关于巨型框架-核心筒结构的超高层建筑

2018-08-01李貌

建材与装饰 2018年34期

李貌

（深圳市佳远集团有限公司广东深圳 518034）

1 引言

对于巨柱框架核心筒结构而言，它既可以充分发挥型钢混凝土结构的抗震性、稳定性以及防火性，同时在抗侧性方面也有着一定的优势。该结构在使用功能方面较为灵活，次结构传力相对明确，因而在超高层建筑中得到了广泛的应用。随着国内城市化进程的不断深化，超高层建筑的数量与规模急剧增加，做好该结构的研究有着极其重要的意义。

2 概述

2.1 巨柱框架核心筒结构的研究

一方面，由于该结构在经济方面有着较大的优势，因而在国内以及一些亚洲国家发展的较为迅速，并且应用范围越来越广。该结构应用过程中，由于钢框架有着轻质、高强、施工速度快等优势，并且钢筋混凝土核心筒在抗压能力与防火性能方面较为优越，两者有机结合的方式已经在国内的超高层建筑中得到了广泛的应用。另一方面，对于钢筋混凝土核心筒结构而言，其刚度较大，但是在强度方面存在着一定的缺陷；对于巨柱框架结构而言，其性质正好相反，其在抗震性能方面存在着一定的欠缺。设计施工过程中，如果一味的增大建筑构件的截面尺寸，不仅会造成使用空间的浪费，收效甚微，另外在经济性方面也存在一定的不足。但是，对于巨柱框架核心筒结构而言，其利用巨型钢框架以及巨型支撑、伸臂桁架、核心筒等结构形式，可以有效提升建筑的抗震性能。

2.2 抗侧性分析

随着超高层建筑高度的不断增加，建筑结构的抗侧刚度将会急剧下降，设计过程中如果一味地增大构件截面尺寸，不符合经济性要求。为了有效提升巨柱框架核心筒结构的抗侧刚度，提升超高层建筑的抗震性能，可以采取以下几点措施进行改善：①适当增大结构中巨型梁以及伸臂构件的尺寸，但是这样一来将导致结构的刚度过于集中，因而不利于结构抗震；②适当加大巨型梁以及伸臂的道数，但是这一做法可能受到建筑、设备等因素的制约；③设计过程中可以将巨型梁或伸臂的高度扩大一层；④在结构外框架上设计相应的巨型支撑。

2.3 结构研究存在的不足

2.3.1 规范执行过程中存在问题

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中多道防线的思想，对于建筑外框剪力分担系数进行了明确的说明，对于筒体结构而言，该系数的限值为10%。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中，也对于这一系数进行了规定。但是，在进行实际的设计工作时，大多数的巨型-框架核心筒结构不能达到规范的要求。甚至在一些工程实例中，框架结构所能承担的地震剪力仅仅是结构总体剪力的5%左右，相比于规范中的要求存在着明显的差距。在进行超高层建筑的抗震审查工作时，审查专家将会对控制指标提出更为严格的要求，甚至一些系数要求比规范条文中的严格。为了可以达到这一要求，建筑中的构件截面尺寸将会不断的提升。这不仅会对设计的合理性造成影响，同时也需要付出巨大的经济代价。广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）中，明确规定巨型框架-核心筒结构抗震设计时，核心筒应承担全部地震剪力，同时巨柱承担的地震剪力取不小于框架按刚度分配的地震剪力标准值的3倍。

