摘要 通過對筒體結(jié)構(gòu)體系的講解和分析，結(jié)合PKPM軟件建立結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)定義，將內(nèi)力和位移計(jì)算結(jié)果參照規(guī)范進(jìn)行分析，這樣不僅能提高學(xué)生熟練操作應(yīng)用PKPM軟件，而且可以加強(qiáng)和鍛煉學(xué)生使用規(guī)范的能力和解決結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的不同問題，使理論教學(xué)與實(shí)際工程更加有效地結(jié)合。

關(guān)鍵詞 PKPM軟件;筒體結(jié)構(gòu)體系;規(guī)范

中圖分類號 G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

1筒體結(jié)構(gòu)發(fā)展過程

國外20世紀(jì)60年代，歐美國家高層建筑數(shù)量及規(guī)模得到了快速發(fā)展，導(dǎo)致土地價(jià)格高漲和供應(yīng)緊張，需要建造更高建筑物來克服土地供應(yīng)的不足，美國杰出的總工程師FazlurR.Khan博士進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，發(fā)明了筒體這種結(jié)構(gòu)體系［1］。筒體結(jié)構(gòu)體系包括框筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒、筒中筒、束筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒-伸臂結(jié)構(gòu)等。世界第一棟筒體結(jié)構(gòu)是1964年美國建造的DeWitt-Chestnut公寓，高120m，地上44層，采用鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)體系；1965年建成的芝加哥Brunswick大廈，建筑高度145m，采用的鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)體系；1969年完成的漢考克鋼絎架筒體結(jié)構(gòu)，建筑高度340m；1974年建成的美國銀行，建筑高度183m，采用的鋼筋混凝土框架-核心筒-伸臂結(jié)構(gòu)體系；1973年完成的紐約世貿(mào)中心雙塔，高度417m，地上110層，在當(dāng)時(shí)屬于最高的結(jié)構(gòu)，采用鋼框筒結(jié)構(gòu)體系。

我國內(nèi)地筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)用開始于20世紀(jì)80～90年代，隨著改革開放國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力提高及房地產(chǎn)的快速發(fā)展，在一些城市陸續(xù)開始建造超高層建筑，主要用途是辦公寫字樓，采用的結(jié)構(gòu)形式基本上是筒體結(jié)構(gòu)。如1985建成的深圳國貿(mào)中心大廈，建筑面積10萬m2，建筑高度160m，采用筒中筒結(jié)構(gòu)形式；1985年建成的北京中國國際貿(mào)易中心，建筑高度330m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)；1996年建成的深圳地王大廈，建筑高度380m，采用鋼外筒與混凝土內(nèi)筒形成的筒中筒混合結(jié)構(gòu)形式。上海金茂大廈、上海中心大廈、武漢綠地大廈、中國尊、深圳平安中心等都是近十年完成的超高層建筑的代表，都采用了筒體結(jié)構(gòu)體系。筒體結(jié)構(gòu)抗震性能好、抗側(cè)移剛度大、抗扭轉(zhuǎn)效果明顯，在業(yè)內(nèi)贏得了一致好評。

2PKPM軟件

PKPM軟件從20世紀(jì)90年代至今，30年間經(jīng)過技術(shù)工程師和編程人員的不斷完善，如今在操作方面和功能方面都得到了極大的改變。目前在國內(nèi)使用用戶最多、性能最好、用途最廣泛的一種軟件。可以滿足常規(guī)的所有建筑設(shè)計(jì)，如民用多高層住宅、辦公樓、酒店、商場、預(yù)應(yīng)力混凝土、煙囪、地下室等［2］。應(yīng)用在砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)等不同體系中。滿足工程設(shè)計(jì)所需準(zhǔn)確性同時(shí)，也給從業(yè)者提供了設(shè)計(jì)便利。為了更好地學(xué)習(xí)PKPM軟件及熟悉設(shè)計(jì)流程，需要對相關(guān)規(guī)范比較熟悉，在設(shè)計(jì)過程中常用的主要規(guī)范是JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，要求學(xué)生必須了解。

3框架-核心筒與筒中筒結(jié)構(gòu)

