浅谈框架—核心筒结构

2014-10-21王润清

建筑工程技术与设计 2014年32期

王润清

【摘要】本篇论文介绍了在中国高层建筑中被广泛采用的框架—核心筒结构。通过其简单的力学分析，了解其受力特点。为了满足抗风抗震性要求，其具体的设计规范。通过上海中心大厦的简易分析，让人们简单深刻认识到框架—核心筒结构。同时提出了我国目前在框架—核心筒结构技术中研究方面的不足与问题。

【关键词】框架—核心筒；力学分析；设计

1、框架—核心筒技术的发展

框架—核心筒结构体系是伴随着高层建筑的发展而出现的建筑结构设计，属于筒体结构，用于30层以上的超高层建筑，经济高度不超过80层为限。简单来说，中央是钢筋混凝土核心筒（薄壁筒）外围梁柱构成的框架受力体系，一般梁柱距为5～12m. 框架—核心筒结构有不同的形式，其框架部分可采用钢骨混凝土柱（或钢骨混凝土柱）和钢梁的组合框架。此外，周边钢架必要时可设置钢支撑加强。

第二次世界大战后，伴随着钢材焊接技术的成熟和发展，世界和平带来的经济复苏。在世界范围内，掀起了高层建筑建设的高潮。尤其是在60年代美国人坎恩提出了框筒体系，为高层建筑的设计带来了理想的结构形式。芝加哥的Gateway III Building（36层，137米）是最早用到钢—混凝土混合结构的建筑。在这短短的几十年里，一座座摩天大楼拔地而起，这其中框架核心筒结构功不可没，尤其深受中国结构工程师喜爱。例如在我国位于陆家嘴金融贸易区的环球金融中心，高度达492米，地上101层，地下3层，为钢框架—混凝土核心筒结构。还有上海金茂大厦（88层420.5m）、深圳地王大厦（81层325米）。然而随着时代的进步，科技的发展，人类不断完善和衍生了新的结构设计。以中央核心筒为主导的高层建筑“内核”空间构成模式也受到挑战。

2、框架—核心筒结构的优越性

在建筑空间使用上可以很好的优化整合，争取了尽量宽敞的空间，将电梯、楼梯、设备用房以及卫生间、茶炉房等服务性用房向平面的中央靠近，那么相应的，人们的办公的功能空间就会有最佳的采光位置，视线良好。

双重的抗侧力系。钢筋混凝土筒体与框架相结合形成的双重抗侧结构能够满足高层建筑的抗风、抗震的要求。结构墙和筒体具有较大的侧向刚度，对结构的层间位移有很好的控制作用，并且在结构上部楼层部位延性框架与结构墙和筒体相互作用，可以起到明显的能量消耗作用。

结构面积小于钢筋混凝土结构。由于在钢框架—核心筒结构体系中，钢—混凝土混合结构中钢柱承担较少的剪力，其截面甚至可以小于钢结构中的柱子。可减少柱子在建筑面积上的使用，增大功能空间。

施工速度快。框架—核心筒结构的建筑物是通常安排混凝土核心筒先施工，然后根据筒体施工的进度安排钢框架的施工，最后压型板上浇筑混凝土。施工周期相应缩短。

3、框架—核心筒结构的简单力学力学分析

核心筒弯曲为弯曲型框架弯曲为剪切型

在受到水平荷载时，框架—核心筒结构具有一定的优势，当各层刚度相同时，单独的框架结构的侧移曲线是剪切型，曲线凹向原始位置，而核心筒的侧移曲线是弯曲型。这使得框架—核心筒结构的侧移曲线介于弯曲型与剪切型之间。在这种情况下，在结构底部，框架将核心筒拉向一侧，说明核心筒牵制着框架变形，而在顶部是框架牵制核心筒的变形，又由于刚度相同，侧向位移连续性变化，因此核心筒与框架这种组合形式具有良好的抗侧力，同时能够避免结构在柱上产生塑性铰，形成薄弱层。而且通过国内外的研究发现核心筒在地震作用下的开裂，导致整体的刚度和强度下降，核心筒底部剪力降低，而外框架承担的底部剪力显著提高，实现了内力的重新分布，同时连梁发生了屈服协调核心筒和外框架的协调抗震能力，故仍然具有良好的抗震性。

