的范围并不广泛，尤其是所研究的课题难度和规模在拓展之际，相应的计算时间也发生了递增的现象，更加深了运用的广度与实用性。