试论高层建筑框架核心筒结构设计
摘要：随着城市化步伐的不断加快，我国高层建筑蓬勃发展，随着建筑高度的增加，水平作用的影响相对增大，结构的侧向变形也随着增大。筒体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体可分为筒结构和框架一核心筒结构。本文结合某高层建筑工程实例，对框架核心筒结构选型、平面及竖向结构布置、构造措施以及结构概念设计等进行了分析。
关键词：高层建筑；框架核心筒结构；设计
引言：
21世纪以来世界各地已建和在建的超高层建筑日益增多，同时又朝着体型复杂，功能形态多样的综合性方向发展，也为建筑结构的设计提出了更高的要求。高层建筑框架—核心筒结构体系中的框架部分与框架—剪力墙体系一样可以满足建筑的灵活布置及较大的空间，还由于筒体本身的空间效应使其抗侧刚度远大于一般的框架剪力墙中的剪力墙，另外由于框架部分通常距核心筒不远，且沿核心筒周边布置，其空间效应也优于框架剪力墙结构，使得高层建筑框架核心筒结构能够承担较大的水平效应，并在经济上优于框架剪力墙结构。
1、工程概况及结构布置
1.1工程概况
本高层建筑工程项目功能为商业办公，主体为商业办公楼，包括沿街商业裙房，地下2层停车场，地面以下深度8.1m，地上21层，功能为商业办公，结构屋面高度78.2m，出屋面包含机房和设备间，机房屋面高度83.00m。高层办公楼地上部分长50.2m，宽20.5m，建筑面积地上部分为28377，地下部分为 5700。
1.2结构布置
该高层建筑项目根据平面布置结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构, 避免了结构坚向抗侧力构件的转换, 满足建筑立面效果和使用要求。其中核心筒部分采用现浇钢筋混凝土筒体，外围框架柱采用钢筋混凝土柱，楼面梁采用普通梁，楼板采用现浇实心板。核心筒作为抵抗水平作用的主要构件，外围框架柱主要承受竖向荷载。在筒体洞口的布置上，尽量使洞口远离筒体角部，洞口间筒体墙肢均匀分布。框架柱考虑到剪力滞后效应的影响，加大角柱的截面和配筋。工程结构安全等级为二级，设计使用年限50年，抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度 7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g。场地类别为Ⅳ类，特征周期 0.90s，结构阻尼比取0.05。按现行抗震规范，框架抗震等级为二级，核心筒抗震等级为二级。按现行高层建筑混凝土结构技术规程，本工程为对风荷载比较敏感的的高层建筑且位于沿海地区，按规范取用100年重现期的基本风压：W=0.60kN/m2，地面粗糙度 B 类，基本雪压
S=0.20kN/m2。根据建筑竖向布置，对于高层办公楼和沿街商业，因其地下一层位于堆土场地中且主楼/沿街商业与独立办公间土体无法对主楼地下一层形成稳定有效约束，故结构上仅考虑主楼地下2层为地下室，主楼地下一层结构上按地上部分考虑；主体结构以基础顶板作为上部嵌固部位。主楼基础埋深从独立办公基础底算起，为6.62m，满足规范基础埋深1/18房屋高度的要求。高层办公楼为大底盘单塔结构，单塔与大底盘偏心距为底盘相应边长的 16.3%（X 向），5.8%（Y 向）；
2、超限情况分析及相应的抗震措施
在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍，小于 1.5 倍，为平面扭转不规则；二层平面，在入口大厅上方楼板开洞，开洞后楼板缺失，楼板局部不连续，平面不规则。二十层立面收进，收进尺寸与相邻下一层之比为 X 向16.9%，Y 向局部 100%；二十一层处立面收进，收进尺寸与相邻下一层之比为 59.6%，竖向不规则。针对上述超限情况本工程采取了如下的抗震构造和计算措施：⑴对于大底盘单塔，加厚大底盘顶板至 250mm，并双层双向配筋；加强大底盘及上一层竖向构件配筋，并严格控制轴压比满足规范要求，以提高竖向构件的延性。⑵ 对于扭转不规则，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，计及扭转影响，并控制楼层最大的弹性水平位移和层间位移的分别不大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的 1.4 倍。