張 輝 任北辰

(1.運(yùn)城市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 運(yùn)城 044000; 2.美國奧本大學(xué)工學(xué)院土木工程系)

0 引言

鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)是高層建筑中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，鋼筋混凝土核心筒體具有較大的抗側(cè)向剛度作為建筑中主要的抗側(cè)力構(gòu)件，水平荷載作用時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移能夠很好地控制；在上部樓層位置，筒體與框架相互作用,延性增強(qiáng)，有明顯的耗能作用。本文圍繞框架—核心筒結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，在各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做以下的總結(jié)。

1 框架—核心筒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

表1 不同抗震設(shè)防烈度下筒體結(jié)構(gòu)房屋最大適用高度 m

筒體結(jié)構(gòu)包含框架—核心筒、筒中筒兩類：由核心筒與外圍的細(xì)框架柱組成的筒體結(jié)構(gòu)稱為框架核心筒結(jié)構(gòu)；由核心筒與外圍不大于4 m的密柱和高度較高的框架梁或壁式框架組成的筒體結(jié)構(gòu)稱為筒中筒結(jié)構(gòu)。實(shí)際上兩者傳力方式存在有較大區(qū)別。筒中筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒以承受水平剪力為主，外框筒主要承受軸向荷載，兩者承受的抗傾覆彎矩大致相差不多，是一種雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系；框架核心筒結(jié)構(gòu)的框架柱數(shù)量少且柱距大，框架部分承受的水平剪力和傾覆力矩都很小，核心筒承受了絕大部分(80%～70%)的水平剪力和傾覆力矩；兩者相比筒中筒結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力，可以建設(shè)更加高的超高層建筑，從表1的最大適用高度也可以體現(xiàn)出兩種結(jié)構(gòu)形式的差別。

框架核心筒結(jié)構(gòu)在建筑布置方面具有的優(yōu)越性：可以利用建筑的豎向井道：電梯井、通風(fēng)井、電纜井等，附屬用房：樓梯間、設(shè)備間、衛(wèi)生間等的隔墻布置剪力墻并布置在建筑的中央形成核心筒作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在核心筒外圍布置框架梁柱，框架柱間距可以達(dá)到8 m～9 m，甚至更大一點(diǎn)，柱的數(shù)量一般較少，框架柱的布置方式可以多樣化，從而能夠?qū)⒔ㄖ⒚嬖O(shè)計(jì)的靈活多變，外墻能夠開設(shè)較大的窗洞，平面上可以爭取盡量寬敞的使用空間，主要使用空間得到了最好的采光位置，房間視線開闊和內(nèi)部交通組織方便；框架核心筒結(jié)構(gòu)的受力與變形特性同框架剪力墻結(jié)構(gòu)類似，由于它的平面布置規(guī)則、通過樓層板協(xié)同使得核心筒抗水平力作用具有空間效應(yīng)，這樣它的力學(xué)特性與抗震性能比一般的框架剪力墻結(jié)構(gòu)要優(yōu)越，能夠適用較高的高層建筑。

框架核心筒與筒中筒結(jié)構(gòu)典型平面布置如圖1所示。

2 框架—核心筒結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

平面形狀：框架—核心筒建筑平面形狀宜優(yōu)先選用正方形或者接近方形的矩形平面布置，也可以選用正多邊形、橢圓形、圓形、三角形等平面布置，核心筒布置的位置宜居中雙軸對(duì)稱，從而使偏心減少到最??；對(duì)于單個(gè)核心筒矩形平面一般長寬比不宜大于2.0；當(dāng)核心內(nèi)筒偏置或長寬比大于2時(shí)，宜采用框架—雙筒結(jié)構(gòu)平面布置的形式。

核心筒剪力墻布置：核心筒墻肢的布置要均勻、對(duì)稱，核心筒的外筒宜閉合；剪力墻宜優(yōu)先布置于樓梯間、電梯間及豎向井道位置處，并應(yīng)盡量避免在核心筒角部開洞，如若無法避免時(shí)，洞口宜設(shè)置在邊緣構(gòu)件范圍之外；在核心筒外墻布置洞口時(shí)，應(yīng)盡量避免在其水平方向連續(xù)開洞，當(dāng)洞口間墻肢截面的高厚比小于4時(shí)，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并采取加強(qiáng)措施。