框架-核心筒是指建筑物四周采用框架柱與框架梁、核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻組合而成的一種結(jié)構(gòu)形式［3］，避免了框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)四周采光通風(fēng)效果差的缺陷，在大多數(shù)的酒店、辦公寫字樓得到了較好地發(fā)展；同時(shí)結(jié)構(gòu)布置靈活可以滿足使用要求；核心筒主要用來抵抗水平剪力以及傾覆力矩，而外部的框架結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)一部分傾覆力矩；筒中筒結(jié)構(gòu)建筑物四周采用密柱深梁、核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻組合而成的一種結(jié)構(gòu)形式［1］；由于外部柱距較小且框架梁截面較高導(dǎo)致視線較差，框架梁柱通常采用鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土；核心筒主要用來抵抗大部分水平剪力以及部分傾覆力矩，外筒主要承受大部分傾覆力矩。目前在大量的設(shè)計(jì)過程中，這2種結(jié)構(gòu)體系使用率較大，為了便于它們更好地滿足抗震抗風(fēng)及經(jīng)濟(jì)效果，結(jié)構(gòu)方案優(yōu)先選擇平面尺寸接近正方形的形狀。框架-核心筒剛度一般較筒中筒小，建造的建筑高度偏低。截至2020年底，中國完成的超高層建筑200m以上有近800座，300m以上有近40座，400m以上有近15座，500m以上有近15座，大部分建筑位于經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力較前的一線發(fā)達(dá)城市，這些結(jié)構(gòu)形式大部分采用框架-核心筒與筒中筒結(jié)構(gòu)。目前在規(guī)劃建造830m的深圳湖貝塔、729m的蘇州中南中心、677m的成都熊貓大廈、648m的武漢周大福金融中心，這些結(jié)構(gòu)形式中也會(huì)有筒體結(jié)構(gòu)形式的存在。作為本科階段，學(xué)生在PKPM軟件的學(xué)習(xí)過程中除了掌握框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前市場的發(fā)展需要，理解和掌握一些框架-核心筒與筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，這樣有助于學(xué)生提高專業(yè)知識水平，也可以掌握一定的技能。

4學(xué)生在框架-核心筒設(shè)計(jì)過程中常遇到難點(diǎn)

對于框架-核心筒大多數(shù)學(xué)生存在對概念理解不夠清晰，缺少對規(guī)范的了解，在設(shè)計(jì)過程中有時(shí)無從下手，接下來針對學(xué)生的疑惑部分進(jìn)行分析。

4.1合理的結(jié)構(gòu)高度如何考慮

A級高度鋼筋混凝土高層建筑最大使用高度可參考JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱為《高規(guī)》）表3.3.1［3］，6、7、8、9抗震設(shè)防烈度分別不宜超過150m、130m、100m、70m，高規(guī)9.1.2規(guī)定其高度不超過60m，可按照框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)高度太低會(huì)導(dǎo)致框架-核心筒結(jié)構(gòu)不能有效地發(fā)揮其抗震效果，在實(shí)際工程中在不超出最大適用高度的情況下可以盡可能增加建筑物高度，這樣不僅可以充分發(fā)揮其作用，而且也可以提高結(jié)構(gòu)的性價(jià)比。學(xué)生在對高度的判定選擇比較不容易接受，經(jīng)過講解和分析后對概念有所理解。

4.2外部框架柱與內(nèi)部核心筒合理距離的取值

核心筒距離外柱的距離在地震區(qū)不宜大于12m，工程上考慮到建筑功能的體現(xiàn)和利用，結(jié)合大量的工程數(shù)據(jù)分析，經(jīng)濟(jì)合理的跨度一般在8～10m左右。若跨度太大會(huì)導(dǎo)致框架梁截面高度變大影響凈高、同時(shí)梁的線剛度下降會(huì)使連接外筒和內(nèi)筒的約束力變?nèi)醪焕诳拐鹪O(shè)計(jì)。框架梁寬度和高度按照純框架結(jié)構(gòu)的選擇要求進(jìn)行布置，同時(shí)滿足剛度、強(qiáng)度、延性、耗能各方面的設(shè)計(jì)。框架梁基本上都是單跨，在內(nèi)力計(jì)算方面尤其是彎矩作用下底部與支座受力較大，需要配置較多的縱向鋼筋面積。非框架梁在框架-核心筒中主要是布置在框架梁上，分割樓板及承受填充墻荷載，該梁截面大小主要取決于框架梁的間距。

4.3框架柱與剪力墻的布置要點(diǎn)

框架柱截面大小一般較純框架結(jié)構(gòu)高，純框架結(jié)構(gòu)高度比較低所受內(nèi)力較小，而框架-核心筒結(jié)構(gòu)較高，豎向和水平力產(chǎn)生的內(nèi)力較大，尤其外部框架還需要分擔(dān)結(jié)構(gòu)承受的地震作用下傾覆力矩，大多數(shù)工程柱截面可以達(dá)到0.8～1m左右，為了減小柱截面過大帶來對建筑采光效果及通風(fēng)的不利影響，可以在鋼筋混凝土框架柱中配置適量的型鋼稱為型鋼混凝土柱或外部框架柱采用強(qiáng)度較高的鋼柱。剪力墻或核心筒布置在建筑物的內(nèi)部，一般采用4個(gè)“L”形，對稱布置便于內(nèi)部剛度均勻，內(nèi)部布置剛度較弱的電梯、樓梯、通風(fēng)井等豎向交通構(gòu)件。墻體厚度同樣需要滿足考慮承載力和剛度的要求，厚度一般不低于200mm.

