框架核心筒结构经济性分析和结构性能比较

胡时猛，尤军，成鑫磊

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

框架核心筒结构经济性分析和结构性能比较

胡时猛，尤军，成鑫磊

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

框架-核心筒结构体系同时具有框架结构和剪力墙结构的优点，被大量应用在我国民用建筑设计中。该文基于某超高层实例工程，分别以普通钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱及型钢混凝土柱为不同竖向构件建立模型，在不同竖向构件的情况下，针对框架-核心筒结构形式从结构形式、SATWE计算结果以及经济性统计等多个方面进行比较，以加深对框架-核心筒结构布置的理解和认识。

框架-核心筒结构；竖向构件；经济指标

0 引言

我国已经至少有3座超过600m的超高层建筑建成或待建，分别是于2014年8月3日结构封顶2015年投入使用的上海中心大厦（632m），以及待建的武汉绿地中心（636m）和深圳平安国际金融中心（660m）。这表明了超高层建筑在我国的发展现状及趋势。在结构高度增加的同时，建筑结构设计不仅要考虑风和地震作用，也要使结构平面布局有较大的灵活性。在框架结构中将剪力墙布置成筒体形式，使得结构体系同时具有框架结构和剪力墙结构的特性，此类结构体系可以广泛满足一般建筑功能的要求，通常被定义为框架-核心筒结构体系[1]。此外，框架-核心筒结构可以广泛应用在钢-混凝土混合结构之中，形成如钢管混凝土框架-混凝土核心筒、钢框架－混凝土核心筒结构等结构形式，这也是其优点之一。本文旨在不同竖向构件的情况下，针对框架-核心筒结构形式做出多个方面的比较，以加深对框架-核心筒结构布置的理解和认识。

1 工程概况

实例工程位于重庆，工程场地大部分地段基岩出露，场地类别为II类，设计特征周期为s，抗震设防烈度为6度。该工程地上38层，地下4层，标准层层高4.5m，房屋总高度172.8m，地下室深度17.2m，结构形式为框架-核心筒结构，工程中的竖向构件分别在PKPM模型中以钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱及型钢混凝土柱分别建立，图1（a-c）分别为钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱及型钢混凝土柱作为竖向构件的框架-核心筒结构标准层结构平面图。表1为3种结构形式下各自底层竖向结构截面信息。

图1 不同竖向构件下框架-核心筒结构标准层结构平面图

表1 不同结构形式下底层竖向结构截面信息

2 性能分析

2.1 结构周期

表2及图2给出了该过程在不同竖向构件结构前10阶振型下的自振周期。从表2可以看出，同阶情况下，钢管混凝土柱的自振周期最大，其次是型钢混凝土柱，而普通的钢筋混凝土柱的自振周期则是最小的。且每种竖向构件下，结构的振型振动及扭转情况均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2002[7]中对结构扭转效应的限制。结合表1底层竖向结构截面信息可以得到，钢管混凝土柱直径为1.2m，在3种模型中截面最小，因此，它所具有的刚度最小，根据自振周期公式T=2πx 可知，CFST柱模型下的自振周期最大。SRC柱与RC柱截面如表1所示，同理可知，RC柱因截面最大而得到最小的自振周期，SRC柱截面在3种柱截面中次之而提供第二大的自振周期。然而，从图2又能够直观地看出不同竖向构件下结构在前2阶之后的振型，其周期相差控制在1.5%以内，近似可以忽略，说明框架-核心筒体系的刚度主要还是由内筒提供，竖向构件对结构自振周期的影响相对较小。

表2 结构前10阶振型下的周期（单位：s）

图2 结构前10阶振型下的周期

2.2 层间位移

图3给出了结构在X方向风荷载作用下的最大层间位移。从图3中可以看出，钢筋混凝土柱的最大层间位移为2.42mm，出现在地面21层；钢管混凝土柱的最大层间位移为2.64mm，出现在地面21层；钢筋混凝土柱的最大层间位移为2.50mm，出现在地面20层。由于RC柱提供的侧向刚度最大，所以以RC柱为竖向结构的模型最大层间位移是最小的。而CFST柱由于截面最小，能够提供的侧向刚度在3种竖向构件中也是最弱的，因此其层间位移在3种结构中最大。同时，3种模型均为框架-核心筒结构体系，因此，在内筒影响下其最大层间位移出现楼层均在近似地面1/2处。基于标准层相同的层高，在X方向风荷载作用下，3种结构的最大层间位移角分别为，1/1861、1/1704、1/ 1797，均小于规范中对框架-核心筒结构最大层间位移与层高之比的限值，即1/800。