核心筒尺度：核心筒的高寬比宜小于12，且核心筒的邊長宜不小于外框架或外框筒相應(yīng)邊長的1/3。通常情況下，當(dāng)核心筒的尺度滿足上述要求時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移就能滿足規(guī)范規(guī)定。若在核心筒外的框架內(nèi)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施以提高結(jié)構(gòu)整體剛度后，可將核心筒寬度進(jìn)行適當(dāng)縮減。

框架布置：框架核心筒結(jié)構(gòu)中核心筒墻體與外周框架柱之間的距離不宜過大；當(dāng)核心筒的外墻與框架柱的中間距離：非抗震大于15 m、抗震大于12 m時(shí)，宜增設(shè)內(nèi)柱來減小框架梁高對(duì)層高的影響，如圖1所示。必須在框架—核心筒結(jié)構(gòu)的周邊柱間設(shè)置框架梁，在外框架與核心內(nèi)筒之間一般設(shè)框架梁，也可以不設(shè)梁做成平板；框架梁、柱宜雙向布置，梁、柱中心線宜重合，如難于實(shí)現(xiàn)時(shí)，宜根據(jù)高規(guī)第6.1.7條的規(guī)定在梁端布置水平加腋構(gòu)造措施；對(duì)于9度抗震設(shè)防地區(qū)不應(yīng)采用梁柱偏心較大的結(jié)構(gòu)方案；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架梁的截面尺寸可以按照框架結(jié)構(gòu)的要求控制，框架柱的軸壓比按照高規(guī)第6.4.2條控制設(shè)計(jì),角柱應(yīng)按雙向偏心受壓構(gòu)件計(jì)算(即總信息柱配筋計(jì)算原則選按雙偏壓計(jì)算)；如果建筑條件許可時(shí)宜加密外側(cè)框架柱、加大框架梁截面的高度或在外側(cè)遠(yuǎn)端對(duì)稱布置剪力墻等加強(qiáng)外框架的側(cè)向剛度的設(shè)計(jì)措施。

3 框架—核心筒結(jié)構(gòu)豎向布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

框架—核心筒中的核心筒宜沿建筑物全高貫通；墻體的厚度及其混凝土標(biāo)號(hào)，宜在核心筒底部加強(qiáng)部位及其相鄰上一層的高度范圍內(nèi)保持不變；超出該高度范圍時(shí)，可在側(cè)向剛度符合豎向規(guī)則性要求的前提下，根據(jù)內(nèi)力的變化及建筑的功能要求，對(duì)墻體的厚度、核心筒內(nèi)部墻體的數(shù)量進(jìn)行合理調(diào)整；從基礎(chǔ)至屋頂核心筒內(nèi)墻體無變化不經(jīng)濟(jì)，如圖2所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的框架柱，應(yīng)沿豎向保持貫通，并應(yīng)避免在結(jié)構(gòu)的中下部進(jìn)行抽柱收進(jìn)；框架柱沿豎向范圍內(nèi)的截面尺寸及其混凝土標(biāo)號(hào)的變化，宜與核心筒墻厚的變化錯(cuò)開樓層。

核心筒墻體的穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)按高規(guī)附錄D進(jìn)行，且內(nèi)、外墻的厚度均應(yīng)滿足最小構(gòu)造要求；剪力墻平面外穩(wěn)定與該層墻體頂部所受的軸向壓力的大小以及墻厚與層高或無肢長度的比值密切相關(guān)。為保證核心筒內(nèi)力變化保持連續(xù)，核心筒外墻上的較大門洞(指洞寬不小于1.5 m)宜沿豎向連續(xù)布置；同時(shí)，為保證核心筒具有較強(qiáng)的抗彎能力與整體剛度，連梁的跨高比不宜大于4，且其截面高度不宜小于600 mm。

