高层建筑框架核心筒结构设计

摘 要：简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.文章主要通过工程实例,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；设计计算

中图分类号：TU97文献标识码:A

1工程概况

某高层建筑项目包括高层办公楼和沿街商业裙房,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28377m2,地下部分为5700m2.

2结构布置

根据建筑平面布置（见图1）结构体系采用框架－核心筒结构.其中核心筒部分采用现浇钢筋混凝土筒体,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,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.

图1平面布置图

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等于0.60kN/m2,地面粗糙度B类,基本雪压S等于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）；

3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对于二层楼板局部不连续,设计中本层（5.400）板厚取为150mm,上（9.900）,下（0.00）层板厚为150mm,250mm,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.

4结构分析.

结构分析的主要结果汇总及比较

4.1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.

4.2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.采用弹性楼板检测设进行整体分析,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.

4.3反应谱法主要计算结果.(1)计算得到的前3阶模态的振动周期结果列于表1,两个程序计算得到的第1阶模态均为X向平动,扭转模态为第3阶.从表中可见,扭转周期比满足要求,有效质量系数满足要求.

表1反应谱法振动周期

(2)反应谱法计算得到的结构最大响应位移结果见表2,分析表明,层间位移角及位移比均满足要求,地震作用下的剪重比在正常范围内,且满足最小地震作用的要求.

表2反应谱法结构最大响应位移

(3)地震作用下结构的层剪力沿竖向的分布情况,结构的层剪力沿竖向分布无明显突变,满足规范要求.

4.4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.

结束语

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,分析结果表明本工程虽然为体型不规则的超限高层建筑,但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.