高层钢筋混凝土框架——核心筒结构实例分析

李玉春 乔一龙 李晓男 刘 梅 刘永川 翟祝贺 罗 娜

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）2蓬莱市建设工程事务服务中心（265600）

0 引言

框架-核心筒是近年来多高层建筑中广泛应用的一种结构体系，是由剪力墙围成的核心筒与外围的稀柱框架组成的筒体结构，是框架-剪力墙的一种特殊形式。根据建筑功能可布置为单筒、双筒或者 多筒，一般在核心筒处布置楼梯间、电梯间、竖向设备管井及公用 服务房间，周边柱距较大，方便建筑灵活布置，通过框架外挑又可 以形成丰富的立面效果。对结构而言框架具有承受竖向荷载能力强、截面尺寸小等优点，但存在着抗侧刚度小的缺点；而剪力墙筒体具 有具有较大的抗侧刚度和较好的抗剪能力，此体系充分利用了二者各自的优点。因此在工程中应用较广。

1 工程概况介绍

升龙国际中心C区8号楼是一栋高层建筑，位于郑州市二七区大学路政通路交叉口东北角，为升龙集团尚锦地产开发的高层写字楼。配合建筑使用功能，本工程采用框架-核心筒结构体系。地下1层车库，地上29层，其中1~4层为商业，5~29层为办公区。商业层高5.0 m，标准层层高为3.15 m，结构总高99.5 m。建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g，设计地震分组为第一组，场地类别为II类，基本风压为0.5 kN/m2。该结构框架和核心筒的抗震等级为2级。地下室连为整体，建筑嵌固端设在地下室顶板。标准层结 构布置方案如图1所示[1]。

2 框架-核心筒结构特点

框架-核心筒结构是一种双重抗侧力体系。其框架和剪力墙筒体两种受力和变形能力不同的超静定抗侧力构件组成，每种构件都具有一定的刚度和承载力，可以承受一定的水平荷载，通过楼板连接而协同工作，共同抵抗外力。在水平荷载作用下，框架呈剪切型变形，剪力墙则呈弯曲型变形。在楼板水平刚度足够大时，使两者变形协调，整体结构呈现弯剪型变形，变形曲线如图2所示。

图1 8号楼标准层结构平面布置图

图2 框架-核心筒结构变形曲线

在下部楼层，剪力墙位移较小，它拉着框架按照弯曲型变形变形，剪力墙承受大部分水平力；上部楼层则相反，剪力墙位移越来越大，有外倒的趋势，而框架则呈内收的趋势，框架拉着剪力墙按照剪切型曲线变形，框架除了负担荷载产生水平力外，还额外负担了把剪力墙拉回来的附加水平力。在结构上部，剪力墙可能会出现负剪力。框架部分承担的层剪力一般在底层最大，往上逐渐增大，然后再逐渐减小。

3 结构方案布置

结构平面布置如图1所示。标准层X向51 m，Y向40 m。核心筒X向19 m，Y向12 m。通过合理布置核心筒墙体，分为两个小筒，通过强连梁连接。筒体外墙在底层厚度为400 mm，往上逐渐递至顶层300 mm；筒体内墙由300 mm递减为250 mm厚；电梯井隔墙200 mm厚。控制柱跨在11 m以内，X向6排柱，Y向4排柱。框架柱截面底层1 300 mm×1 300 mm，往上逐渐递减至顶层900 mm×900 mm。底层墙柱混凝土等级C55，往上逐渐递减至C30。工程设计中墙体厚度与框架柱截面选择及变化应根据计算结果控制，需满足周期、位移、刚度、轴压比等多项指标的要求，同时应满足建筑使用功能的要求。对于高层建筑，尤其是超高层，为了保证结构整体刚度均匀变化，满足轴压比 的前提下建议同一种竖向构件截面尺寸持续3层以上，避免墙柱截 面同时改变，且与混凝土等级的变化错开。考虑走廊净高要求，与筒体外墙平面外相连框架梁650 mm×650 mm，搭接处增加墙厚，设置暗柱，按框架柱通过计算确定其配筋。周圈框架梁截面为700 mm×750 mm，需要注意的是，由于筒体刚度较大，框架-核心筒结构周圈边框梁截面不宜过小，否则结构周圈刚度不足，不易控制结构的扭转效应。

