某框架-核心筒結構的設計思考

張 勇，龔 琦，劉 黎

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

0 引 言

在以往的超高層框架-核心筒結構的論文中，作者大多將主要內(nèi)容集中在計算、結構計算軟件結果、設計特點簡介等方面，強調(diào)對項目表達的全面性而不進行某一問題的深入探討。該文做了細致思考，認為設計思路更加重要，重點分享了交流設計團隊在設計過程中某幾方面所做的思考及對某一問題進行深入的探討。主要從設計思考的角度分析出塔樓偏置與體型收進的概念比較及該工程的設計對策;框架-核心筒結構體系中框架部分的剪力調(diào)整與包絡設計手段的實現(xiàn)，以及包絡設計應該注意的問題;型鋼混凝土構件在該工程中的應用及特點等經(jīng)驗式的設計思路的交流。當類似的工程情況出現(xiàn)時，可提供結構工程師作為工程依據(jù)進行判斷取舍，讓其能共享設計成果，降低設計工作量，以期達到更高的設計效率，從而創(chuàng)造更廣泛的社會效益。

1 工程概況

該高層建筑所屬項目位于昆明市北區(qū)二環(huán)內(nèi)其中1個地塊，主要功能為商業(yè)和辦公。該高層建筑設有3層地下室，地下1層為商業(yè)，其余為機動車停車庫及設備用房，層高5．8 m;地下2層、3層局部為戰(zhàn)時人防地下室，其余為機動車停車庫，層高3．9 m。地上共39層，含5層裙樓，1層層高5．4 m;2～5層層高均為5．1 m;9層、23層為設備層兼避難層，層高4．4 m，其余各層層高均為4 m。建筑物主體結構總高度為155．2 m，高寬比約為4．3;平面尺寸為:裙樓50 m ×71．5 m，塔樓50 m ×36．2 m。裙樓與塔樓為一整體，不設縫。建筑剖面圖、裙房和主樓部分平面圖及主樓結構平面圖見圖 1，圖2，圖3。

圖1 剖面圖Fig.1 Cross-section view

圖2 2層平面布置圖Fig.2 Layout plan of floor 2

圖3 標準層平面布置圖Fig.3 Layout plan of standard floor

工程所在地昆明市的建筑抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0．20 g，設計地震分組為第3組，場地類別為III類，特征周期0．65 s。建筑抗震設防類別:上部結構裙房部分(5層及以下部分)為重點設防類，其余主樓部分為標準設防類。地基基礎設計等級為甲級，基礎設計安全等級為二級。建筑結構安全等級:上部結構裙房部分(5層及以下部分)為一級，其余主樓部分為二級;結構設計使用年限為50年。

該建筑采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，上部結構抗震等級:1～7層抗震等級均為特一級，7層以上抗震等級:核心筒為特一級，框架部分為一級。其中主樓部分框架柱下部部分樓層設置了鋼骨，核心筒剪力墻部分樓層設置了鋼骨。

2 地基基礎設計

擬建場地地基土層構成中等復雜，從整個場地來看，如采用天然基礎持力層時，考慮場地主要持力層圓礫③層、圓礫④層、圓礫⑤層，其層位分布相對穩(wěn)定，力學性質(zhì)較好，可按相對均勻地基土考慮。從地層分布的細部層面來看，雖然地基土主要層位相對較為穩(wěn)定，但在不同地段夾薄夾層現(xiàn)象明顯，且圓礫③層的膠結現(xiàn)象明顯，膠結地段使圓礫③層壓縮模性變化明顯，且場地深部地層(粉質(zhì)黏土⑥層及其以下地層)的各土層沉積厚度變化較大，地層巖性相變也較大，地基土內(nèi)小夾層、透鏡體及膠結塊等頻繁出現(xiàn)，局部地段巖性變化較大。地基土各地質(zhì)單元層在厚度、埋藏深度及力學性能等方面均有所差異，使場地地基土在平面及垂向上均呈現(xiàn)出不均勻性?？傮w評價場地屬不均勻地基。擬建場地的場地土類型為中軟場地土，建筑場地類別為Ⅲ類。

