李貌

（深圳市佳遠集團有限公司 廣東深圳 518034）

1 引言

對于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)而言，它既可以充分發(fā)揮型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性、穩(wěn)定性以及防火性，同時在抗側(cè)性方面也有著一定的優(yōu)勢。該結(jié)構(gòu)在使用功能方面較為靈活，次結(jié)構(gòu)傳力相對明確，因而在超高層建筑中得到了廣泛的應用。隨著國內(nèi)城市化進程的不斷深化，超高層建筑的數(shù)量與規(guī)模急劇增加，做好該結(jié)構(gòu)的研究有著極其重要的意義。

2 概述

2.1 巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的研究

一方面，由于該結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟方面有著較大的優(yōu)勢，因而在國內(nèi)以及一些亞洲國家發(fā)展的較為迅速，并且應用范圍越來越廣。該結(jié)構(gòu)應用過程中，由于鋼框架有著輕質(zhì)、高強、施工速度快等優(yōu)勢，并且鋼筋混凝土核心筒在抗壓能力與防火性能方面較為優(yōu)越，兩者有機結(jié)合的方式已經(jīng)在國內(nèi)的超高層建筑中得到了廣泛的應用。另一方面，對于鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)而言，其剛度較大，但是在強度方面存在著一定的缺陷；對于巨柱框架結(jié)構(gòu)而言，其性質(zhì)正好相反，其在抗震性能方面存在著一定的欠缺。設計施工過程中，如果一味的增大建筑構(gòu)件的截面尺寸，不僅會造成使用空間的浪費，收效甚微，另外在經(jīng)濟性方面也存在一定的不足。但是，對于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)而言，其利用巨型鋼框架以及巨型支撐、伸臂桁架、核心筒等結(jié)構(gòu)形式，可以有效提升建筑的抗震性能。

2.2 抗側(cè)性分析

隨著超高層建筑高度的不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度將會急劇下降，設計過程中如果一味地增大構(gòu)件截面尺寸，不符合經(jīng)濟性要求。為了有效提升巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，提升超高層建筑的抗震性能，可以采取以下幾點措施進行改善：①適當增大結(jié)構(gòu)中巨型梁以及伸臂構(gòu)件的尺寸，但是這樣一來將導致結(jié)構(gòu)的剛度過于集中，因而不利于結(jié)構(gòu)抗震；②適當加大巨型梁以及伸臂的道數(shù)，但是這一做法可能受到建筑、設備等因素的制約；③設計過程中可以將巨型梁或伸臂的高度擴大一層；④在結(jié)構(gòu)外框架上設計相應的巨型支撐。

2.3 結(jié)構(gòu)研究存在的不足

2.3.1 規(guī)范執(zhí)行過程中存在問題

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）中多道防線的思想，對于建筑外框剪力分擔系數(shù)進行了明確的說明，對于筒體結(jié)構(gòu)而言，該系數(shù)的限值為10%。在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中，也對于這一系數(shù)進行了規(guī)定。但是，在進行實際的設計工作時，大多數(shù)的巨型-框架核心筒結(jié)構(gòu)不能達到規(guī)范的要求。甚至在一些工程實例中，框架結(jié)構(gòu)所能承擔的地震剪力僅僅是結(jié)構(gòu)總體剪力的5%左右，相比于規(guī)范中的要求存在著明顯的差距。在進行超高層建筑的抗震審查工作時，審查專家將會對控制指標提出更為嚴格的要求，甚至一些系數(shù)要求比規(guī)范條文中的嚴格。為了可以達到這一要求，建筑中的構(gòu)件截面尺寸將會不斷的提升。這不僅會對設計的合理性造成影響，同時也需要付出巨大的經(jīng)濟代價。廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）中，明確規(guī)定巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震設計時，核心筒應承擔全部地震剪力，同時巨柱承擔的地震剪力取不小于框架按剛度分配的地震剪力標準值的3倍。

2.3.2 對于雙重防線概念的認識不足

在進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計工作時，我國對于結(jié)構(gòu)性能的要求定的較高，尤其對于超限高層建筑，甚至一些要求很難得到貫徹。這樣一來，就導致對于雙重抗震體系抗震效果的認識存在一定的缺陷。一方面，存在一部分的建筑結(jié)構(gòu)，其能夠在振動臺試驗以及彈塑性分析工作中保持不錯的彈性，但是如果以此為依據(jù)斷定建筑結(jié)構(gòu)有著良好的抗震性能，那么相關(guān)結(jié)論不夠科學。另一方面，對于一些混合結(jié)構(gòu)而言，在進行試驗與結(jié)果分析時，可以得到大震條件下核心筒損傷破壞、外框柱卻不發(fā)生損壞的現(xiàn)象。由此斷定外框設計的太弱或者是太強也不具科學性。對于雙重防線而言，要將抗震安全作為基本的目標，并且還要兼顧到經(jīng)濟性、適用性等方面的要求，過于追求安全系數(shù)是缺乏科學性的?，F(xiàn)階段，普遍認為雙重防線破壞的合理模式應該是小地震作用下，超高層建筑可以憑借核心筒（第一道防線）來發(fā)揮抗震的作用；中大震作用下，可以允許核心筒受到一定程度的破壞，但是隨著破壞程度的加劇外框柱的能力要得到充分的發(fā)揮。此外，還要保證外框自身具備較強的延性與承載能力，并且還要確保在后續(xù)的地震過程中不出現(xiàn)嚴重的破壞問題。