⑶ 采取符合楼板平面内实际刚度变化的弹性楼板计算模型，在楼板开大洞的部位附近设置能真实计算楼板平面内与平面外刚度的“弹性楼板”计算模式，真实反应出相应部位的内力结果，并加强楼板及相关梁配筋；对于楼板开洞形成的连层柱，设计加强连层柱的配筋率，连层柱抗震等级提高一级，严格控制柱轴压比，并核对连层柱计算长度系数，合理确定连层柱的内力。⑷对于竖向构件局部收进引起的侧向刚度不规则，考虑突变楼层相交竖向构件在上下一层范围内配筋予以加强，故计算时人为规定十九，二十，二十一层为薄弱层，对薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数，对竖向构件配筋予以加强以提高柱延性，并严格控制柱轴压比小于规范限值；另加厚二十，二十一层楼板厚度，取为150mm，并加强楼板的配筋，以增强结构抗剪承载力，提高整体刚度，确保水平力的有效传递。
结构分析
结构分析的主要结果汇总及比较
3.1计算软件
本工程结构的整体计算采用 SATWE 与 PMSAP2008 年 10 月版程序。
3.2主要计算参数
抗震设防烈度为7度，场地类型为Ⅳ类，采用上海地区反应谱。采用弹性楼板假设进行整体分析，以考虑楼板刚度变化较大对水平力分配的影响. 弹性时程
分析取地面运动最大加速度为35cm/s2，选用三种地震波，其中一条人工波（上海人工波SHW2），另选取Ⅳ类场地,特征周期 0.90s的两条实际波。
3.3弹性分析主要计算结果
弹性动力时程分析的层剪力沿竖向的分布情况，以上的计算结果表明，三种地震波弹性动力时程分析所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法的计算结果的 80%，最小值大于振型分解反应谱法的计算结果的65％，可以满足规范要求。通过以上计算与分析，可以看出本工程第一，第二振型均为平动，扭转为主的振型为第三振型，扭转周期比满足规范要求；层间位移角、位移比也均满足要求，地震作用下的剪重比也在正常范围，满足最小地震力要求；弹性动力时程分析的结果满足规范要求。采用两种程序计算的结果相差不大，总体上保持一致，虽然数值上有一定的微小差异，均在规范规定的合理范围之内。
4、框架-核心筒布置
通过以上的计算分析，高层建筑框架核心筒的布置应满足以下几点：（1）核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于简体总高的1/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。（2）核心筒的周边宜闭合，楼梯、电梯间应布置混凝土内墙；核心筒应具有良好的整体性；（3）核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/0及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层高的1/16及200mm，不满足时，应按《高规》附录D计算墙体稳定，必要时可增设扶壁柱或扶壁墙；在满足承载力要求以及轴压比限值(仅对抗震设计)时，核心筒内墙可适当减薄，但不应小于160mm。又因为有框架梁支承在核心筒上，核心筒的外墙厚度宜大于0.4LAE(梁纵向受力钢筋的锚固长度)，工程中框架梁钢筋最大为25mm抗震等级为一级。工程核心筒外墙的截面厚度为400mm，满足以上要求；（4）核心筒外墙较大的门洞宜上下竖向连续布置，以使其内力变化保持连续性。
5、结语
综上所述，通过对体型不规则的超限高层框架核心筒结构进行计算分析，采用了弹性动力时程分析方法进行验证，本工程由于在结构设计中采取了较为合理结构布置，并对结构的薄弱部位采取了有效的加强措施，减小了体型不规则对整体抗震性能的不利影响，结构具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规范 JGJ3- 2002.北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[2] 高层建筑结构设计建议.上海科学技术出版社,2003.
[3] 建筑地基基础设计规范 GB50007- 2002.北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[4] 混凝土结构设计规范 GB50010- 2002. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[5] 建筑抗震设计规范 GB50011- 2001. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.