綜上所述，該項目基礎采用天然地基上的厚筏基礎，承載力、地基變形等均滿足規(guī)范要求。

3 上部結構設計特點

3.1 塔樓偏置

如圖1～3所示，超高層建筑主樓與5層裙樓在下部使用功能上合二為一，非獨立使用，且建筑設計在主樓與裙樓連接處設置了貫穿豎向5層高度的中庭，這一建筑空間無疑是建筑設計的特點;再從結構專業(yè)看，主樓完全偏置于裙樓一側，裙樓另一端在地震作用下將導致較大的扭轉效應這是不利的一面。相反裙樓對主樓的抗傾覆有積極的作用。這是在主樓裙樓之間不設縫時結構設計師通常要想到的問題。

對于該項目，如果設縫，分縫將設置雙排柱，導致建筑中庭空間的不連續(xù)，會降低人們在此處的感受，降低建筑產(chǎn)品的質(zhì)量;因此，不設縫的方案可行且?guī)淼墓こ藤M用的增加甚微。若不設縫主裙樓連為一體，塔樓偏置與體型收進這2種結構情形所導致的不利后果有時是一樣的。比如扭轉效應的增大，對塔樓偏置來講是必然的，而體型收進如果是對稱收進，則沒有扭轉效應的增大;而兩者都發(fā)生了幾何尺寸及剛度的變化，這是共性，要具體分析。該項目同時具有塔樓偏置與體型收進的特點，故對這2方面的有關規(guī)定要求均要滿足。該工程的抗扭轉措施，增大裙樓框架部分的剛度，特別是與主樓相對應的另一端的框架梁、柱斷面及周邊框架梁、柱斷面來增加抗扭剛度，減小扭轉效應，控制該端位移比＜1．3。布置剪力墻后，其剛度的發(fā)揮需要與其連接的樓板以及剪力墻與主樓間整個樓板的剛度的貢獻來協(xié)調(diào)，該項目遠端為樓梯間，遠端與主樓之間樓板開有大洞口，即使布置了剪力墻，其剛度很難完全發(fā)揮，故采用框架結構來抗扭。

此外，《JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》對豎向體型收進部位的規(guī)定是，收進部位到室外地面的高度大于房屋高度的0．2倍時，才符合高規(guī)遵守豎向體型收進的有關要求的范圍。而該項目體型收進部位的高度并未達到房屋高度的0．2倍，大約為0．17倍，然而結構設計明確提出嚴格遵守有關豎向體型收進的要求，主因是塔樓偏置導致了較大的扭轉效應，此時對體型收進和塔樓偏置的設計對策大約是一致的。在規(guī)范規(guī)定的限值附近時，設計者要綜合分析取舍，不能因為規(guī)定而產(chǎn)生太大的不同，而應該是漸變的。

3.2 框架部分的剪力調(diào)整與包絡設計

主樓結構形式為框架-核心筒結構，框架與核心筒剪力墻的有機共同工作及多道防線的設計是該結構體系的重要內(nèi)容。《JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》對框架部分按側向剛度分配的樓層地震剪力的調(diào)整做出了規(guī)定，對該項規(guī)定目前的方法為:沿結構高度框架柱數(shù)量不變時按此規(guī)定調(diào)整，當框架柱數(shù)量有變化時分段調(diào)整。

(1)剪力調(diào)整。結構計算分析基于整體模型，在裙樓高度范圍內(nèi)，框架部分的剪力調(diào)整的對象是所有框架，包括主樓部分結構體系的框架和裙樓的框架，由于框架柱數(shù)量的改變(該工程中裙樓框架柱約25根，主樓14根)，框架-核心筒主樓結構體系框架的剪力調(diào)整被裙樓框架分擔了，降低了主樓框架作為后續(xù)防線的能力。對于該項目，地震作用從上部主樓往裙樓傳遞，到裙樓體型收進處，上部結構的地震剪力仍然主要由主樓部分承擔，裙樓起到幫助作用，不能取裙樓的所有框架，最多取兩跨相關范圍進行計算分析。由于該項目主樓塔樓偏置及下部抗震設防分類為乙類，為保證主樓的安全故采用包絡設計的思路進行框架部分的剪力調(diào)整。簡而言之，裙樓對主樓的有利作用在多層裙樓的底部才會明顯，由于體型收進同時也因裙樓即將參與工作，所以在收進部位的豎向相關范圍應力也會突變、集中，有一個協(xié)調(diào)的過程，在應力協(xié)調(diào)的樓層范圍內(nèi)，不宜考慮裙樓的有利作用，因此才提出來包絡設計的思路。

