框架核心筒结构设计要点

张 辉 任北辰

(1.运城市建筑设计研究院，山西 运城 044000; 2.美国奥本大学工学院土木工程系)

0 引言

钢筋混凝土框架—核心筒结构是高层建筑中常见的一种结构形式，钢筋混凝土核心筒体具有较大的抗侧向刚度作为建筑中主要的抗侧力构件，水平荷载作用时,对结构侧向位移能够很好地控制；在上部楼层位置，筒体与框架相互作用,延性增强，有明显的耗能作用。本文围绕框架—核心筒结构的受力特点，在各个设计环节做以下的总结。

1 框架—核心筒结构的特点

表1 不同抗震设防烈度下筒体结构房屋最大适用高度 m

筒体结构包含框架—核心筒、筒中筒两类：由核心筒与外围的细框架柱组成的筒体结构称为框架核心筒结构；由核心筒与外围不大于4 m的密柱和高度较高的框架梁或壁式框架组成的筒体结构称为筒中筒结构。实际上两者传力方式存在有较大区别。筒中筒结构的内筒以承受水平剪力为主，外框筒主要承受轴向荷载，两者承受的抗倾覆弯矩大致相差不多，是一种双重抗侧力结构体系；框架核心筒结构的框架柱数量少且柱距大，框架部分承受的水平剪力和倾覆力矩都很小，核心筒承受了绝大部分(80%～70%)的水平剪力和倾覆力矩；两者相比筒中筒结构具有较好的抗震能力，可以建设更加高的超高层建筑，从表1的最大适用高度也可以体现出两种结构形式的差别。

框架核心筒结构在建筑布置方面具有的优越性：可以利用建筑的竖向井道：电梯井、通风井、电缆井等，附属用房：楼梯间、设备间、卫生间等的隔墙布置剪力墙并布置在建筑的中央形成核心筒作为结构的主要抗侧力构件，在核心筒外围布置框架梁柱，框架柱间距可以达到8 m～9 m，甚至更大一点，柱的数量一般较少，框架柱的布置方式可以多样化，从而能够将建筑立面设计的灵活多变，外墙能够开设较大的窗洞，平面上可以争取尽量宽敞的使用空间，主要使用空间得到了最好的采光位置，房间视线开阔和内部交通组织方便；框架核心筒结构的受力与变形特性同框架剪力墙结构类似，由于它的平面布置规则、通过楼层板协同使得核心筒抗水平力作用具有空间效应，这样它的力学特性与抗震性能比一般的框架剪力墙结构要优越，能够适用较高的高层建筑。

框架核心筒与筒中筒结构典型平面布置如图1所示。

2 框架—核心筒结构平面布置设计要点

平面形状：框架—核心筒建筑平面形状宜优先选用正方形或者接近方形的矩形平面布置，也可以选用正多边形、椭圆形、圆形、三角形等平面布置，核心筒布置的位置宜居中双轴对称，从而使偏心减少到最小；对于单个核心筒矩形平面一般长宽比不宜大于2.0；当核心内筒偏置或长宽比大于2时，宜采用框架—双筒结构平面布置的形式。

核心筒剪力墙布置：核心筒墙肢的布置要均匀、对称，核心筒的外筒宜闭合；剪力墙宜优先布置于楼梯间、电梯间及竖向井道位置处，并应尽量避免在核心筒角部开洞，如若无法避免时，洞口宜设置在边缘构件范围之外；在核心筒外墙布置洞口时，应尽量避免在其水平方向连续开洞，当洞口间墙肢截面的高厚比小于4时，宜按框架柱进行截面设计，并采取加强措施。

核心筒尺度：核心筒的高宽比宜小于12，且核心筒的边长宜不小于外框架或外框筒相应边长的1/3。通常情况下，当核心筒的尺度满足上述要求时，结构的层间位移就能满足规范规定。若在核心筒外的框架内采取相应的加强措施以提高结构整体刚度后，可将核心筒宽度进行适当缩减。

框架布置：框架核心筒结构中核心筒墙体与外周框架柱之间的距离不宜过大；当核心筒的外墙与框架柱的中间距离：非抗震大于15 m、抗震大于12 m时，宜增设内柱来减小框架梁高对层高的影响，如图1所示。必须在框架—核心筒结构的周边柱间设置框架梁，在外框架与核心内筒之间一般设框架梁，也可以不设梁做成平板；框架梁、柱宜双向布置，梁、柱中心线宜重合，如难于实现时，宜根据高规第6.1.7条的规定在梁端布置水平加腋构造措施；对于9度抗震设防地区不应采用梁柱偏心较大的结构方案；抗震设计时，框架梁的截面尺寸可以按照框架结构的要求控制，框架柱的轴压比按照高规第6.4.2条控制设计,角柱应按双向偏心受压构件计算(即总信息柱配筋计算原则选按双偏压计算)；如果建筑条件许可时宜加密外侧框架柱、加大框架梁截面的高度或在外侧远端对称布置剪力墙等加强外框架的侧向刚度的设计措施。

