1、1浅议高层建筑框架一核心筒结构设计分析摘要：简体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构,筒体可分为筒结构和框架一核心筒结构。文章主要通过工程实例,对框架核心筒结构选型、平面及竖向结构布置、构造措施以及结构概念设计等进行了分析。 关键词： 高层建筑；框架-核心筒结构；钢管混凝土；结构设计 中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号： 引言： 简体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体结构主要包含以下两种： （1）筒结构：由核心筒与外围框筒组成的高层建筑结构； （2）框架一核心筒结构：由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。 框架一核心筒结构
2、周边柱子的柱距比较大，一般为 8m12m，它和沿周边的梁构成了外框架，中间为电梯井、楼梯间、管道井等构成的核心筒，受力特点类似框架一剪力墙。某工程建筑面积 12726.35m2。地下 2层为车库，地上 3层为商业，地上 4层22 层为写字楼或公寓。檐口高度 71.800m，装饰构件高度为 78.800m。该工程的抗震设防烈度为 8度，2抗震设防类别为丙类，结构抗震等级为剪力墙一级，框架一级。 1.高层建筑结构分析 1.1 高层建筑结构分析的基本假定 (1)弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下,结构通常处于弹性工作阶段,这一假定基本符合结
3、构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时,往往会产生较大的位移,进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的,应按弹塑性动力分析方法进行设计。 (2)小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P- 效应)进行了一些研究。一般认为,当顶点水平位移 与建筑物高度 H的比值 /H 1/500时, P- 效应的影响就不能忽视了。 (3)刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大,而平面外的刚度则忽略不计。一般来说,对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是,对于竖向刚度有突变的
4、结构,楼板刚度较小,主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况,楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。 (4)计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种:一维协同分析。二维协同分析。三维空间分析。三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6个自由度,按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆3端节点还应考虑截面翘曲,有 7个自由度。 1.2 高层建筑结构静力分析方法 (1)框架-剪力墙结构。框架-剪力墙结构内力与位移计算的方法很多,由于采用的未知量和考虑因素的不同,各种方法解答的具体形式亦不相同。框架-剪力墙的机算方法,
5、通常是将结构转化为等效壁式框架,采用杆系结构矩阵位移法求解。 (2)剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。不同类型的剪力墙,其截面应力分布也不同,计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确,而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多,机时耗费较大,目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。 (3)筒体结构。筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类
6、型。筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。 等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化,以便用连续函数描述其内力;另一种是作几何和物理上的连续处理,将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板,以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、4框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。 等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件,以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒
7、的框架分析法、平面框架子结构法。 比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系,其中应用最广的是空间杆-薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构,这是目前工程上采用最多的计算模型。 2.剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析 2.1 对于框架-核心筒结构，部分框架梁要支撑在剪力墙平面外方向，剪力墙平面外对梁端嵌固作用空间如何，其研究文献较少，设计标准和规范也没有涉及。影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度、墙线风度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。目前常用的计算分析软件
8、虽然具有墙平面外刚度分析功能，但未考虑墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度，当遇到墙肢很长或筒子体墙肢空间风度很大情况时，计算分析软件会高估了墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值要大于实际值，本工程应对措施如下：2.2 采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墙平面外对梁端嵌固作用有效长度。 2.3 采用增加墙边框梁方法（见图示 3） ，用以增加平面外对梁端嵌5固的局部刚度。墙边框梁截面宽度应不小于 0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框架梁截面高度应大于楼面截面高度，为保证梁端剪力通过墙边框梁均匀传递到墙上，墙边框梁宽出墙厚处用斜角过渡。 为保证梁正截面设计更加条例实际受力情况，梁端计算弯矩可以采
9、用“调幅再调幅”方法，即分析计算时设定梁端负弯矩调幅系数后，配筋时再局部手算调幅。 “调幅再调幅”时，应考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝的开展及变形满足使用要求。 3.核心筒外墙的连梁设计 核心筒外墙的连梁纵筋计算超筋是非常普遍的情况， 高规对连梁超筋有专门的处理措施，而且研究文献也不少，但计算模型的选取也是重要因素之一。 高规规定，跨高比小于 5时按连梁考虑，即连梁属于深弯梁和深梁的范畴，其正截面承载力计算时，已不能按杆系考虑，也就是已不符合平截假定，但许多分析软件仍然把连梁按杆系计算，其计算偏差当然是很大了。 按“强墙弱梁”和“强剪弱弯”原则进行连梁设计时，虽然高规对连梁设计有具体
10、要求，但这个“弱”要到什么程度，还是取决于设计者的理解和经验。 本工程核心筒外墙的连梁按高规要求进行设计，除连梁均配置了交叉暗撑外，对非底部加强部位剪力墙的边缘构件也进行了加强处理，以满足“多道抗震防线”和“强墙弱梁”的要求。 4.结束语 64.1 核心筒为框架核心筒的主要抗侧力结构，因绝对保证核心筒的整体性和足够的刚度。 4.2 框架一核心筒在强烈地震作用下，框架柱的损坏程度远大于核心筒，必须按高规调整各框架柱的地震剪力。 4.3 影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。为加强墙平面外对梁端嵌固作用，可采取梁端水
11、平加腋法、增加墙边框梁方法，梁端弯矩可采用“调幅再调幅”方法。 4.4 连梁属于深弯梁和深梁的范畴，正截面承载力计算时，不能按杆系模型计算，连粱截面选取对核心筒抗弯能力与整体刚度有很大的影响。参考文献： 1阮永辉,吕西林.带水平加强层的超高层结构的力学性能分析J.结构分析,2000(4). 2高层建筑混凝土结构技术规范 JGJ32002.北京：中国建筑工业出版社，2002. 3高层建筑结构设计建议上海科学技术出版社，2003 4建筑地基基础设计规范 GB500072002.北京：中国建筑工业出版社，2002. 5混凝土结构设计规范 GB50010-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002.