4 结构整体计算结果及分析

本工程8号楼的计算分析采用SATWE空间有限元分析与设计软件，地震作用采用考虑扭转藕联振动影响的振型分解反应谱法进行计算分析。

4.1 结构的周期、振型及周期比

结构的周期、阵型及周期比的计算结果见表1，图3为结构前3个阵型的空间阵型图。周期比是控制结构扭转效应的一个重要指标，其控制的是侧向刚度与扭转刚度的相对关系，其目的是使抗侧 力构件的平面布置更为合理，让结构不出现较大的扭转效应，A级高度高层建筑的第一扭转自振周期T与第一平动自振周期T之比，不应大于0.9。本工程结构阵型较为纯粹，周期比0.877，满足规范要求。

表1 振动周期、X，Y方向的平动系数、扭转系数

图3 8号楼前3振型空间振动简图

4.2 位移比及层间位移角

表2 为结构在规定水平力作用下的楼层位移及位移角的计算结果。位移角是构件截面大小、刚度的一个相对指标，在正常使用条 件下，保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求。对于框架-核心筒结构，规范规定限制为1/800。而位移比基于刚性楼板假定，主要目的为控制结构的扭转变形要小于平动变形，避免结构在地震作用下因扭转而破坏。《高规》中规定A级高度的建筑在考虑偶然偏心影响的规定水平力作用下，楼层竖向构件的最大位移和层间位移不宜大于该楼层平均位移的1.2倍，不应大于平均位移的1.5倍。由表2可以看出，本工程的位移比和层间位移角均能满足规范要求，并且没有发生突变。在实际工程中，核心筒宽度与结构总高的比值不应小于1/12，合理的布置内筒墙体，保证足够的外墙厚度与边框柱尺寸，则基本能使结构满足位移比与层间位移角的要求[2]。

表2 位移及位移比计算结果

4.3 楼层受剪承载力之比与楼层侧向刚度之比

受剪承载力之比与侧向刚度之比是控制结构竖向不规则的重要指标，设计中应使下部楼层的刚度大于上部楼层，避免变形集中于刚度较小的下部软弱层。规范规定下侧楼层侧向刚度不应小于上部相邻楼层的70%，或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。刚度突变使地震作用下结构楼层剪力突变，形成薄弱层破坏。故规范规定A级高度建筑的楼层层间抗剪承载力不宜小于上层的80%，不应小于上层的65%。本工程层高变化均匀，平面布置在标准层范围内没有大的变化，墙厚和框柱截面交替均匀变化。但5层商业层高较大，且带有局部裙房，由此判断刚度在裙房屋面发生突变。经过粗算，第5层X、Y向抗剪承载力之比分别为0.75和0.77。通过调整上下层连梁高度，使最终计算结果为0.81和0.83，满足规范要求。

4.4 刚重比和剪重比

对于高层建筑，其在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性 较小。高层建筑的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应即P-△效应不能过大，以免引起结构的失 稳倒塌。而结构的刚度和重力荷载之比即刚重比是影响重力P-△效应的主要参数，若结构的刚重比能满足高规中1.4的要求，在重力P-△效应可控制在20%以内，结构稳定具有适宜的安全储备，若进 一步减小，则重力P-△效应将成非线性增长，直至引起结构的整体失稳。本工程的刚重比:X向为2.8，Y向为2.9，均大于1.4且大于2.7，可以通过整体稳定验算，不需考虑重力二阶效应。

剪重比为地震作用与重力荷载代表值的比值。主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。剪重比是规范考虑长周期结构用振型分解反应谱法和底部剪力法计算时，因地震影响系数取值可能偏低，相应计算的地震作用也偏低，因此出于安全考虑,规范规定了楼层水平地震剪力的最小值。若楼层水平地震剪力小于规范对剪重比的要求，水平地震剪力的取值应进行调整，《抗规》第5.2.5、《高规》4.3.12条明确要求了楼层剪重比。剪重比若不满足规范要求，说明结构的刚度相对于水平地震剪力过小；但剪重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当调整墙、柱等竖向构件的截面面积。规范规定本工程最小剪重为2.4%，剪重比及地震剪力调整情况见表3。