3 框架—核心筒结构竖向布置设计要点

框架—核心筒中的核心筒宜沿建筑物全高贯通；墙体的厚度及其混凝土标号，宜在核心筒底部加强部位及其相邻上一层的高度范围内保持不变；超出该高度范围时，可在侧向刚度符合竖向规则性要求的前提下，根据内力的变化及建筑的功能要求，对墙体的厚度、核心筒内部墙体的数量进行合理调整；从基础至屋顶核心筒内墙体无变化不经济，如图2所示。框架结构的框架柱，应沿竖向保持贯通，并应避免在结构的中下部进行抽柱收进；框架柱沿竖向范围内的截面尺寸及其混凝土标号的变化，宜与核心筒墙厚的变化错开楼层。

核心筒墙体的稳定验算应按高规附录D进行，且内、外墙的厚度均应满足最小构造要求；剪力墙平面外稳定与该层墙体顶部所受的轴向压力的大小以及墙厚与层高或无肢长度的比值密切相关。为保证核心筒内力变化保持连续，核心筒外墙上的较大门洞(指洞宽不小于1.5 m)宜沿竖向连续布置；同时，为保证核心筒具有较强的抗弯能力与整体刚度，连梁的跨高比不宜大于4，且其截面高度不宜小于600 mm。

当框架核心筒结构的侧向刚度较小，无法满足设计要求时，可根据实际情况，采取加大核心筒的截面尺寸，或在外框架的局部布置剪力墙或斜撑构件等措施，以提高结构的侧向刚度，进而避免或减少设置加强层。

4 楼盖设计要点

优先采用现浇钢筋混凝土梁板结构楼盖，当楼板的跨度大于10 m时，宜采用后张预应力楼盖，使楼盖具有良好的平面内刚度和整体性，以便能确保框架与核心筒的共同协调工作；当框架核心筒结构的楼盖采用平板无梁楼盖时，无梁楼盖基本上不传递弯矩和剪力；当在楼板中设置连接外柱与内筒的框架梁后，增加了结构的抗侧刚度，结构的周期缩短，结构的顶点位移和最大层间位移减小，加梁后的外围框架柱轴力增大，使得周边框架柱承受的倾覆力矩加大、剪力减少，核心筒承受的倾覆力矩相对减少、剪力相对增加，从而能充分发挥周边框架柱的作用。所以框架核心筒结构优先采用有梁楼盖。核心筒内部的楼板由于布置了楼梯间、电梯井和各种设备竖向管道井，其开洞比例很高，为了加强其整体性，使得其能有效地约束墙肢的扭转与翘曲及传递水平地震力，故核心筒内楼板的厚度宜不小于120 mm，并采用双层双向拉通的配筋方式。

楼盖主框架梁不宜支承在核心筒或内筒的连梁上，楼层结构布置宜使外框筒角部承受较大的轴力；筒体结构角区楼盖两个方向的主框架梁不宜集中支承在核心筒的转角处墙上，当不可避免时，宜采取可靠措施，如核心筒的转角处布置合适截面的端柱或把梁端边偏离角区不小于300 mm，这样就避免了筒体角部边缘构件钢筋与梁端钢筋交接过密而影响混凝土浇筑质量的问题。

筒体结构的双向楼板由于筒体刚度分布比较集中，在竖向荷载作用下，会引起四周外角的上翘；由于受到剪力墙的约束，加之楼板混凝土自身的收缩，以及温度变化的影响，使得楼板外角可能产生斜裂缝。为防止这类裂缝的出现，适当采取加强措施：楼盖外角板配筋示意图见图3。

5 结构计算要点

抗震设计时，应根据高规第9.1.11条对框架—核心筒结构的框架部分进行有关内力调整，内力调整一般由计算程序完成，设计师应在总信息中选对结构形式。核心筒外墙的连梁刚度折减系数，其取值不宜小于0.5。

支承在核心筒外墙上的框架梁，可以依据梁的支撑条件，分别确定其计算简化模型。对于满足下列三种状况的梁端支座均应按照刚接支座计算：1)当沿框架梁轴线方向有剪力墙相连时；2)当核心筒外墙的厚度大于框架梁上部纵向钢筋直锚长度0.4Lae，且梁端核心筒内侧的楼板无洞口时；3)梁支座处设置扶壁柱时。对于不满足上述三种状况的梁端支座宜按照铰接支座计算内力。

参考文献：

[1] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[3] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范(2015年版)[S].