南宁某高层研发办公楼结构体系选型分析

□ 孙 昌 农文婷

1 工程概况

项目位于广西壮族自治区南宁市高新区，建筑面积约26400m2，地上27层（不含屋顶设备房及构架层），地下2层，首层层高7.9m，2层层高4.6m，其余各层层高3.5m，建筑总高度约99.9m。典型的结构平面布置图，如图1所示。剪力墙结合建筑疏散楼梯、电梯井、设备管井等竖向空间集中在建筑中部区域，框架柱布置在建筑周边形成开敞室内空间。从结构体系而言，该布置方式属于规范中规定的框架—剪力墙结构还是框架—核心筒结构[1]，未有明确的规定，需要进一步分析与探讨。由于选取的结构体系不同，相应的结构抗震等级、抗震措施、计算指标以及构件的配筋要求不同，因此对研发办公楼项目的剪力墙集中布置在结构中部时的结构体系需要明确。

图1 标准层结构平面布置图

2 框架—剪力墙结构与框架—核心筒结构的特点

2.1 框架—剪力墙结构与框架—核心筒结构的定义

框架—剪力墙结构是由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构。框架—核心筒结构是由核心筒与外围的稀柱框架组成的筒体结构。框架—核心筒是筒体结构形式中的其中一种[1]。

2.2 框架—剪力墙结构的受力特点

框架—剪力墙结构是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构体系构成的受力形式，因此框架部分不同于纯框架结构体系中的框架，剪力墙部分也不同于剪力墙结构体系中的剪力墙。在结构的中、下部楼层，剪力墙的水平侧移较小，拉动框架部分按弯曲型的曲线变形，剪力墙承受大部分的水平力，上部楼层则相反，剪力墙水平侧移越来越大，有向外倾的趋势，而框架则有向内收的趋势，框架拉着剪力墙按剪切型的曲线变。如图2所示。框架除了承担外荷载产生的水平力外，还承担了把剪力墙拉回来的附加水平力。在结构的上部楼层，即使外荷载产生的楼层剪力很小，框架部分也会出现较大的水平剪力[2]。

图2 框架—剪力墙结构的侧移变形曲线

2.3 框架—核心筒结构的受力特点

框架—核心筒结构在水平作用下的变形特征与框架—剪力墙结构一致，呈弯曲—剪切型变化。不同之处在于核心筒剪力墙围合而成的筒体在水平力作用下必须保证空间整体截面协同工作，即筒体腹板截面上的轴力分布基本上是符合平截面变化规律的。如图3所示。

图3 核心筒的受力状态

3 研发办公楼结构体系选型

结合文献及电算结果从以下方面对研发办公楼的结构体系综合判别如下：

（1）建筑平面布局。建筑平面外部为框架，柱距8m～9m，由于外围框架与内部筒体之间跨度较大，增设了一排内柱；中部核心筒较完整，核心筒沿Y向偏心布置。从平面布置形式看符合框架—核心筒结构的平面布置要求。

（2）核心筒的平面尺寸。核心筒的平面长、宽尺寸与建筑平面尺寸的比值l/L（b/B）是否大于0.35。赵西安统计了国内已建成投入使用的部分高层框架—核心筒结构，发现核心筒尺寸与建筑平面尺寸比值多为0.35～0.55，比值在0.35以下的框架—核心筒结构数量较少[3]。因此从使用的角度出发，对于一般的高层建筑可近似取0.35作为判断结构体系是否属于框架—核心筒结构的下限值。研发办公楼的核心筒尺寸18.2m×9.15m，建筑平面尺寸37.4m×24.05m，l/L（b/B）比值为0.49/0.38，基本符合框架—核心筒的平面尺寸要求。

（3）核心筒剪力墙的完整性。核心筒剪力墙是否为实腹墙或可以等效视为实腹墙是水平作用下核心筒能否按平截面假定发挥空间作用效应的重要依据。当核心筒剪力墙的墙体开洞较多、墙肢形成弱连梁而导致核心筒在水平力作用下失去平截面工作特征时，不符合框架—核心筒结构的本质特征，应按框架—剪力墙结构设计。考查底部加强区1层～3层的墙肢在水平地震作用下的轴力分布图。从图4可看出X向的墙肢中间洞口较大，连梁较弱，两片墙肢基本属于单独工作状态的受力状态，不符合平截面假定。从图5可看出Y向墙肢由于洞口较小，受力基本符合平截面假定。

图4 X向地震作用下C轴处墙体（1层～3层）轴力分布图

图5 Y向地震作用下2轴处墙体（1层～3层）轴力分布图

（4）底层核心筒剪力墙承受的地震倾覆力矩。若底层核心筒剪力墙所承担的地震倾覆力矩小于底层结构总倾覆力矩的50%，即使核心筒整体性能很优越同时又能发挥空间作用效应，但剪力墙不再是主要抵抗水平作用的结构构件，此时结构体系不该判定为框架—核心筒结构。计算结果表明底层（对应计算层号的第3层）X向剪力墙倾覆力矩与总倾覆力矩比值为66.9%，框架倾覆力矩与总倾覆力矩比值为33.1%；底层Y向剪力墙倾覆力矩与总倾覆力矩比值为66.0%，框架倾覆力矩与总倾覆力矩比值为34.0%。两个方向均满足剪力墙地震倾覆力矩与底部总地震倾覆力矩比值大于50%的要求，核心筒剪力墙是主要的抗水平作用构件。

综上所述，由于开洞口较大的原因，X向水平作用下墙体的内力分布并不符合平截面假定，更符合带弱连梁的双肢剪力墙体变形特征。因此，综合判断研发办公楼的结构体系更接近于框架—剪力墙结构。

4 两种结构体系的设计要求对比

研发办公楼自室外地面至主要屋面的建筑高度为99.9m。结构高宽比为4.2。项目所在地南宁市高新区相思湖街道的抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度为0.10g，房屋抗震设防类别为标准设防类（丙类）。采用框架—剪力墙结构体系与框架—核心筒结构体系的设计要求对比见表1。

表1 研发办公楼采用不同结构体系的对比

从表1中可看出，虽然结构高度较高，但均未超出两种体系的最大适用高度，因此抗震等级相同。规范对于框架—核心筒结构的设计要求更加严格，对应的土建造价会有所增加。实际按框架—剪力墙结构体系设计，综合表3的要求，对底部加强区范围内的剪力墙加强，配筋率提高至0.3%。

5 结论

（1）框架—剪力墙结构与框架—核心筒结构是由两个变形性能不同的抗侧力单元协同工作、共同抵抗水平作用的结构体系。当剪力墙集中布置在建筑中部形成核心筒体时，两者的显著区别在于核心筒剪力墙是否满足平截面协同工作的假定。

（2）框架—剪力墙结构与框架—核心筒结构均属于双重抗侧力体系，实现了规范关于抗震设防的多重抗侧力体系要求。在结构设计时需要对框架与剪力墙承担的倾覆力矩之间的比例进行分析判断，保证框架与剪力墙之间的协同工作。特别对于框架—核心筒结构，由于核心筒的刚度大，更应关注底部框架承担的剪力及倾覆弯矩，采取有效的措施实现双重抗侧力体系。

（3）结合现行规范对两种体系设计要求进行汇总比较，表明框架—核心筒结构的抗震措施要求更高，这与框架—核心筒结构体系的受力性能相匹配。

（4）当结构高度在两种体系的适用范围时，采用不同的结构体系，一定程度上对土建造价、施工的难易程度以及结构性能均有不同的影响。研发办公楼的结构体系采用框架—剪力墙结构更为合理。