(2)包絡設計?；谡w模型需要其他模型來包絡設計的是裙樓范圍主樓的框架和核心筒以及體型收進部位以上相關范圍的主樓構件，用于包絡設計的還有另外2個模型，主樓無裙樓模型、主樓帶兩跨相關范圍模型。包絡設計是目前設計上常用的設計手段，比如地下室嵌固條件不滿足時采用地下室頂板及底板模型包絡等情形，但是包絡設計對會不會帶來某些不利，《JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》規(guī)定對框架部分分配的地震剪力進行調(diào)整后，框架柱端彎矩及與之相連的框架梁端彎矩、剪力應進行相應調(diào)整。整體模型由于參與調(diào)整的柱數(shù)量多，故調(diào)整后剪力、彎矩增加幅度相比不大;主樓無裙樓模型調(diào)整后剪力、彎矩增加幅度相比最大;主樓帶兩跨相關范圍模型調(diào)整后的剪力、彎矩增加幅度介于上述2個模型之間，主樓無裙樓模型導致主樓框架節(jié)點處梁配筋較大，約較整體模型多1倍，根據(jù)部分學者的觀點［4］，由于樓板整體面內(nèi)剛度的影響，在承受水平作用時，目前的結構大多近似于強水平構件弱豎向構件，真正的強柱弱梁很難實現(xiàn)，歷次震害也表明框架節(jié)點處梁頂負筋屈服的現(xiàn)象很少見，現(xiàn)在的計算分析和配筋方式仍未充分考慮樓板剛度的貢獻及配筋的影響?；谏鲜鲇^點，主樓無裙樓模型與整體模型包絡設計的結果用于框架柱，框架梁采用主樓帶兩跨相關范圍模型來包絡設計，這樣既可保證相應提高相應構件的抗震承載力，又能更好的使設計配筋結果趨向強柱弱梁的要求，更經(jīng)濟合理。在節(jié)點處柱與梁調(diào)整后的內(nèi)力是否平衡，筆者非常贊同部分學者文獻中的觀點［4］，不必拘泥于節(jié)點內(nèi)力的平衡，這就是概念設計的要求。

無論裙樓是框架結構還是布置有剪力墻，當上部主樓的框架-核心筒結構體系與裙樓連為一體時，區(qū)分是什么結構體系沒有實際意義，目的在于按照什么樣的算法來進行分析設計，因為目前的計算分析都是基于成熟的規(guī)范和計算軟件，而軟件算法是跟結構體系掛鉤對應的，不去區(qū)分裙樓高度范圍是什么樣的結構體系，但要根據(jù)實際裙樓的情形采取與之相符的計算分析方法。比如:主樓下部裙樓為對稱布置的多層框架結構，由于沒有明顯的扭轉效應，可能梁柱斷面不會太大，那么與主樓連接后，在裙樓高度范圍內(nèi)裙樓的地震作用將會由部分轉移到主樓由主樓構件承擔，增加了主樓的負擔。當這些情形影響到內(nèi)力產(chǎn)生較大變化時，就要采取有效的措施解決，如增加裙樓剛度、進行主樓與裙樓的剛度、變形協(xié)調(diào)分析等等。此時采用裙樓布置剪力墻是較好的解決方法，效率更高，但是剪力墻的出現(xiàn)會使裙樓范圍的結構體系更難區(qū)分，換言之，算法更要仔細考慮，是按框架-剪力墻調(diào)整剪力，還是按框架-核心筒結構體系，就需根據(jù)項目具體的情形進行分析并充分熟悉各種算法的意義，在設計中去判斷，或包絡，或部分包絡等，這才是積極活用規(guī)范的設計工作。