2.3.2 对于双重防线概念的认识不足

在进行建筑结构的抗震设计工作时，我国对于结构性能的要求定的较高，尤其对于超限高层建筑，甚至一些要求很难得到贯彻。这样一来，就导致对于双重抗震体系抗震效果的认识存在一定的缺陷。一方面，存在一部分的建筑结构，其能够在振动台试验以及弹塑性分析工作中保持不错的弹性，但是如果以此为依据断定建筑结构有着良好的抗震性能，那么相关结论不够科学。另一方面，对于一些混合结构而言，在进行试验与结果分析时，可以得到大震条件下核心筒损伤破坏、外框柱却不发生损坏的现象。由此断定外框设计的太弱或者是太强也不具科学性。对于双重防线而言，要将抗震安全作为基本的目标，并且还要兼顾到经济性、适用性等方面的要求，过于追求安全系数是缺乏科学性的。现阶段，普遍认为双重防线破坏的合理模式应该是小地震作用下，超高层建筑可以凭借核心筒（第一道防线）来发挥抗震的作用；中大震作用下，可以允许核心筒受到一定程度的破坏，但是随着破坏程度的加剧外框柱的能力要得到充分的发挥。此外，还要保证外框自身具备较强的延性与承载能力，并且还要确保在后续的地震过程中不出现严重的破坏问题。

3 关于巨柱框架核心筒结构的超高层建筑的研究

3.1 计算模型的建立

通过参照相应的工程实例，模型建立过程中创建了一个85层的巨柱框架核心筒结构，并将其作为初始模型A。具体数据方面，这一模型的层高为4m，总体高度达到了340m。在平面尺寸方面，设置为41.6m×41.6m。在建筑中的第17、34以及51、68、85层，都相应的设置了一道巨型梁以及伸臂桁架，并且两者结合共同构成了加强层，其中建筑的平面布置如图1所示，建筑主要构件的截面尺寸打下如表1所示。模型建立过程中，将巨柱与次柱设定为型钢混凝土。其中巨柱的含钢率达到了9～10%，次柱的含钢率达到了5～6%。另外，该模型中连梁的高度是700mm，柱、墙结构所用的混凝土强度等级是C60。模型中，楼板的厚度为150mm，所用混凝土的强度等级是C35。此外，模型中所有的钢材都选用Q345。

图1 建筑模型A的第17层平面和三维示意图

另外，在模型A的基础进行了相应的变化，其中模型B是将1层高的巨型梁变换成两个楼层，模型C是将1层高的伸臂桁架结构变化成跨越两个楼层，模型D是在巨型框架上设置相应的巨型支撑。这一过程中，假定抗震设防烈度是Ⅷ度，建筑场地是Ⅲ类。

3.2 模型分析

模型A到D的不同振型周期见下表2所示，其中，该结构在平面布置方面采用X、Y方向对称的形式。因而在振型方面1与2的周期具有一致性。此外，通过进行跨越两个楼层的巨型梁设置，可以有效的降低结构的平动周期。通过对B、C模型的周期进行对比，可以得出伸臂的双层设置对于结构周期变化有着较大的影响。从模型D的周期能够看出，通过加设巨型支撑的方式可以提升结构的整体刚度。

表1 建筑主要构件的截面尺寸（mm）

表2 模型A～D前6阶周期对比（s）

3.3 结构侧移分析

研究过程中，主要以水平地震作用为主进行结构抗侧能力的分析。在进行计算时，主要应用振型分解反应谱法对水平地震作用进行研究。通过对模型A～D不同楼层的位移以及最大层间位移角进行计算，并且把巨型梁以及伸臂桁架的层数增加1层，都可以看出不同建筑结构的顶层侧移以及最大层间侧移角出现了不同程度的降低。需要注意的是，通过增加伸臂高度的方式能够获得更为显著的效果。这就表明，巨型框架结构能够有效的提升建筑整体结构的抗侧能力。因而，如果实际设计过程中，建筑结构的最大层间位移角出现了超限的问题，那么可以通过设置双层巨型梁或者是伸臂的方式来提升结构的抗侧能力，同时也可以通过增设巨型支撑的形式来实现。

3.4 楼层侧向刚度比分析

在进行超高层建筑结构的设计过程中，要确保楼层的侧向刚度超过相邻的上部楼层侧向刚度，并且在数值方面要达到70%左右。如果存在加强层，那么结构的刚度将会发生明显的突变，进而导致薄弱层的形成。通过对楼层侧向刚度比数据的计算，能够更加直观的发现结构刚度突变的部位。对于因设置加强层而形成的刚度突变楼层位置，可做进一步中、大震抗震性能分析，提高相应抗震措施，保证结构的整体稳定及承载能力。