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【原创邀稿】12年结构工程师浅析框架-核心筒结构设计（原创）

发布于：2016-11-17 09:23:17 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

作者简介：刘志双高级工程师；从事建筑结构设计12年

擅长领域：钢筋混凝土结构，复杂混凝土高层，地基础

项目经验：大型公用建筑，政府办公楼，某市公安局技术综合用房14万平米；大型商业综合体12

万平米；大型住宅项目十几个，均在10万平米以上；

精通软件：PKPM、广厦结构和YJK

代表作品：《高层建筑转换层结构设计探讨》

《论述土木工程结构设计及荷载》

【摘要】随着高层建筑和超高层建筑的不断涌现，而一般剪力墙结构和框架-剪力墙结构在建筑高度方面又存在一定的限制，而筒体结构的结构出现，很好地解决了客户关于超高层建筑的需求。本文结合实际工程对筒体结构特别是框架-核心筒结构在概念设计、计算程序的选择、内力计算、结构构造等方面进行阐述和分析。

【关键词】筒体结构 tube structure 框架-核心筒 frame-corewall structure

前言： 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。筒体结构主要包含以下两种：1.筒结构：由核心筒与外围框筒组成的高层建筑结构。2框架-核心筒结构：由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。框架-核心筒结构周边柱子的柱距比较大，一般为8~12m,它和沿周边的梁构成了外框架，中间为电梯井、楼梯间、管道井等构成的核心筒，受力特点类似框架-剪力墙。

工程实例

美泰家世界B1楼，本工程位于唐山路南区，建筑面积12726.35m2。地下2层，地上4层为商业，地上5~22层为写字楼或公寓。檐口度71.80米，装饰构件高度为78.800米。该工程的抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，结构抗震等级为剪力墙一级，框架一级。

计算程序选取

框架核心筒的结构分析应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称为《高规》）和《建筑抗震设计规范》的有关规定，采用三维空间分析方法进行内力分析，对B类高度或体型复杂的筒体结构应采用两个或两个以上不同的力学模型的空间分析程序进行内力分析和比较，考虑双向水平地震下的扭转地震作用效应，并应采用时程分析进行多遇地震下的补充计算。

本工程为A类建筑高度，结构整体分析采用SATWE和TAT两种软件分析计算结构整体分析,并优化了结构方案。

结构计算参数的选取

1 设计基准期50年，使用年限50年，安全等级为二级，地基设计等级为乙级。
2.本工程抗震设防烈度为8度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.20g，建筑抗震设防类别为丙类。由于本工程建筑场地为二类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，其结构抗震等级剪力墙和框架柱均为一级。
3基本风压为0.40kN/m2，由《建筑结构荷载规范》的附录D中的表D.4确定。又根据《高规》的3.2.2条基本风压应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定采用。对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑（一般高度大于60m的高层建筑），承载力设计时应按基本风压应的1.1倍。因此基本风压取值0.44kN/m2地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定采用。

4楼面活荷载标准值按荷载规范取值。

主要结构构件截面

表1核心筒框架柱和边框架梁截面尺寸与混凝土等级

楼层	核心筒	框架柱	边框架主梁
-2F～5F	400mm(C50)	900X900(C50)	400×700(C40)
6F～8F	400mm(C40)	800X800(C45)	350×700(C40)
9F～12F	350mm(C40)	700X700(C40)	350×700(C30)
13F～15F	350mm(C35)	700X700(C40)	300×700(C30)
16F～22F	300mm(C30)	600X600(C30)	300×700(C30)

框架-核心筒平面布置

1.核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于筒体总高的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。本工程核心筒高度为71.800m,最小宽度为8.250m，高宽比为1/8.7，满足要求。

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，并满足下列要求：1 墙肢宜均匀、对称布置；2.相邻洞口间的墙体尺寸不宜小于4d(d为核心筒外墙厚度)且不小于1.0m,尽量避免在角部开洞，当难避免时，洞口宽度宜不大于1.2m,洞口高度宜小于等于层高的2/3；筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度；本工程最大洞口宽度为1.200m, 筒角内壁至洞口的距离最小距离为600mm，从计算结果分析保证了核心筒的足够刚度和墙肢的均匀。