试论高层建筑框架核心筒结构设计
摘要：随着城市化步伐的不断加快，我国高层建筑蓬勃发展，随着建筑高度的增加，水平作用的影响相对增大，结构的侧向变形也随着增大。筒体结构是由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体可分为筒结构和框架一核心筒结构。本文结合某高层建筑工程实例，对框架核心筒结构选型、平面及竖向结构布置、构造措施以及结构概念设计等进行了分析。
关键词：高层建筑；框架核心筒结构；设计
引言：
21世纪以来世界各地已建和在建的超高层建筑日益增多，同时又朝着体型复杂，功能形态多样的综合性方向发展，也为建筑结构的设计提出了更高的要求。高层建筑框架—核心筒结构体系中的框架部分与框架—剪力墙体系一样可以满足建筑的灵活布置及较大的空间，还由于筒体本身的空间效应使其抗侧刚度远大于一般的框架剪力墙中的剪力墙，另外由于框架部分通常距核心筒不远，且沿核心筒周边布置，其空间效应也优于框架剪力墙结构，使得高层建筑框架核心筒结构能够承担较大的水平效应，并在经济上优于框架剪力墙结构。
1、工程概况及结构布置
1.1工程概况
本高层建筑工程项目功能为商业办公，主体为商业办公楼，包括沿街商业裙房，地下2层停车场，地面以下深度8.1m，地上21层，功能为商业办公，结构屋面高度78.2m，出屋面包含机房和设备间，机房屋面高度83.00m。高层办公楼地上部分长50.2m，宽20.5m，建筑面积地上部分为28377，地下部分为 5700。
1.2结构布置
该高层建筑项目根据平面布置结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构, 避免了结构坚向抗侧力构件的转换, 满足建筑立面效果和使用要求。其中核心筒部分采用现浇钢筋混凝土筒体，外围框架柱采用钢筋混凝土柱，楼面梁采用普通梁，楼板采用现浇实心板。核心筒作为抵抗水平作用的主要构件，外围框架柱主要承受竖向荷载。在筒体洞口的布置上，尽量使洞口远离筒体角部，洞口间筒体墙肢均匀分布。框架柱考虑到剪力滞后效应的影响，加大角柱的截面和配筋。工程结构安全等级为二级，设计使用年限50年，抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度 7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g。场地类别为Ⅳ类，特征周期 0.90s，结构阻尼比取0.05。按现行抗震规范，框架抗震等级为二级，核心筒抗震等级为二级。按现行高层建筑混凝土结构技术规程，本工程为对风荷载比较敏感的的高层建筑且位于沿海地区，按规范取用100年重现期的基本风压：W=0.60kN/m2，地面粗糙度 B 类，基本雪压
S=0.20kN/m2。根据建筑竖向布置，对于高层办公楼和沿街商业，因其地下一层位于堆土场地中且主楼/沿街商业与独立办公间土体无法对主楼地下一层形成稳定有效约束，故结构上仅考虑主楼地下2层为地下室，主楼地下一层结构上按地上部分考虑；主体结构以基础顶板作为上部嵌固部位。主楼基础埋深从独立办公基础底算起，为6.62m，满足规范基础埋深1/18房屋高度的要求。高层办公楼为大底盘单塔结构，单塔与大底盘偏心距为底盘相应边长的 16.3%（X 向），5.8%（Y 向）；
2、超限情况分析及相应的抗震措施
在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍，小于 1.5 倍，为平面扭转不规则；二层平面，在入口大厅上方楼板开洞，开洞后楼板缺失，楼板局部不连续，平面不规则。二十层立面收进，收进尺寸与相邻下一层之比为 X 向16.9%，Y 向局部 100%；二十一层处立面收进，收进尺寸与相邻下一层之比为 59.6%，竖向不规则。针对上述超限情况本工程采取了如下的抗震构造和计算措施：⑴对于大底盘单塔，加厚大底盘顶板至 250mm，并双层双向配筋；加强大底盘及上一层竖向构件配筋，并严格控制轴压比满足规范要求，以提高竖向构件的延性。⑵ 对于扭转不规则，采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，计及扭转影响，并控制楼层最大的弹性水平位移和层间位移的分别不大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的 1.4 倍。