3 關(guān)于巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑的研究

3.1 計算模型的建立

通過參照相應的工程實例，模型建立過程中創(chuàng)建了一個85層的巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)，并將其作為初始模型A。具體數(shù)據(jù)方面，這一模型的層高為4m，總體高度達到了340m。在平面尺寸方面，設置為41.6m×41.6m。在建筑中的第17、34以及51、68、85層，都相應的設置了一道巨型梁以及伸臂桁架，并且兩者結(jié)合共同構(gòu)成了加強層，其中建筑的平面布置如圖1所示，建筑主要構(gòu)件的截面尺寸打下如表1所示。模型建立過程中，將巨柱與次柱設定為型鋼混凝土。其中巨柱的含鋼率達到了9～10%，次柱的含鋼率達到了5～6%。另外，該模型中連梁的高度是700mm，柱、墻結(jié)構(gòu)所用的混凝土強度等級是C60。模型中，樓板的厚度為150mm，所用混凝土的強度等級是C35。此外，模型中所有的鋼材都選用Q345。

圖1 建筑模型A的第17層平面和三維示意圖

另外，在模型A的基礎進行了相應的變化，其中模型B是將1層高的巨型梁變換成兩個樓層，模型C是將1層高的伸臂桁架結(jié)構(gòu)變化成跨越兩個樓層，模型D是在巨型框架上設置相應的巨型支撐。這一過程中，假定抗震設防烈度是Ⅷ度，建筑場地是Ⅲ類。

3.2 模型分析

模型A到D的不同振型周期見下表2所示，其中，該結(jié)構(gòu)在平面布置方面采用X、Y方向?qū)ΨQ的形式。因而在振型方面1與2的周期具有一致性。此外，通過進行跨越兩個樓層的巨型梁設置，可以有效的降低結(jié)構(gòu)的平動周期。通過對B、C模型的周期進行對比，可以得出伸臂的雙層設置對于結(jié)構(gòu)周期變化有著較大的影響。從模型D的周期能夠看出，通過加設巨型支撐的方式可以提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。

表1 建筑主要構(gòu)件的截面尺寸（mm）

表2 模型A～D前6階周期對比（s）

3.3 結(jié)構(gòu)側(cè)移分析

研究過程中，主要以水平地震作用為主進行結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的分析。在進行計算時，主要應用振型分解反應譜法對水平地震作用進行研究。通過對模型A～D不同樓層的位移以及最大層間位移角進行計算，并且把巨型梁以及伸臂桁架的層數(shù)增加1層，都可以看出不同建筑結(jié)構(gòu)的頂層側(cè)移以及最大層間側(cè)移角出現(xiàn)了不同程度的降低。需要注意的是，通過增加伸臂高度的方式能夠獲得更為顯著的效果。這就表明，巨型框架結(jié)構(gòu)能夠有效的提升建筑整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。因而，如果實際設計過程中，建筑結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)了超限的問題，那么可以通過設置雙層巨型梁或者是伸臂的方式來提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，同時也可以通過增設巨型支撐的形式來實現(xiàn)。

3.4 樓層側(cè)向剛度比分析

在進行超高層建筑結(jié)構(gòu)的設計過程中，要確保樓層的側(cè)向剛度超過相鄰的上部樓層側(cè)向剛度，并且在數(shù)值方面要達到70%左右。如果存在加強層，那么結(jié)構(gòu)的剛度將會發(fā)生明顯的突變，進而導致薄弱層的形成。通過對樓層側(cè)向剛度比數(shù)據(jù)的計算，能夠更加直觀的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度突變的部位。對于因設置加強層而形成的剛度突變樓層位置，可做進一步中、大震抗震性能分析，提高相應抗震措施，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定及承載能力。

4 結(jié)束語

由于巨型-框架核心筒結(jié)構(gòu)在抗側(cè)行、抗震性以及經(jīng)濟性、穩(wěn)定性方面有著突出的優(yōu)勢，因而在目前國內(nèi)的超高層建筑設計工作中得到了廣泛的應用。但是，隨著超高層建筑高度的不斷提升，該結(jié)構(gòu)形式在整體抗側(cè)剛度方面也會出現(xiàn)一定的問題。因而，要通過合理改善巨型梁或伸臂桁架等方式，提升建筑的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)安全。