3 核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20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，应按本规程附录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（梁的纵向受力钢筋的锚固长度）本工程中框架梁钢筋最大为25mm，抗震等级为一级。本工程核心筒外墙的截面厚度为400mm满足以上要求。

4.核心筒的外墙的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. 本工程的标准层的层高为3300mm，门及设备洞口高度为2100，连梁高度取值从400mm~1200mm逐步变化，而整体计算结构也随之变化。比较分析见表2。最终本工程标准层采用400x1200mm高的连梁。实践证明：核心筒的洞口连梁跨高比不宜大于4，（一般的剪力墙结构洞口连梁跨高比不宜大于5）且其截面高度不小于600mm，以使核心筒具有较强的抗弯能力与整体刚度。

表2计算结果分析

核心筒连梁高度（mm）	第一扭转周期	第一平动周期	周期比	最大位移比
400	1.8012	2.0872	0.863	X向 1/980 Y向 1/972
600	1.7439	2.0396	0.8550	X向 1/1151 Y向 1/1141
800	1.7185	2.0385	0.8430	X向 1/1263 Y向 1/1229
1000	1.6771	2.0350	0.8212	X向 1/1372 Y向 1/1339
1200	1.64570	2.0325	0.8097	X向 1/1487 Y向 1/1453

内力调整：框架-核心筒结构在强烈地震作用下，框架柱的损坏程度明显大于核心筒，为了提高框架柱的承载能力，应适当调整各框架柱的地震剪力。《高规》规定：抗震设计时，应对各层框架柱的地震剪力进行调整。具体调整内容和方法同框架-剪力墙结构，详见《高规》的8.1.4条，在此不再详细展开。

构造要求

1. 筒体墙的加强部位、边缘构件的设置以及配筋设计，应符合《高规》第7章的有关规定。抗震设计时，框架-核心筒结构的核心筒和筒中筒结构的内筒，应按《高规》第7.2.15～7.2.17条的规定设置约束边缘构件或构造边缘构件，其底部加强部位在重力荷载作用下的墙体轴压比不宜超过《高规》表7.2.14的规定。框架-核心筒结构的核心筒角部边缘构件应按下列要求予以加强：底部加强部位约束边缘构件沿墙肢的长度应取墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件范围内应全部采用箍筋；其底部加强部位以上宜按《高规》第7.2.16条的规定设置约束边缘构件

2. 筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜小于0.3%，钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，配筋范围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外墙中距的1/3和3m。

3. 跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑；跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁应采用交叉暗撑，且应符合下列规定：梁的截面宽度不宜小于300mm；全部剪力应由暗撑承担。每根暗撑应由4根纵向钢筋组成，纵筋直径不应小于14mm，做法见下图其总面积As应按下列公式：

1）无地震作用组合：

2）有地震作用组合：

结语

框架核心筒：

1. 核心筒为框架核心筒的主要抗侧力结构，因绝对保证核心筒的整体性和足够的刚度。

2. 框架-核心筒在强烈地震作用下，框架柱的损坏程度远大于核心筒，必须按《高规》调整各框架柱的地震剪力

3影响剪力墙平面外对染端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。为加强墙平面外对梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墙边框梁方法，梁端弯矩可采用“调幅再调幅”方法。
4连梁属于深弯梁和深梁的范畴，正截面承载力计算时，不能按杆系模型计算，连梁截面选取对核心筒抗弯能力与整体刚度有很大的影响。

参考文献：

[ 1] J GJ 3- 2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[ 2] 张维斌，多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例 [S]。

[3] 高层建筑结构设计，中国建筑科学研究院，1982

[4] 李国胜，混凝土结构设计禁忌及实例

[5] 全国民用建筑工程设计技术措施（结构），2009