基于连接形式的超高层框架-核心筒结构的抗震性能分析

杨嘉琪，雷 浩（中建东孚投资发展有限公司，上海 200122）

近年来，高层建筑以其高效的土地利用率以及新颖的外观得到了广泛的应用。与此同时，为了控制地震作用下高层建筑的侧移，带加强层的框架-核心筒结构应运而生，并已广泛应用于实际工程中。但加强层的设置使结构沿高度产生刚度突变，在实际工程设计中，加强层与外围框架柱的连接方式对结构体系的受力和变形性能的影响成为亟待解决的问题。

本文将结合东莞国际贸易中心的工程实际，对框架-核心筒结构中伸臂在地震作用下的连接形式进行技术性、经济性比较，分析和探讨各连接形式的优缺点。

1 工程概况

本工程位于广东省东莞市，为东莞国贸中心，塔楼部分地上 88 层，地下4层，地面以上结构总高度 387m，平面尺寸 50m×50m，高宽比约 7.9。建筑功能主要为办公，顶部观光装饰部分周边有幕墙结构包裹。大楼预计使用人数超过 8000 人，按设防分类标准，本工程属于重点设防类建筑。该工程采用双重抗侧体系抵抗水平荷载，它们分别由钢筋混凝土核心筒（上部是钢筋混凝土核心筒，下部是型钢混凝土核心筒）和型钢混凝土柱，以及伸臂桁架及腰桁架组成。本工程处于6度抗震设防烈度区，同时按7度采取抗震构造措施。

核心筒采用现浇钢筋混凝土： C 60 高强混凝土可在达到同样强度的同时，减少结构占用面积，内墙通高壁厚 400 mm 。该工程采用横向人字形伸臂，横向人字形伸臂桁架设于 33～34 层、63 ～ 64 层，每道8榀伸臂穿过两个楼层，布置在平面角部，高度均为 9.47m，环带桁架设于 33 ～ 34层、63 ～ 64 层。

2 模型方案及对比分析

根据结构模型，通过设置伸臂与外框柱不同的连接形式和不同的伸臂截面类型，对其进行6度反应谱地震作用下的多个模型方案计算分析，得出各模型反应以探讨结构性能。具体模型方案见表1。

表1 模型方案

2.1 伸臂的连接形式及布置对结构自振特性的影响

伸臂与外框柱的不同连接形式对结构整体的抗侧刚度有直接影响，刚接的抗侧刚度最强，半刚接其次，铰接的抗侧刚度最弱，这也体现在结构自振周期的变化上。

由表2 中(T1、T2、T3分别指第 1、第 2、第3阶振型下结构整体的自振周期)所列数据可以看出，在伸臂与外框柱连接刚度逐渐增大的条件下，水平伸臂方案(方案 1～方案3)自振周期减小的程度明显大于横向人字形伸臂方案(方案4～方案 6)，也就是说水平伸臂方案对自振周期的影响相对更为敏感。此外，横向人字形伸臂方案的周期明显低于水平伸臂方案，这说明横向人字形伸臂方案比水平伸臂方案对结构的刚度贡献更大。

表2 结构振型信息

2.2 伸臂的截面及与外框柱的连接对单片抗侧力构件弯矩的影响

在框架-核心筒结构中，结构设置伸臂和环带以后，结构的传力途径在伸臂和环带处发生变化，框架与核心筒间的弯矩分配得以改变。由于伸臂布置在核心筒的四个角处，因此，这里取与伸臂一端相连的1根框架柱 E1柱为例（即 E轴与1轴相交的柱）进行分析。剪力墙也取与该伸臂另一端相连的 W 65（图1、图2）行分析， X 向多遇地震作用下 E1柱和 W 65 的弯矩见图1～图3。

图1 水平伸臂方案柱墙弯矩

图2 横向人字形伸臂方案柱墙弯矩

图3 两种伸臂方案刚接时柱墙弯矩

伸臂和环带的设置引起单片抗侧力构件的弯矩值在加强层及其附近楼层发生锯齿形突变。水平伸臂的突变数量大于横向人字形伸臂，这主要是因为水平伸臂设置在 32、34 层以及 62、64 层，这就使刚度的突变更加分散；而横向人字形伸臂的刚度则集中在 33 层和 64 层，这就使刚度突变的楼层更加集中。两种伸臂方案中，改变伸臂与外框柱的连接形式时，单片抗侧力构件中框架柱弯矩的突变均要大于剪力墙弯矩的突变，这说明单片抗侧力构件中框架柱弯矩的突变对伸臂与外框柱的连接形式更加敏感。水平伸臂方案和横向人字形伸臂方案对 E1柱的弯矩突变程度影响相当。但对于与伸臂直接相连的单片剪力墙，横向人字形伸臂方案引起的弯矩突变明显大于水平伸臂方案。这表明，在单片抗侧力构件中，侧向刚度越大的伸臂方案会给单片剪力墙带来更大的弯矩突变，这部分的剪力墙构件在抗震设计时也更应该被重视。

3 结 语

本文以实际工程为依托，对框架-核心筒结构中伸臂与外框柱的连接形式进行了深入分析，得出以下几点结论。

(1) 关于伸臂的截面及与外框柱的连接对结构整体性能的影响：不论是水平伸臂还是横向人字形伸臂，随着伸臂与外框柱之间的连接刚度增大，结构的自振周期都有不同程度的减弱。在连接刚度逐渐增大的情况下，水平伸臂方案自振周期减小的程度明显大于横向人字形伸臂方案。

(2) 伸臂的截面及与外框柱的连接对地震作用下单片抗侧力构件弯矩的影响：无论是水平伸臂方案还是横向人字形伸臂方案，伸臂与外框柱的连接形式总体来说对单片抗侧力构件的弯矩值影响较小。伸臂与外框柱的连接形式对水平伸臂方案单片抗侧力构件的影响大于横向人字形伸臂方案。两种伸臂方案布置中，改变伸臂与外框柱的连接形式时，单片抗侧力构件中框架柱弯矩的突变均要大于剪力墙弯矩的突变。在单片抗侧力构件中，侧向刚度越大的伸臂方案会给单片剪力墙带来更大的弯矩突变，这部分的剪力墙构件在抗震设计时也更应该被重视。