表3 剪重比调整情况

4.5 框架地震剪力调整和抗倾覆力矩

为了保证结构形成双重抗侧力体系，抗震设计时，框架承担的层 剪力至少为基底总剪力的20%，或者框架的计算层间剪力的1.5倍（取二者较小值）。当不能满足此要求时，应在剪力墙的内力不做调整的同时，按照要求的比例调整增大框架的内力。对框架-核心筒结构，应控制框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部总剪力标准值的10%，否则应按《高规》9.1.11条进行相应的调整。本工程20%底部剪力:X向为4 291 kN，Y向为4291 kN。1.5倍层间剪力最大值:X向为10 798 kN，Y向为8 409 kN。0.2V0调整系数如图4、5所示。

地震作用下，核心筒作为结构第一道防线，承担了大部分水平地震作用，框架作为第二道防线仅承担竖向荷载和小部分水平地震作用。形成多道抗震设防，形成一种安全可靠的抗震结构体系。现实工程中，建议合理选择核心筒的宽度、墙体布置、外墙厚度和框架柱截面，尽量保证框架部分承担抗倾覆力矩占总地震倾覆力矩的10%~50%。如不能满足此要求，请参照《高规》8.1.3条，采取相应的设计方法[3]。

图4 框架地震剪力调整系数-X向

图5 框架地震剪力调整系数-X向

5 抗震构造措施

本工程对采取的加强措施和设计中遇到的一些问题列举如下:

5.1 核心筒

筒体底部加强区的墙体配筋率提高为0.3%。角部墙体约束构件长度为墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件应主要采取箍筋，在底部加强区以上部位也应按照剪力墙相关要求设置约束边缘构件。计算和构造均应满足筒中筒结构的相关要求。箍筋直径最小10 mm，箍筋间距最大100 mm，建议设置交叉暗撑。

5.2 框架柱、梁

由于标准层层高较低，框架柱均为短柱，箍筋沿全高加密。对角柱应按双向弯曲计算其配筋。与剪力墙重合的框架梁可保留，也可做成与墙同宽的暗梁，高度为2倍墙厚或与相连框架梁等高，按构造布置连梁配筋。由于柱距较大，对大跨的次梁尚应进行挠度和裂缝验算。

5.3 楼板

核心筒内由于楼板开洞较多，板厚至少取120 mm，双层双向配筋。核心筒外侧走廊板厚也应适当加强，以保证水平力的有效传递。考虑楼板的翘曲的不利影响，避免楼板角部产生裂缝，框架-核心筒角 部宜设置双层双向钢筋，配筋率单层单向不于0.3%，钢筋直径不应小与8 mm，间距不应小于150 mm，配筋范围不宜小于外框架至内筒外墙中距的1/3和3 m。框架核心筒结构多为大开间办公室或者公寓，楼板跨度一般较大，对跨度超过4.4 m的楼板板厚不宜小于120 mm，采取双层双向配筋。

5.4 薄弱环节设计

①裙房顶层楼板板厚最小为120 mm，双层双向配筋；对屋面上层 和下层楼板均采取加强措施；②墙柱截面和混凝土等级在6层以下不做改变，在标准层应交替变化，保证竖向构件在层高范围内的平 稳过渡；③对超过2 m的长悬挑梁考虑竖向地震，并配置抗扭腰筋；④配合幕墙安装需要尽量做封边梁或者挑板，不做下挂板，保证边梁宽度和挑板厚度不小于200 mm；⑤对屋顶造型应重点考虑风荷载作用。

6 结论

框架-核心筒结构体系中，框架承担的剪力和倾覆弯矩都较小，在抗震设计中，外框架承担的内息需按照规范进行调整，达到一定的比例，才能成为双重抗侧力体系，达到多道抗震防线的设计要求。钢筋混凝土墙体是结构体系的主要抗侧力构件，应重视核心筒的抗震性能，加强核心筒的承载力和延性，保证多道抗震设防体系的有效发挥。