王湘軍

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司　湖南　長沙　410011）

高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王湘軍

（長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司湖南長沙410011）

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是一項涉及諸多因素和問題的綜合性技術(shù)工作，高層建筑對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求非常高，結(jié)構(gòu)工程師一定要在準確分析計算的前提下，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則性要求，結(jié)合實際的工程條件和地質(zhì)條件，設(shè)計和采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。本文探討了高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)問題，并通過設(shè)計實例進行了分析闡述，具有一定借鑒價值。

高層建筑；框架-核心筒；結(jié)構(gòu)設(shè)計；計算

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市中建筑物的數(shù)量不斷增加，城市用地趨于緊張，高層建筑不斷出現(xiàn)。相對于常見的低層建筑，高層建筑的體型更加龐大，基礎(chǔ)較深，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜性增加，是高層建筑的規(guī)劃建設(shè)的難點所在。本文主要分析高層建筑的框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點、在設(shè)計時要考慮的般原則，對此高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析探討。

1　高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1.1外框架的設(shè)計

對于高層建筑建筑方案本身的要求，結(jié)構(gòu)需配合建筑和外立面的造型進行一體化設(shè)計，而不是分離開獨自考慮，這個前提限制了結(jié)構(gòu)外框柱的尺寸不能太大。因此，外框架的“盡其所能”主要表現(xiàn)為：①配合建筑和幕墻對柱的尺寸要求；②）外框柱的承載力盡量充分利用；③外框梁、柱的抗側(cè)剛度盡量利用。由于一般外框架結(jié)構(gòu)的用鋼量占總用鋼量的大部分，因此外框架設(shè)計可改善結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。

1.2外框架及核心筒抗震性能設(shè)計

高層建筑外框架的彈性剪力分擔比例應(yīng)滿足高規(guī)9.1.11條的規(guī)定，即外框架樓層剪力分擔比例最大值不小于10%，實際的構(gòu)件設(shè)計應(yīng)按照不能滿足該條規(guī)定進行外框架和核心筒墻體的加強，同時從抗震性能設(shè)計上也有所考慮：①建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能目標性水平；②結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點和設(shè)計理念，核心筒墻體作為主要的抗側(cè)向力構(gòu)件，有能力承擔所有的側(cè)向力，因此抗震性能水準高于關(guān)鍵構(gòu)件的要求；③充分利用鋼結(jié)構(gòu)后期良好的延性能力，將外框鋼梁的性能目標適當提高至關(guān)鍵構(gòu)件，目的是確保外框架作為一個整體能在大震下分擔必要的剪力和傾覆力矩，同時加強對小截面外框柱的約束。

1.3梁柱偏心設(shè)計

高層建筑整個節(jié)點的設(shè)計，需要采用系統(tǒng)化的理念，除了理論的分析和設(shè)計外，后續(xù)將開展節(jié)點性能的試驗以進一步論證。梁柱偏心主要設(shè)計理念：①偏心節(jié)點導(dǎo)致節(jié)點區(qū)應(yīng)力分布不均勻，節(jié)點構(gòu)造設(shè)計應(yīng)在傳力概念的基礎(chǔ)上，確保各板件之間的連續(xù)性、連接的可靠性以及施工的可行性；②由于梁偏心布置，梁對柱的約束條件與常規(guī)對心梁柱節(jié)點有所不同，需要研究偏心節(jié)點對柱的整體和局部穩(wěn)定性進行分析和確認；③高層建筑偏心節(jié)點與常規(guī)對心節(jié)點相比，節(jié)點剛度有所削弱，故在建筑的整體分析時，需要考慮節(jié)點剛度對建筑整體指標的影響。