图3 结构在X方向风荷载作用下的最大层间位移

3 不同竖向构件对结构经济指标的影响

表3给出了不同竖向构件下，结构模型在PKPM工程量统计中所消耗的钢材量与混凝土量。从表3可以看出，钢管混凝土柱与型钢混凝土柱由于截面小于普通钢筋混凝土柱，其混凝土用量也因此较少，混凝土总量分别为普通钢筋混凝土的0.92和0.95。钢-混凝土混合结构形成的竖向构件，由于钢管对混凝土的约束影响，不仅使混凝土的抗压强度提高，而且还令结构破坏从脆性破坏转变为塑性破坏，CFST柱因此可以减少自身的箍筋用量，而SRC柱的箍筋可以按构造要求配置。根据表3可以看到，相比于普通RC柱，以CFST柱和SRC柱建立的模型在总体耗钢量上面也分别减少14.2%和4.4%。结合表1，底层CFST柱和SRC柱相比普通RC柱的截面分别减少55.9%和34.0%，即竖向构件将分别增加建筑面积1.43m2和0.87m2。钢-混凝土混合结构的柱可以节省建筑面积达到增加经济效益的效果（如：为车库范围提供更多的车面积），同时可以在现场施工中省去支模与拆模的操作，使得工期缩短，从另一方面增加经济收益。而且，随着竖向构件截面面积的减小，从建筑功能上再次结合CFST柱和SRC柱相比普通RC柱所减少的耗钢量和混凝土用量，可知使用钢-混凝土混合结构的竖向构件可以为建筑结构创造出不小的经济效益。此外，钢管混凝土与型钢混凝土由于自身较好的耐火性作为防火材料运用在建筑中，增加了结构的耐久性，因此也可以达到增加经济效益的效果。然而，施工钢-混凝土组合结构的竖向构件（CFST柱、SRC柱）与RC梁节点相对复杂，其节点施工的建造措施会造成施工成本增加，一定程度上会降低钢-混凝土组合结构的竖向构件所产生的经济效益。

表3 不同竖向构件下工程量统计

表4-表6分别列出了仅变化层高情况下（层高依次为3.6m、3.9m、4.2m、4.5m、4.8m），不同竖向构件建立模型由PKPM工程量统计中所得到的全楼耗钢量和混凝土用量。表4-表6均可以反映出，在不同竖向构件模式下的核心筒模型在层高变化时，其全楼耗钢量和混凝土用量均呈现出同一种规律：随着结构层高的不断增加，结构所消耗的钢材与混凝土也呈正比上涨。因此，结合建筑功能及需求，选择合适的结构层高，对于工程的耗钢量和混凝土用量有着一定的影响。

表4 不同层高下钢筋混凝土-核心筒工程量统计

表5 不同层高下钢管混凝土-核心筒工程量统计

表6 不同层高下型钢混凝土-核心筒工程量统计

5 结论

以钢管混凝土柱、型钢混凝土柱为竖向构件的框架-核心筒结构，具有较高的强度和刚度，以及良好的延性、抗震能力和不错的耐火性能。以中国建筑科学研究院的PKPM软件为计算工具，以某实例工程为模型，分别对各个模型下的结构周期、层间位移、经济性统计以及不同层高对结构影响进行了比较分析，得到结论如下：

（1）通过分析不同竖向构件下结构自振周期，结合周期计算公式可知，竖向构件随截面刚度增加而获得较小的周期计算结果。同时，对比3种模型下自振周期结果的绝对值差值，可知：框架-核心筒体系的刚度主要还是由内筒提供，竖向构件对结构自振周期的影响相对较小，结构在前2阶之后的振型，其周期相差控制在1.5%以内，近似可以忽略。

（2）通过分析不同竖向构件下，结构在X方向风荷载作用下的最大层间位移及位移角，得到：结构竖向构件提供的刚度越大，则其层间位移越大；3种模型最大层间位移出现楼层均在近似地面1/2处；基于标准层相同的层高，3种结构的最大层间位移角均小于规范中对框架-核心筒结构最大层间位移与层高之比的限值。

（3）对比不同竖向构件，在满足结构安全计算的情况下，结构模型在PKPM工程量统计中所消耗的钢材量与混凝土量：CFST柱与SRC混凝土总量分别为普通钢筋混凝土的0.92和0.95；CFST柱和SRC柱建立的模型在总体耗钢量上面也分别减少14.2%和4.4%。同时，随着结构层高的不断增加，3种结构所消耗的钢材与混凝土也呈正比上涨。

[1]刘阳冰.钢-混凝土组合结构体系抗震性能研究与地震易损性分析[D].北京：清华大学，2009：15-21．

[2]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社，2003：30-35．

[3]马洪轩.型钢（钢管）混凝土框架-钢筋混凝土筒体混合结构在高层建筑设计中的应用与研究[D].太原：太原理工大学，2009：5-8．

[4]李俊霞．重庆大剧院型钢混凝土梁的试验研究及极限承载力计算分析[D].重庆：重庆大学，2009：7-10．

[5]黄升，秦柏源．圆钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱、钢柱在几个方面的比较[J].华东公路,2010，184（4）：25-28．

[6]刘祖强．型钢混凝土异形柱框架抗震性能及设计方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012：6-9．

[7]中华人民共和国建设部．JGJ3-2010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．

责任编辑：孙苏，李红

Economic Analysis and Performance Comparison of Frame-Core Tube Structures

The frame-core tube structure has the advantages of both frame structure and shear wall structure,so it's largely applied in civil building design in our country.Based on a real case of a super high-rise building project,this paper establishes models with common concrete column,concrete-filled steel tubular and concrete-filled steel tubular as the vertical member of the structure,with the aim to compare from aspects of structural form,ASTWE calculation results and economic statistics,etc.to deepen the understandings and comprehension of the arrangement of frame-core tube structure.

frame-core tube structure;vertical members;economic index

TU973

A

1671-9107（2017）04-0061-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.061

2016-11-11

胡时猛（1972-），重庆人，研究生，高级工程师，主要从事结构工程研究及设计。