當(dāng)框架核心筒結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，采取加大核心筒的截面尺寸，或在外框架的局部布置剪力墻或斜撐構(gòu)件等措施，以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，進(jìn)而避免或減少設(shè)置加強(qiáng)層。

4 樓蓋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

優(yōu)先采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)樓蓋，當(dāng)樓板的跨度大于10 m時(shí)，宜采用后張預(yù)應(yīng)力樓蓋，使樓蓋具有良好的平面內(nèi)剛度和整體性，以便能確?？蚣芘c核心筒的共同協(xié)調(diào)工作；當(dāng)框架核心筒結(jié)構(gòu)的樓蓋采用平板無梁樓蓋時(shí)，無梁樓蓋基本上不傳遞彎矩和剪力；當(dāng)在樓板中設(shè)置連接外柱與內(nèi)筒的框架梁后，增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)的周期縮短，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和最大層間位移減小，加梁后的外圍框架柱軸力增大，使得周邊框架柱承受的傾覆力矩加大、剪力減少，核心筒承受的傾覆力矩相對(duì)減少、剪力相對(duì)增加，從而能充分發(fā)揮周邊框架柱的作用。所以框架核心筒結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用有梁樓蓋。核心筒內(nèi)部的樓板由于布置了樓梯間、電梯井和各種設(shè)備豎向管道井，其開洞比例很高，為了加強(qiáng)其整體性，使得其能有效地約束墻肢的扭轉(zhuǎn)與翹曲及傳遞水平地震力，故核心筒內(nèi)樓板的厚度宜不小于120 mm，并采用雙層雙向拉通的配筋方式。

樓蓋主框架梁不宜支承在核心筒或內(nèi)筒的連梁上，樓層結(jié)構(gòu)布置宜使外框筒角部承受較大的軸力；筒體結(jié)構(gòu)角區(qū)樓蓋兩個(gè)方向的主框架梁不宜集中支承在核心筒的轉(zhuǎn)角處墻上，當(dāng)不可避免時(shí)，宜采取可靠措施，如核心筒的轉(zhuǎn)角處布置合適截面的端柱或把梁端邊偏離角區(qū)不小于300 mm，這樣就避免了筒體角部邊緣構(gòu)件鋼筋與梁端鋼筋交接過密而影響混凝土澆筑質(zhì)量的問題。

筒體結(jié)構(gòu)的雙向樓板由于筒體剛度分布比較集中，在豎向荷載作用下，會(huì)引起四周外角的上翹；由于受到剪力墻的約束，加之樓板混凝土自身的收縮，以及溫度變化的影響，使得樓板外角可能產(chǎn)生斜裂縫。為防止這類裂縫的出現(xiàn)，適當(dāng)采取加強(qiáng)措施：樓蓋外角板配筋示意圖見圖3。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)

抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)高規(guī)第9.1.11條對(duì)框架—核心筒結(jié)構(gòu)的框架部分進(jìn)行有關(guān)內(nèi)力調(diào)整，內(nèi)力調(diào)整一般由計(jì)算程序完成，設(shè)計(jì)師應(yīng)在總信息中選對(duì)結(jié)構(gòu)形式。核心筒外墻的連梁剛度折減系數(shù)，其取值不宜小于0.5。

支承在核心筒外墻上的框架梁，可以依據(jù)梁的支撐條件，分別確定其計(jì)算簡化模型。對(duì)于滿足下列三種狀況的梁端支座均應(yīng)按照剛接支座計(jì)算：1)當(dāng)沿框架梁軸線方向有剪力墻相連時(shí)；2)當(dāng)核心筒外墻的厚度大于框架梁上部縱向鋼筋直錨長度0.4Lae，且梁端核心筒內(nèi)側(cè)的樓板無洞口時(shí)；3)梁支座處設(shè)置扶壁柱時(shí)。對(duì)于不滿足上述三種狀況的梁端支座宜按照鉸接支座計(jì)算內(nèi)力。

參考文獻(xiàn)：

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