⑶ 采取符合楼板平面内实际刚度变化的弹性楼板计算模型，在楼板开大洞的部位附近设置能真实计算楼板平面内与平面外刚度的“弹性楼板”计算模式，真实反应出相应部位的内力结果，并加强楼板及相关梁配筋；对于楼板开洞形成的连层柱，设计加强连层柱的配筋率，连层柱抗震等级提高一级，严格控制柱轴压比，并核对连层柱计算长度系数，合理确定连层柱的内力。⑷对于竖向构件局部收进引起的侧向刚度不规则，考虑突变楼层相交竖向构件在上下一层范围内配筋予以加强，故计算时人为规定十九，二十，二十一层为薄弱层，对薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数，对竖向构件配筋予以加强以提高柱延性，并严格控制柱轴压比小于规范限值；另加厚二十，二十一层楼板厚度，取为150mm，并加强楼板的配筋，以增强结构抗剪承载力，提高整体刚度，确保水平力的有效传递。
结构分析
结构分析的主要结果汇总及比较
3.1计算软件
本工程结构的整体计算采用 SATWE 与 PMSAP2008 年 10 月版程序。
3.2主要计算参数
抗震设防烈度为7度，场地类型为Ⅳ类，采用上海地区反应谱。采用弹性楼板假设进行整体分析，以考虑楼板刚度变化较大对水平力分配的影响. 弹性时程
分析取地面运动最大加速度为35cm/s2，选用三种地震波，其中一条人工波（上海人工波SHW2），另选取Ⅳ类场地,特征周期 0.90s的两条实际波。
3.3弹性分析主要计算结果
弹性动力时程分析的层剪力沿竖向的分布情况，以上的计算结果表明，三种地震波弹性动力时程分析所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法的计算结果的 80%，最小值大于振型分解反应谱法的计算结果的65％，可以满足规范要求。通过以上计算与分析，可以看出本工程第一，第二振型均为平动，扭转为主的振型为第三振型，扭转周期比满足规范要求；层间位移角、位移比也均满足要求，地震作用下的剪重比也在正常范围，满足最小地震力要求；弹性动力时程分析的结果满足规范要求。采用两种程序计算的结果相差不大，总体上保持一致，虽然数值上有一定的微小差异，均在规范规定的合理范围之内。
4、框架-核心筒布置
通过以上的计算分析，高层建筑框架核心筒的布置应满足以下几点：（1）核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于简体总高的1/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。（2）核心筒的周边宜闭合，楼梯、电梯间应布置混凝土内墙；核心筒应具有良好的整体性；（3）核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/0及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层高的1/16及200mm，不满足时，应按《高规》附录D计算墙体稳定，必要时可增设扶壁柱或扶壁墙；在满足承载力要求以及轴压比限值(仅对抗震设计)时，核心筒内墙可适当减薄，但不应小于160mm。又因为有框架梁支承在核心筒上，核心筒的外墙厚度宜大于0.4LAE(梁纵向受力钢筋的锚固长度)，工程中框架梁钢筋最大为25mm抗震等级为一级。工程核心筒外墙的截面厚度为400mm，满足以上要求；（4）核心筒外墙较大的门洞宜上下竖向连续布置，以使其内力变化保持连续性。
5、结语
综上所述，通过对体型不规则的超限高层框架核心筒结构进行计算分析，采用了弹性动力时程分析方法进行验证，本工程由于在结构设计中采取了较为合理结构布置，并对结构的薄弱部位采取了有效的加强措施，减小了体型不规则对整体抗震性能的不利影响，结构具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规范 JGJ3- 2002.北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[2] 高层建筑结构设计建议.上海科学技术出版社,2003.
[3] 建筑地基基础设计规范 GB50007- 2002.北京: 中国建筑工业出版社, 2002.
[4] 混凝土结构设计规范 GB50010- 2002. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[5] 建筑抗震设计规范 GB50011- 2001. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.