钢框架－砼核心筒体系设计研究

王 翠

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

在当今的建筑工程中，高层和超高层建筑的数量正在持续增加，其中，钢框架—砼核心筒体系是广泛应用的一种结构形式。这种结构形式是在传统钢框架体系的基础上，加入了混凝土核心筒，以提高整个建筑结构的刚度和稳定性，尤其在抵御风荷载和地震荷载的能力上表现出显著优势。然而，随着建筑高度的提升和设计要求的复杂化，钢框架—砼核心筒体系的设计也面临着一系列挑战，比如如何兼顾结构性能和经济效益，如何在维护建筑空间功能性和舒适性的前提下，提高结构的安全性能，如何更好地解决钢结构和混凝土结构之间的连接问题等。因此，针对钢框架—砼核心筒体系的设计研究势在必行。在相关研究工作开展的同时，应结合以往研究经验，以便把握好研究方向。在杨学林[1]团队的研究中，结合实际工程分析了混凝土核心筒高层结构体系设计的具体思路以及具体参数。在徐旷[2]团队的研究中，结合实际的工程分析了高层框架核心筒体系的隔震设计，为隔震设计提供了相应的思路。在王建新[3]的研究中，介绍了一实际工程采用钢组合框架—钢筋混凝土核心筒混合结构体系的设计过程（包括基础设计、结构体系、楼盖选型和布置）供采用相似体系的项目设计提供了参考。基于此，本文对使用较成熟的框架—核心筒结构体系的平面布置中的钢梁与钢柱的连接方式（刚接、铰接）进行计算对比，得出了不同连接方式对整体结构承载力、变形性能、使用阶段舒适度的影响，同时对经济性、施工方便性做出评价，为相似结构类型的工程提供一定的参考依据。

1 钢框架－混凝土核心筒体系平面构件布置

钢框架—核心筒结构体系在平面上有不同的布置形式，一般建筑的楼梯、电梯及功能房间布置在平面的中心位置，结构在这些房间周边设置钢筋混凝土墙体即剪力墙，剪力墙肢之间设置连梁连接，围成平面内部的剪力墙筒体；在平面的四周采用钢结构梁、柱，这些外围钢梁柱采用刚性连接形成钢结构框架，另外，框架部分除采用钢框架外，也可以采用钢管混凝土柱和钢梁的组合框架；如果外围钢架柱采用密柱方案，即采用外钢框架密柱—内钢筋混凝土核心筒的筒中筒结构；位于平面内部的楼面钢次梁一端与混凝土剪力墙一般采用铰接连接，这种连接方式与模型计算时的铰接假定比较符合，这是钢筋混凝土次梁难以做到的；钢梁与混凝土墙体也可以采用刚接连接，这种连接方式需要在混凝土墙体内预埋钢骨与楼面钢梁刚接，钢梁端部刚接，此楼面体系竖向挠度小刚度较大，能有效地满足使用荷载下的舒适度要求；钢梁的另一端与外圈框架梁铰接连接，与钢框架柱连接时也可采用刚接连接或铰接连接。

钢框架—核心筒结构体系中钢筋混凝土核心筒承担了绝大部分的水平作用，钢结构框架部分分担的水平作用较小，内部钢框架及钢结构次梁主要承担楼面重力荷载。

设计时可以根据工程特点，有针对性地设计铰接节点，合理地设置结构单体的整体抗侧刚度以得到合适的地震作用下的结构内力，合理分配钢筋混凝土核心筒和钢框架之间的抗侧力刚度比，有效降低混凝土核心筒墙体内力，减少混凝土在水平作用下发生脆性破坏的可能，提高钢筋混凝土墙体地震作用下延性能力。

2 钢梁、钢柱不同连接方式对比分析

本文将对四个工程实例采用内部设置钢框架梁及内部均设置为钢次梁的布置方案，所示，对结构单体的力学特性进行分析，包括结构整体指标（周期、位移）、局部用钢量、楼面舒适度计算结果进行对比分析，找出较优的布置方案，对后续的工程设计提供参考。本文采用三维结构有限元软件YJK4.3 计算分析，按照侧向位移角控制指标不大于1/800 布置抗侧刚度，根据《建筑抗震设计规范》（GB20011-2010）（2016）条文说明6.2.13-2，计算地震内力时抗震墙连梁刚度可折减，计算位移时可采用连梁刚度不折减下的侧移，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第5.2.1 条及条文说明，本文计算仅在地震作用内力效应时对连梁刚度进行折减，折减系数取0.6～0.7，在重力荷载工况、风荷载工况下的内力及地震作用工况下的侧向位移采用连梁刚度不折减的原则[4]。

2.1 工程实例概况

工程一：1#为高层办公楼，地上为12 层，地下2 层，地上首层层高为6m，其余层高为4.5m，大屋面建筑高度为55.7m，建筑平面为矩形，平面尺寸为41.3m×26.7m；

