框架—核心筒结构柱网布置方案比较

李 立 伟

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)



框架—核心筒结构柱网布置方案比较

李 立 伟

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

采用多遇地震振型分解反应谱法和弹性动力时程分析法，计算研究了框架—核心筒结构柱网的两种布置方案，分析了其不同的受力特点和对建筑使用功能的影响，指出采用增设内柱方案有利于楼盖结构的设计和降低建筑层高，而采用不设内柱方案可降低结构的地震反应，且能有效发挥核心筒的抗侧刚度优势，楼盖结构设计时可采取单向密肋梁、宽扁梁等措施来降低梁高。

框架—核心筒结构，单向密肋梁，时程分析，抗侧刚度

作为筒体结构的一种，框架—核心筒结构由核心筒与外围的稀柱框架组成。核心筒作为主要抗侧力构件，建筑功能一般由楼梯、电梯间和管道井等组成。核心筒外围布置框架柱，间距一般为8 m～12 m，便于空间灵活分隔，建筑平面布置比较规则整齐，广泛应用于高层商业、办公等建筑中。框架—核心筒结构周边为框架，核心筒为剪力墙，两者在楼板的协同下共同工作。但由于周边框架柱数量少、柱距大，框架部分承担的剪力和倾覆力矩都很少，而中央由剪力墙组成的核心筒，具有很大的抗侧力刚度、承载能力和空间性能，可承受更多的地震剪力和更多的倾覆力矩，成为结构主要抗侧力构件[1]。按规范要求，“核心筒外墙与外框架柱间的中距，抗震设计大于12 m时，宜采取增设内柱等措施”，此条规定主要是考虑到柱网较大时楼盖结构设计较困难[1]。一般的框架—核心筒结构，在其核心筒外侧一般设有轴距约2.4 m～3 m走廊，如需增加内柱时，建筑专业往往希望将内柱设置于此处，增加的梁柱不影响建筑使用。

1 工程概况

石家庄市某综合楼为框架—核心筒结构，结构总高度94.75 m，地上21层，地下2层；-2层～-1层为地下车库、设备用房等，1层～5层为商业，6层及以上为办公用房。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.1g。场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类，框架、核心筒抗震等级均为二级，地面粗糙度为C类，基本风压值为0.4 kN/m2。

2 结构平面布置

1)建筑标准层为长方形，柱网平面总长42 m，总宽33.6 m。核心筒置于平面中部，核心筒长15.2 m，宽11.3 m。核心筒外墙与外框架柱间的中距X向为13.4 m，Y向为11.15 m。核心筒部分采用现浇钢筋混凝土筒体，框架梁、外框架柱采用钢筋混凝土梁柱，核心筒的宽度与筒体高度的比值为1/8.4，大于1/12，满足规范要求[2]。本工程塔楼地下室周边带有大底盘裙楼，经验算地下1层(塔楼相关范围内)与地上1层剪切刚度比值大于1.5，故将计算嵌固端设在地下1层顶[3]。为方便结构方案对比，仅取地上部分进行分析计算。

2)结构方案一在走廊一侧设内柱，内柱与外框柱对齐，柱网间距为8.4 m，核心筒外墙与中柱间的轴距X向为5 m，Y向为2.75 m，次梁布置形式为十字交叉梁，框架梁最大截面高度0.65 m。结构方案二不设内柱，外框柱的柱网间距为9.4 m～11.6 m，核心筒外墙与外框柱间的轴距X向为13.4 m，Y向为11.15 m，梁布置形式角部采用井字梁，中间跨采用单向密肋梁，框架梁最大截面高度0.65 m。两种结构方案平面布置见图1，图2。

3 结构竖向布置

本工程结构竖向布置规则，地上1层层高5.4 m，2层～5层层高5.1 m，6层及以上各层层高4.3 m。由于结构沿竖向分布均匀，故核心筒和框架柱的截面尺寸及混凝土强度等级自下而上均匀减小，相邻楼层刚度无较大突变。核心筒墙肢、外围框架柱截面见表1，混凝土强度等级施工图设计时向上延伸1层，不与墙、柱截面在同一楼层变化。由于核心筒墙体距中和轴愈远其抗弯刚度愈大，其抗侧刚度主要由外墙提供[4]，且框架柱与核心筒之间设有框架梁、次梁，为满足梁端纵筋最小水平段锚固长度要求，核心筒外墙厚取400 mm～350 mm。

表1 混凝土强度等级及墙、柱截面尺寸 mm

4 结构计算结果分析

采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列SATWE软件，分别进行多遇地震振型分解反应谱分析(CQC法)及弹性动力时程分析。CQC法主要计算指标见表2。

