王 翠

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200011）

0 引言

在當(dāng)今的建筑工程中，高層和超高層建筑的數(shù)量正在持續(xù)增加，其中，鋼框架—砼核心筒體系是廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式是在傳統(tǒng)鋼框架體系的基礎(chǔ)上，加入了混凝土核心筒，以提高整個建筑結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，尤其在抵御風(fēng)荷載和地震荷載的能力上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。然而，隨著建筑高度的提升和設(shè)計要求的復(fù)雜化，鋼框架—砼核心筒體系的設(shè)計也面臨著一系列挑戰(zhàn)，比如如何兼顧結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟效益，如何在維護建筑空間功能性和舒適性的前提下，提高結(jié)構(gòu)的安全性能，如何更好地解決鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間的連接問題等。因此，針對鋼框架—砼核心筒體系的設(shè)計研究勢在必行。在相關(guān)研究工作開展的同時，應(yīng)結(jié)合以往研究經(jīng)驗，以便把握好研究方向。在楊學(xué)林[1]團隊的研究中，結(jié)合實際工程分析了混凝土核心筒高層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的具體思路以及具體參數(shù)。在徐曠[2]團隊的研究中，結(jié)合實際的工程分析了高層框架核心筒體系的隔震設(shè)計，為隔震設(shè)計提供了相應(yīng)的思路。在王建新[3]的研究中，介紹了一實際工程采用鋼組合框架—鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計過程（包括基礎(chǔ)設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系、樓蓋選型和布置）供采用相似體系的項目設(shè)計提供了參考?；诖耍疚膶κ褂幂^成熟的框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系的平面布置中的鋼梁與鋼柱的連接方式（剛接、鉸接）進行計算對比，得出了不同連接方式對整體結(jié)構(gòu)承載力、變形性能、使用階段舒適度的影響，同時對經(jīng)濟性、施工方便性做出評價，為相似結(jié)構(gòu)類型的工程提供一定的參考依據(jù)。

1 鋼框架－混凝土核心筒體系平面構(gòu)件布置

鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系在平面上有不同的布置形式，一般建筑的樓梯、電梯及功能房間布置在平面的中心位置，結(jié)構(gòu)在這些房間周邊設(shè)置鋼筋混凝土墻體即剪力墻，剪力墻肢之間設(shè)置連梁連接，圍成平面內(nèi)部的剪力墻筒體；在平面的四周采用鋼結(jié)構(gòu)梁、柱，這些外圍鋼梁柱采用剛性連接形成鋼結(jié)構(gòu)框架，另外，框架部分除采用鋼框架外，也可以采用鋼管混凝土柱和鋼梁的組合框架；如果外圍鋼架柱采用密柱方案，即采用外鋼框架密柱—內(nèi)鋼筋混凝土核心筒的筒中筒結(jié)構(gòu)；位于平面內(nèi)部的樓面鋼次梁一端與混凝土剪力墻一般采用鉸接連接，這種連接方式與模型計算時的鉸接假定比較符合，這是鋼筋混凝土次梁難以做到的；鋼梁與混凝土墻體也可以采用剛接連接，這種連接方式需要在混凝土墻體內(nèi)預(yù)埋鋼骨與樓面鋼梁剛接，鋼梁端部剛接，此樓面體系豎向撓度小剛度較大，能有效地滿足使用荷載下的舒適度要求；鋼梁的另一端與外圈框架梁鉸接連接，與鋼框架柱連接時也可采用剛接連接或鉸接連接。

鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系中鋼筋混凝土核心筒承擔(dān)了絕大部分的水平作用，鋼結(jié)構(gòu)框架部分分擔(dān)的水平作用較小，內(nèi)部鋼框架及鋼結(jié)構(gòu)次梁主要承擔(dān)樓面重力荷載。

設(shè)計時可以根據(jù)工程特點，有針對性地設(shè)計鉸接節(jié)點，合理地設(shè)置結(jié)構(gòu)單體的整體抗側(cè)剛度以得到合適的地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，合理分配鋼筋混凝土核心筒和鋼框架之間的抗側(cè)力剛度比，有效降低混凝土核心筒墻體內(nèi)力，減少混凝土在水平作用下發(fā)生脆性破壞的可能，提高鋼筋混凝土墻體地震作用下延性能力。

2 鋼梁、鋼柱不同連接方式對比分析

本文將對四個工程實例采用內(nèi)部設(shè)置鋼框架梁及內(nèi)部均設(shè)置為鋼次梁的布置方案，所示，對結(jié)構(gòu)單體的力學(xué)特性進行分析，包括結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)（周期、位移）、局部用鋼量、樓面舒適度計算結(jié)果進行對比分析，找出較優(yōu)的布置方案，對后續(xù)的工程設(shè)計提供參考。本文采用三維結(jié)構(gòu)有限元軟件YJK4.3 計算分析，按照側(cè)向位移角控制指標(biāo)不大于1/800 布置抗側(cè)剛度，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB20011-2010）（2016）條文說明6.2.13-2，計算地震內(nèi)力時抗震墻連梁剛度可折減，計算位移時可采用連梁剛度不折減下的側(cè)移，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.2.1 條及條文說明，本文計算僅在地震作用內(nèi)力效應(yīng)時對連梁剛度進行折減，折減系數(shù)取0.6～0.7，在重力荷載工況、風(fēng)荷載工況下的內(nèi)力及地震作用工況下的側(cè)向位移采用連梁剛度不折減的原則[4]。