3、框架—核心筒受力特点

竖直上受力特点：在无加强层的情况下，随着结构高度的上升，核心筒和外框架之间的变形增大，外框架上的剪力和弯矩都随高度上升而增大。同时需要调整的内力和变形也增大，因此连梁上传递的内力也随之上升。

水平上受力特点：框架—核心筒结构平面上，核心筒受到大部分的剪力，而周边框架较少。同时若有大梁的楼板，则核心筒受到的剪力将会增加，但是核心筒受到的倾覆力矩将会减小。

4、以上海中心大厦为实例作简易分析

上海中心大厦结构上采用了“巨型框架—核心筒—伸臂桁架”抗侧力结构体系。巨型框架结构由8根巨型柱、4根角柱以及8道位于设备层两个楼层高的箱形空间环带桁架组成，巨型柱和角柱均采用钢骨混凝土柱。而核心筒为钢筋混凝土结构，截面形式由底区的方形逐渐过渡到高区的十字形。建立简易模型后，在框架—核心筒结构中，楼板相当于铰链连杆，框架与筒体通过楼板使它们在水平荷载作用下保持侧移一致，这时由受力特点可知，框架只承担很小的一部分水平荷载，筒体承担大部分水平荷载。所以核心筒所承受的倾覆力矩很大，而通过8道空间环带桁架（加强层）相当于伸臂将所有外围框架柱与筒体连为一体，形成一个整體结构来抵御倾覆力矩，因为有外柱参与使得结构的等效力臂增大，抗倾覆能力增大，从而更加安全。

5、简单对框架—核心筒结构抗震性分析

随着近年来，我国地震频发，国家对建筑的抗震性关注也很大，抗震性成为了建筑设计与施工的重要指标。框架—核心筒技术材料上采用了钢和混凝土，钢材的抗拉、抗压强度非常高，而且钢材结构断面小，自重轻，可以减轻基础的负载。在地震作用时，钢结构一部分能够进入塑性状态而不突然断裂，具有良好的延性，能够吸收一部分能量，但是随着建筑物高度的增加，钢框架结构变形就会很大，此时的钢筋混凝土做成的核心筒塑性相对较小，但是强度高，造价相对比钢结构低。这种结构充分利用了钢结构和混凝土的优点。在这样的简单的抗震分析中，可以看出框架—核心筒结构的合理性，优越性。

6、框架—核心筒的设计

1、核心筒设计

（1）核心筒为结构的主要抗侧力结构，要求有较大的侧向强度，当核心筒的宽度不小于筒体总高度的1/12时，结构的层间位移就能满足规定，当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。

（2）核心筒内部墙肢宜均匀、对称布置。

（3）筒体角部不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度。

（4）为提高核心筒个墙肢自身平面外的承载力和抗裂度，筒体墙的水平、竖向配筋不应少于两排。

（5）抗震设计时，核心筒的连梁宜通过配交叉暗撑、设置水平缝或减小梁截面的高宽比等措施来提高连梁的延性。

（6）核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20及200mm，对一级、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层高的1/16及200mm，对一级、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层高的1/16及200mm，当厚度不满足上述要求时，应计算墙体的稳定，必要时可增设扶壁或扶壁墙；在满足承载力要求以及轴压比限值（仅对抗震设计）时，核心筒可适当减薄，但不应小于160mm.

2、框架设计

国内外的震害表明，框架—核心筒结构在强烈地震作用下损坏程度明显大于核心筒。满足下式要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足要求的楼层，其框架承担的总剪力应按0.2V0与1.5Vf，max二者的较小值采用。

Vf ≥ 0.2V0

式中 V0——地震作用产生的结构底部总剪力的标准值。

Vf，max——地震作用产生的各层框架总剪力标准值中最大值。

各层框架柱在地震作用下的剪力和弯矩可按相应层的调整系数进行调整。

纯无梁楼盖会明显降低框架—核心筒结构的整体抗扭刚度，影响结构的抗震系数，因此在采用无梁楼盖时，仍须设置外周边柱间的框架梁。

框架的形状没有限制，框架柱距大，布置灵活，有利于建筑立面多样化。但结构平面布置尽可能规则、对称，以减小扭转的影响。核心筒与外柱距离一般以10～12m為宜，如果距离很大，则需要另设内柱。

3、楼盖结构

（1）应采用现浇梁板结构，使其具有良好的平面内刚度与整体性，以确保框架与核心筒的协同工作。

（2）核心筒外缘楼板不宜开设较大的洞口。

（3）楼面梁不宜支撑在核心筒外围的连梁上。