1.4高層建筑核心筒墻體拉剪分析與設(shè)計

高層建筑在受到較大水平荷載作用時，整體主要呈彎曲型的變形和受力，當水平荷載足夠大時，結(jié)構(gòu)的豎向荷載就有可能抵消不了因傾覆力矩產(chǎn)生的拉力，從而令柱或者墻體受拉。對于鋼筋混凝土構(gòu)件而言，受拉會產(chǎn)生兩個方面的問題：①局部構(gòu)件剛度的退化可能導(dǎo)致過大的內(nèi)力重分布，如果內(nèi)力重分布無法被合理地估算，則會影響設(shè)計的安全性；②核心筒墻體等構(gòu)件在全截面受拉時，除了斜截面受剪承載力需要設(shè)計，全截面開裂有可能影響核心筒墻體剪切承載力。

2　高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化要點

2.1關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)計算簡圖的選取原則

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力分析過程當中，要進行相關(guān)的計算，而計算簡圖是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的基礎(chǔ)，所以計算簡圖的選取恰當與否關(guān)系著高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，也關(guān)系著高層建筑的使用是否安全可靠。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)計算簡圖的選取時，要特別的仔細認真，這樣才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果的可靠，保證高層建筑的安全建設(shè)和使用。同時，計算簡圖要有一定的構(gòu)造措施和構(gòu)造方法來保證安全，尤其是建筑節(jié)點在圖紙上和實際中略有差別，必須保證計算簡圖的誤差在允許的設(shè)計誤差范圍內(nèi)。此外，設(shè)計工程師要仔細的分析軟件計算的結(jié)果，避免因為不同計算軟件的計算結(jié)果而造成比較大的計算偏差和失誤。

2.2關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案選取原則

高層建筑的基礎(chǔ)比較深，基礎(chǔ)設(shè)計要考慮多種因素。高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計必須參考詳細的地質(zhì)勘探報告，然后結(jié)合地區(qū)的地質(zhì)條件進行基礎(chǔ)的合理設(shè)計。同時，采用哪種高層建筑的結(jié)構(gòu)類型也影響著基礎(chǔ)的設(shè)計工作，不同的建筑類型的荷載不同，高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計必須與結(jié)構(gòu)類型和荷載分布相一致。綜合考慮各種因素來確定基礎(chǔ)的設(shè)計工作的目的是使地基的穩(wěn)定性能和承載能力發(fā)揮最大。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案一般要滿足兩方面的要求：①受力特性和建筑的力學(xué)性質(zhì)的合理性，對于整個高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的受力和荷載要明確，力的分析與計算必須簡單。②要滿足經(jīng)濟成本合理性的基本要求，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案直接決定了后續(xù)的施工方案的選取工作和施工設(shè)計，這個過程必須考慮整體建筑施工成本合理的要求。另外，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案也必須考慮當?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地理地形條件、工程施工的要求、施工方案和建筑設(shè)各安裝等具體的因素，在各種因素相互協(xié)調(diào)的情況下，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)方案。

2.3關(guān)于計算結(jié)果正確性分析的原則

隨著計算機技術(shù)的不斷進步，計算機應(yīng)用軟件不斷地加入到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析計算當中，但是與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的軟件的品種數(shù)量眾多，不同的軟件品種的計算方法、流程和編程實現(xiàn)方法不一定相同，導(dǎo)致了有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算結(jié)果存在著許多差異。設(shè)計工程師要正確認識和分析這此計算結(jié)果的差異，充分了解所采用的計算軟件的計算范圍和計算條件，要在仔細審核的基礎(chǔ)上進行仔細的判斷，排除人工數(shù)據(jù)輸入的錯誤，才能夠得出所需要的正確結(jié)果。

3　高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

3.1工程概況

某高層建筑占地面積約為38000m2，總建筑面積約為465000m2。其中，總部大樓建筑總高度為400m，地上66層，地下3層。結(jié)構(gòu)分析設(shè)計主要參數(shù)為：設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級一級，為重點設(shè)防類；抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度（0.1g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類；基本風壓為0.75kPa（50年一遇），風響應(yīng)由風洞試驗確定。筒體的抗震等級從嵌固層下一層往上采用特一級，外框柱的抗震等級從嵌固層下一層至地面為特一級，地面以上為鋼結(jié)構(gòu)，抗震等級主要為二級。基礎(chǔ)采用直徑65m整體承臺和2.5～4.5m大直徑人工挖孔樁。