1)通过表2可以发现，方案二有如下特点：计算周期较长，最大层间位移角较大，结构刚度较小；由于框架柱集中布置在结构外围，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比较小，结构整体抗扭刚度较好；底层框架柱倾覆力矩百分比小于20%，核心筒承担了更多地震剪力；核心筒外墙最大轴压比较大，核心筒承担了更多竖向荷载。

2)方案一与方案二在水平荷载作用下柱轴力分布不同。以Y向水平地震作用下的底层柱轴力图(如图3，图4所示)为例，方案一的角柱轴力大于中柱，存在一定的“剪力滞后”现象；方案一翼缘框架中和轴连线为斜线，方案二翼缘框架中和轴连线基本位于结构中心，且翼缘框架轴力分布接近线形，整体受力较为明确。

3)为检验结构抗震性能，本工程选取两条天然波(user1，user2)和一条人工波(user3)进行弹性动力时程分析。时程分析法结构底部剪力平均值与CQC法的比值均大于80%，满足规范要求[3]，结构底部剪力计算结果见表3。

表3 动力时程分析底部剪力计算结果

由表3可以看出，方案二有如下特点：用CQC法计算时，结构底部剪力减小6%～8%；而用时程分析法计算时，user1波和user3波的Y向底部剪力减小约16%，user2波的X向底部剪力减小约15%；可见方案二减小了结构刚度，降低了地震反应。时程分析法与CQC法计算最大楼层位移曲线见图5。方案一中8层～13层用user2波计算的主方向地震剪力大于CQC法，方案二中8层～13层用user2，user3波计算的主方向地震剪力大于CQC法。无论采用何种计算方案，用CQC法计算时都宜对8层～13层地震剪力进行适当放大，以提高结构中部楼层的抗震承载能力。

5 两种结构方案对比

1)楼层净高：方案一由于柱网较小，梁高较易满足建筑对楼层净高的使用要求；方案二通过采用单向密肋梁、宽扁梁的方式减小梁高，并可通过施工预起拱等措施减小梁挠度，但梁配筋率相对较大，如13.4 m跨次梁采用截面500 mm×650 mm，跨高比1/20.6，纵筋最大配筋率2.2%。2)柱、核心筒截面尺寸：方案一共设28根柱，方案二共设14根柱，方案二柱总截面面积比方案一减少约20%；方案二外框架柱面积与核心筒外墙面积之比为1.08接近1.0，是比较经济的设计指标[4]。由于核心筒的抗侧刚度主要由外墙提供，且柱与核心筒通过框架梁、次梁连接，为满足梁端纵筋最小水平段锚固长度要求，核心筒外墙厚度要尽量加厚，故取两种方案核心筒截面尺寸相同。3)结构抗震性能：方案二结构刚度相对较小，降低了地震反应；由于框架柱集中布置在结构外围，结构整体抗扭刚度较好；方案二由于取消了框架内柱，核心筒不仅承担了更多地震剪力，并承担了更多竖向荷载；在水平荷载作用下方案二翼缘框架轴力分布更接近平截面假定。

6 结语

对于框架—核心筒结构，应尽量发挥核心筒抗侧刚度大、与框架空间整体共同作用强的特点和优势。从以上分析可以看出，框架—核心筒结构在方案布置时宜优先采用不设内柱方案，能充分发挥核心筒作用，结构整体抗震性能较好。当因建筑功能要求而梁高受限时，可采用单向密肋梁、宽扁梁等楼盖布置方案减小梁高。

[1] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施2009结构(结构体系)[M].北京：中国计划出版社，2009.

[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] JGJ 6—2011，高层建筑筏形与箱型基础技术规范[S].

[4] 韩建强.广州地区高层建筑框架—核心筒结构设计现状及建议[J].建筑结构，2012(8)：94-97.

[5] 高立人，方鄂华，钱稼如.高层建筑结构概念设计[M].北京：中国计划出版社，2005.

On column casing layout schemes comparison of frame-core tube structure

Li Liwei

(TheFourthResearchandDesignEngineeringCorporationofCNNC,Shijiazhuang050021,China)

The paper adopts the frequent earthquake mode-shape decomposition response spectrum and elastic time-history dynamic analysis, calculates and researches the two layout schemes for the frame-core tube structure’s column casing, analyzes its various stressed features and their influence on the architectural functions, and indicates the addition of internal columns can improve the design for the floor structure and lower the buildings’ story height, while the scheme without the column can lower the seismic response and exert the anti-lateral motions rigidity of the core tube, and illustrates some measures including the one-way multi-ribbed beam and wide-flat beam in the design for the floor system can lower the beam height.

frame-core tube structure, one-way multi-ribbed beam, time-history analysis, anti-lateral motion rigidity

1009-6825(2016)11-0032-02

2016-01-24

李立伟(1973- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师

TU398

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