4.4如何判斷剪力、傾覆力矩的分配

框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)由于四周采用密柱深梁會(huì)導(dǎo)致在水平力作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪力滯后現(xiàn)象，會(huì)不同程度影響結(jié)構(gòu)抵抗內(nèi)力與變形效果。很多學(xué)生不理解剪力滯后現(xiàn)象及如何改善，課本中對這方面內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，剪力滯后根本原因是外圍框架柱承擔(dān)的作用分布不均勻，改善或減小該現(xiàn)象有幾點(diǎn)：平面布置盡量接近正多邊形或圓形、加強(qiáng)四周角柱的截面尺寸、控制結(jié)構(gòu)的最小高度、合理調(diào)整結(jié)構(gòu)整體與局部剛度的比例。框架-核心筒由于外部采用普通框架柱間距，不會(huì)形成剪力滯后現(xiàn)象。外部框架部分各層承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%［4］，不滿足要求需要調(diào)整框架柱與剪力墻的剛度或?qū)τ?jì)算內(nèi)力值進(jìn)行修正，核心筒承擔(dān)的剪力遠(yuǎn)高于框架柱；在傾覆力矩的分配框架部分承擔(dān)的底部比列一般控制在10%～20%之間，仍以剪力墻或核心筒承擔(dān)為主。在高層設(shè)計(jì)過程中，抗傾覆力矩與傾覆力矩之比應(yīng)大于3，剪力和傾覆力矩分配多少取決于各個(gè)構(gòu)件的剛度大小。在工程上，一般剪力分配合理的話，傾覆力矩分配也不會(huì)差異太大，因?yàn)閮烧叨寂c剛度大小有關(guān)［5］。

4.5結(jié)構(gòu)周期及扭轉(zhuǎn)周期的判斷

高層設(shè)計(jì)過程中，不可避免扭轉(zhuǎn)的影響，為了減小扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利影響，結(jié)構(gòu)方案布置盡量使長寬比不宜過大。規(guī)范規(guī)定扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動(dòng)為主的第一周期之比不應(yīng)超過0.85［3］，且第一平動(dòng)周期中，平動(dòng)的成分不小于70%，扭轉(zhuǎn)成分不高于30%。為了降低扭轉(zhuǎn)的危害，實(shí)際工程一般將平動(dòng)的成分控制在80%以上，而且第一、第二振型狀態(tài)下必須符合平動(dòng)效果，第三振型出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)［6］。一般平面2個(gè)方向尺寸越接近扭轉(zhuǎn)影響越小，在實(shí)際的工程中，框架-核心筒采用的平面形狀多采用正方形或長寬比不大于1.5的矩形。

4.6框架柱、梁的合理選擇

框架-核心筒結(jié)構(gòu)中外圍框架部分基本按照純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行截面選擇，但由于該結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)高度較大，豎向力與水平力較普通框架結(jié)構(gòu)大，考慮到結(jié)構(gòu)的延性和耗能、承載力、剛度等要求，一般情況下框架柱截面采用的較大一些。常用的截面尺寸可能在底部若干層可以達(dá)到1000mm×1000mm左右，從下至上依次減小，有時(shí)為了減小截面尺寸滿足建筑需要會(huì)采用型鋼混凝土柱。框架梁主要兩部分作用，一方面將外圍框架柱連接在一起，形成外圍剛度提高抗扭轉(zhuǎn)，截面高度取決于柱距及層高等因素；另外一部分主要是將框架柱與內(nèi)部核心筒（剪力墻）進(jìn)行連接，滿足建筑用途與樓板劃分，一般跨度在10m左右，截面高度一般取跨度的1/12～1/10。

4.7核心筒或剪力墻厚度與哪些因素有關(guān)

核心筒布置在內(nèi)部中間，剛度較大，為了減小質(zhì)量形心與剛度形心的偏心，盡可能采用對稱布置。影響其厚度的因素主要有地震抗震設(shè)防烈度、建筑物的結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)高寬比、結(jié)構(gòu)長寬比、平立面的規(guī)則程度。

5結(jié)束語

首先對框架-核心筒結(jié)構(gòu)從概念理解出發(fā)，結(jié)合建筑方案、結(jié)構(gòu)布置2個(gè)方面進(jìn)行分析；其次對于該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的相應(yīng)問題結(jié)合規(guī)范，找到有效的辦法解決；最后在高層設(shè)計(jì)過程中，在滿足承載力、剛度的情況下，盡可能實(shí)現(xiàn)耗能大、延性好的概念設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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