2.1 工程實例概況

工程一：1#為高層辦公樓，地上為12 層，地下2 層，地上首層層高為6m，其余層高為4.5m，大屋面建筑高度為55.7m，建筑平面為矩形，平面尺寸為41.3m×26.7m；

工程二：2#為高層研發(fā)樓，地上11 層，地下2 層，地上首層層高為5.4m，標(biāo)準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為47.4m，建筑平面為矩形，平面尺寸為33.6m×36m；

工程三：3#為高層科研樓，地上8 層地下1 層，首層層高為6.8m，標(biāo)準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為36.2m，建筑平面為矩形，平面尺寸為39m×46m；

工程四：4#為高層科研樓地上6 層地下1 層，首層層高為6.8m，標(biāo)準層層高為4.2m，大屋面建筑高度為27.75m，建筑平面為矩形，平面尺寸為39m×29m；

上述工程均采用鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，樓面及屋面板采用疊合板；上部建筑的嵌固端均為地下室頂板；工程地點位于上海市，設(shè)防烈度為7 度，IV 類場地，特征周期0.90 s，設(shè)計基本加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第二組；鋼框架、鋼筋混凝土核心筒抗震等級均為二級。

2.2 內(nèi)部鋼梁不同方式布置的結(jié)構(gòu)特性對比

對兩種內(nèi)部鋼梁與柱連接方式，鋼梁與柱剛接以下稱為方案一，鋼梁與柱鉸接以下稱為方案二，兩種連接方式與核心筒均為鉸接連接。原設(shè)計均為方案一，以下分析在原設(shè)計的基礎(chǔ)上僅修改內(nèi)部鋼梁與柱連接為鉸接及鋼梁截面變?。ò唇M合梁設(shè)計），其余條件均與方案一相同，計算采用有限元軟件YJK4.3，將結(jié)構(gòu)特性中的周期、位移、鋼框架所占抗側(cè)力比例對比結(jié)果如表1 所示。

表1 兩種連接方式的模型指標(biāo)對比

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值變小，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度對比更合理，抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效合理，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低；對整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力影響不大，仍然可以滿足側(cè)移要求，得到的此鋼梁本身的應(yīng)力比較低，可以減小此鋼梁截面，節(jié)約鋼材用量[5]。

3 舒適度分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 中3.7.7樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合適的舒適度，豎向振動頻率不宜小于3Hz，豎向振動加速度峰值不應(yīng)超過表2 中規(guī)定的限值。

表2 樓蓋豎向振動加速度限值

根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準》（JGJ_T441-2019）中4.2.1 條，以行走激勵為主的樓蓋結(jié)構(gòu)，第一階豎向自振頻率不宜低于3Hz，豎向振動峰值加速度不應(yīng)大于表3 中規(guī)定的限值。

表3 豎向振動峰值加速度限值

綜上，可以看到兩個規(guī)范對于辦公樓功能的樓蓋結(jié)構(gòu)第一階豎向自振頻率、豎向振動峰值加速度限值的規(guī)定是一致的，本文按照樓蓋結(jié)構(gòu)第一階豎向自振頻率控制值為不低于3Hz，豎向振動峰值加速度不大于500mm/s2控制樓層的舒適度。上述工程實例中方案一樓面內(nèi)部鋼梁與柱剛接，梁豎向剛度較大，相比于方案一樓面內(nèi)部鋼梁與柱鉸接樓面結(jié)構(gòu)豎向剛度較小，豎向振動更為不利，以下計算以方案二為例對樓面結(jié)構(gòu)舒適度進行分析，包括豎向振動自振頻率、荷載激勵下節(jié)點峰值加速度。以下采用YJK—樓板及設(shè)備振動模塊進行樓層舒適度計算，根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準》3.1.3 條，舒適度計算時，樓蓋采用鋼筋混凝土樓蓋時混凝土的彈性模量可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010 的規(guī)定值放大1.2 倍；3.2.3 條辦公樓舒適度有效均布活載取0.5kN/m2，由于強度計算時樓面活荷載輸入4kN/m2，YJK—樓板及設(shè)備振動模塊進行樓蓋結(jié)構(gòu)舒適度計算，活荷載組合系數(shù)取0.125。

通過上述樓層舒適度計算，各樓層第一自振頻率最小值3.62Hz 大于3Hz，在《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準》行走荷載激勵下節(jié)點的峰值加速度均小于500m/s2，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

鋼框架+混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)體系用途廣泛，根據(jù)其受力特點合理地對結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，既能有效地滿足重力荷載受力需要，又能較好地適應(yīng)水平地震荷載下側(cè)移需求。結(jié)構(gòu)破壞主要集中于混凝土芯筒，特別是結(jié)構(gòu)下部的混凝土筒體四角，對這些部位應(yīng)予加強，增加鋼筋混凝土筒體的延性。內(nèi)部鋼梁一端與混凝土核心筒的連接采用鉸接，另一端與鋼柱的連接也采用鉸接有以下優(yōu)勢：

結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)中，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值變小，抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效合理，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低，結(jié)構(gòu)受力更為合理有效；

結(jié)構(gòu)平動對整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力影響不大，仍然可以滿足規(guī)范側(cè)移要求；

這種連接方式鋼梁兩端鉸接采用組合梁設(shè)計，得到的此鋼梁本身的應(yīng)力比較低，可以減小此鋼梁截面，節(jié)約鋼材用量；

樓層舒適度計算結(jié)果表明，第一自振頻率和節(jié)點豎向峰值加速度均滿足規(guī)范要求，具有良好的使用性能。