工程二：2#为高层研发楼，地上11 层，地下2 层，地上首层层高为5.4m，标准层层高为4.2m，大屋面建筑高度为47.4m，建筑平面为矩形，平面尺寸为33.6m×36m；

工程三：3#为高层科研楼，地上8 层地下1 层，首层层高为6.8m，标准层层高为4.2m，大屋面建筑高度为36.2m，建筑平面为矩形，平面尺寸为39m×46m；

工程四：4#为高层科研楼地上6 层地下1 层，首层层高为6.8m，标准层层高为4.2m，大屋面建筑高度为27.75m，建筑平面为矩形，平面尺寸为39m×29m；

上述工程均采用钢框架—钢筋混凝土核心筒结构体系，楼面及屋面板采用叠合板；上部建筑的嵌固端均为地下室顶板；工程地点位于上海市，设防烈度为7 度，IV 类场地，特征周期0.90 s，设计基本加速度0.10g，设计地震分组为第二组；钢框架、钢筋混凝土核心筒抗震等级均为二级。

2.2 内部钢梁不同方式布置的结构特性对比

对两种内部钢梁与柱连接方式，钢梁与柱刚接以下称为方案一，钢梁与柱铰接以下称为方案二，两种连接方式与核心筒均为铰接连接。原设计均为方案一，以下分析在原设计的基础上仅修改内部钢梁与柱连接为铰接及钢梁截面变小（按组合梁设计），其余条件均与方案一相同，计算采用有限元软件YJK4.3，将结构特性中的周期、位移、钢框架所占抗侧力比例对比结果如表1 所示。

表1 两种连接方式的模型指标对比

结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值变小，结构侧向刚度与扭转刚度对比更合理，抗侧力构件的平面布置更有效合理，结构扭转效应降低；对整体结构抗侧能力影响不大，仍然可以满足侧移要求，得到的此钢梁本身的应力比较低，可以减小此钢梁截面，节约钢材用量[5]。

3 舒适度分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 中3.7.7楼盖结构应具有合适的舒适度，竖向振动频率不宜小于3Hz，竖向振动加速度峰值不应超过表2 中规定的限值。

表2 楼盖竖向振动加速度限值

根据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ_T441-2019）中4.2.1 条，以行走激励为主的楼盖结构，第一阶竖向自振频率不宜低于3Hz，竖向振动峰值加速度不应大于表3 中规定的限值。

表3 竖向振动峰值加速度限值

综上，可以看到两个规范对于办公楼功能的楼盖结构第一阶竖向自振频率、竖向振动峰值加速度限值的规定是一致的，本文按照楼盖结构第一阶竖向自振频率控制值为不低于3Hz，竖向振动峰值加速度不大于500mm/s2控制楼层的舒适度。上述工程实例中方案一楼面内部钢梁与柱刚接，梁竖向刚度较大，相比于方案一楼面内部钢梁与柱铰接楼面结构竖向刚度较小，竖向振动更为不利，以下计算以方案二为例对楼面结构舒适度进行分析，包括竖向振动自振频率、荷载激励下节点峰值加速度。以下采用YJK—楼板及设备振动模块进行楼层舒适度计算，根据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》3.1.3 条，舒适度计算时，楼盖采用钢筋混凝土楼盖时混凝土的弹性模量可按《混凝土结构设计规范》GB50010 的规定值放大1.2 倍；3.2.3 条办公楼舒适度有效均布活载取0.5kN/m2，由于强度计算时楼面活荷载输入4kN/m2，YJK—楼板及设备振动模块进行楼盖结构舒适度计算，活荷载组合系数取0.125。

通过上述楼层舒适度计算，各楼层第一自振频率最小值3.62Hz 大于3Hz，在《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》行走荷载激励下节点的峰值加速度均小于500m/s2，满足规范要求。

4 结论

钢框架+混凝土核心筒的结构体系用途广泛，根据其受力特点合理地对结构构件设计，既能有效地满足重力荷载受力需要，又能较好地适应水平地震荷载下侧移需求。结构破坏主要集中于混凝土芯筒，特别是结构下部的混凝土筒体四角，对这些部位应予加强，增加钢筋混凝土筒体的延性。内部钢梁一端与混凝土核心筒的连接采用铰接，另一端与钢柱的连接也采用铰接有以下优势：

结构的整体指标中，结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值变小，抗侧力构件的平面布置更有效合理，结构扭转效应降低，结构受力更为合理有效；

结构平动对整体结构抗侧能力影响不大，仍然可以满足规范侧移要求；

这种连接方式钢梁两端铰接采用组合梁设计，得到的此钢梁本身的应力比较低，可以减小此钢梁截面，节约钢材用量；

楼层舒适度计算结果表明，第一自振频率和节点竖向峰值加速度均满足规范要求，具有良好的使用性能。