3.2結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)選型經(jīng)歷了兩個主要階段。概念設(shè)計階段建筑方案本身尚處于外形研究和比選之中，圖1為早期結(jié)構(gòu)工程師配合建筑外形所開展的風工程初步研究。

圖1　建筑外形風工程初步研究

風工程研究比選了14個不同的建筑外形，最終在結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻及業(yè)主等各方考量后，確認采用圓形造型進行設(shè)計。

3.3結(jié)構(gòu)分析

本項目采用了ETABS9.7.4與MIDAS/Gen8.0兩個不同結(jié)構(gòu)軟件進行了整體計算分析復(fù)核，各項主要指標基本一致。建筑的等效重量約為13.5kN/m2，其中結(jié)構(gòu)自重占70%，另外由于外框鋼結(jié)構(gòu)較輕，核心筒墻體占結(jié)構(gòu)自重的60%左右。建筑基本周期為6.62s，小震作用下，結(jié)構(gòu)最小剪重比為1.1%。剪重比曲線見圖2。略不滿足1.2%的限值，需通過內(nèi)力調(diào)整進行構(gòu)件設(shè)計。結(jié)構(gòu)最大層間位移角和最大位移見表1。

圖2　剪重比曲線圖

表1　結(jié)構(gòu)最大層間位移角和最大位移表

最大層間位移角曲線見圖3，由圖可見，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角可以滿足高規(guī)的要求。

圖3　最大層間位移角曲線圖

小震作用下，密柱框架在結(jié)構(gòu)底部和頂部可分擔超過10%的地震剪力，在中部分擔的剪力比較少，但分擔比例平均超過7%，且分擔剪力比例最小（不低于4%），如圖4所示。密柱框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計按照高規(guī)，以不滿足最大樓層分擔10%地震剪力的要求進行保守設(shè)計，保證外框架的設(shè)計地震力；同時，為了保證剪力墻的安全，構(gòu)件驗算時將剪力墻地震作用下的剪力放大1.1倍進行設(shè)計。

圖4　小震作用下外框架內(nèi)力分擔比例圖

結(jié)構(gòu)彈性分析表明：①建筑的層間位移角、剛重比、剪重比計算結(jié)果證明建筑的抗側(cè)剛度適宜，可以滿足設(shè)計要求；②由周期比和位移比計算結(jié)果可知，建筑的扭轉(zhuǎn)剛度很好；③根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點及其余各項分析，說明建筑在豎向及側(cè)向力作用下內(nèi)力分布明晰，符合力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計概念。后續(xù)構(gòu)件設(shè)計及抗震加強措施，反映了結(jié)構(gòu)分析對于結(jié)構(gòu)在豎向和水平荷載作用下的表現(xiàn)和特征。

4　結(jié)語

綜上所述，高層建筑的出現(xiàn)，一方面是為了緩解城市的用地緊張的情況，提高上地的綜合利用率，使城市規(guī)劃逐漸合理化和科學(xué)化，另一方面原因是高層建筑本身具有美學(xué)方面的重要意義，是一個城市現(xiàn)代發(fā)展的名片，可以作為城市重要的地標建筑。高層建筑作為一個復(fù)雜而又龐大的綜合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理影響著高層建筑的安全和性能，所以高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計有二個方面的基本要求：不但要滿足抗震、抗風的安全性要求，而且要滿足結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)造科學(xué)的專業(yè)性要求，還要滿足建設(shè)成本合理的經(jīng)濟性要求。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建議.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003.

[3]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

TU973+.19

A

1673-0038（2015）02-0020-03

2014-11-12

王湘軍（1986-），男，助理工程師，主要從事工業(yè)民用結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。