3.3 型鋼混凝土構件及相關問題

該項目主樓高155．2 m，《JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》對該地區(qū)抗震設防烈度下最大適用高度的規(guī)定為:鋼筋混凝土框架-核心筒的最大適用高度B級高度為140 m，型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系為150 m，均超過了這兩種結構體系的最大適用高度。而型鋼混凝土框架需要多數(shù)樓層的框架柱、框架梁都需配置型鋼，在上述兩種結構體系比選時，設計組考慮到施工及經(jīng)濟等因素時，認為型鋼混凝土框架在施工上會麻煩一些，經(jīng)濟性也差一些，從鋼筋混凝土框架上入手，使項目能夠更多的以常規(guī)的施工方式來實現(xiàn)會取得更好的綜合效益，于是便按此進行設計。

該超限高層建筑在設計中采用了型鋼混凝土框架柱和型鋼混凝土剪力墻，但是在計算分析上的作用卻是不同的，型鋼參與了柱的計算分析，考慮了剛度的貢獻及與之相應的軸壓比等抗震措施，而剪力墻中的型鋼是用于承擔墻體在中震下產(chǎn)生的拉應力［5］，未參與計算分析。

而真正會給施工帶來不便的設計因素是型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁的節(jié)點連接做法，這是采用同樣結構體系的設計者應該充分注意的。整個結構中幾乎所有的節(jié)點做法都不能統(tǒng)一，必須由后續(xù)單位深化進行下料，才能完成施工前的準備工作。由于該工程除框架節(jié)點外還涉及框架梁與型鋼混凝土剪力墻連接的同樣的問題，施工圖設計階段節(jié)點問題給設計人員的感受與方案比選時在認知上的反差會讓人重新思考，是否與框架柱同時采用型鋼混凝土框架梁會好些，當然，節(jié)點問題肯定沒有那么突出了，現(xiàn)場的吊裝、塔吊的能力等其他方面的因素仍然存在。節(jié)點問題如果提前做好充分的準備工作進行下料應該還是能降低現(xiàn)場的安裝及操作難度的，項目已經(jīng)完成各項審查程序準備進行施工，設計組將深入了解節(jié)點深化設計及下料工作，完善設計配合施工。設計采用的節(jié)點連接方法見圖4、圖5。

圖4 梁柱節(jié)點做法示意圖Fig.4 Schematic diagram of beam-column joints

圖5 梁柱節(jié)點做法平面圖Fig.5 Plan of beam-column joints

另外，柱、墻中的型鋼在基礎中的錨固做法對工程影響甚大，通常型鋼需要深入基礎中錨固并有相應的錨固構造做法，由此會對主樓筏板的施工帶來巨大的影響;設計在計算中取消地下室底層的所有構件中的型鋼，結果滿足承載力、軸壓比等相應的要求，因此認為型鋼從地下室底層的上一層往下延伸一層進行錨固，在基礎頂面通過預埋錨栓連接，而無需伸進基礎中，大大降低施工難度。

4 主要計算結果

SATWE和 ETABS的主要計算結果見表1。數(shù)據(jù)顯示，2個程序結果比較接近，沒有原則性的沖突或矛盾，各項指標均在工程判斷及《JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》和《GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范》的要求范圍內(nèi)，說明結構選型合理，計算結果可信，結構設計基本合理。

表1 主要計算結果Tab.1 The main computing results

5 結 語

該文重點闡述了上部結構設計的塔樓偏置、框架部分的剪力調(diào)整及包絡設計、型鋼混凝土構件3個部分，其中塔樓偏置通過與豎向體型收進對比分析進一步了解塔樓偏置的意義;框架部分剪力調(diào)整在包絡設計中提出不必拘泥于框架節(jié)點平衡的做法，表面上看與規(guī)范規(guī)定不符，實際在特殊情況下應具體問題具體分析;型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接的做法雖然從設計角度來講比較常見，但在實際工程中可供參考的例子并不多見，文中提出了根據(jù)工程特點采取了方便施工的柱腳錨固做法外，對節(jié)點做法施工的難易亦做了分析。前面兩部分內(nèi)容及柱腳錨固的做法已通過了抗震專項審查及施工圖審查，節(jié)點做法的施工難易有待施工階段的進一步檢驗。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．建質(zhì)［2010］109號超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點［S］．全國超限高層建筑工程抗震設防審查委員會辦公室，2010．

［4］傅學怡．實用高層建筑結構設計［M］．2版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［5］國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》管理組．建筑抗震設計規(guī)范統(tǒng)一培訓教材［M］．北京:地震出版社，2010．