对某双排柱框架-核心筒结构设计方案的研究

对某双排柱框架-核心筒结构设计方案的研究

黄俊

广州市科城建筑设计有限公司

前言

城市化进程不断加快，现代建筑的规模不断增大，单体式与组群式的建筑综合体越发常见。双排柱框架-核心筒作为一种性能优越的建筑结构，有效满足了建筑工程对刚度、强度、延性等的需求，提高了建筑工程的质量，增强了建设企业的经济效益，推动了建筑行业更进一步发展。然而，在双排柱框架-核心筒结构设计上，仍存在一定缺陷，对其结构设计的优化，成为建筑行业思考重点。

1.框架核心筒结构的优点

框架核心筒结构，能够利用建筑中的竖向井道的隔墙布置剪力墙，并在建筑中央形成的核心筒处布置抗侧力构件，在核心筒外围布设框架梁柱，并保障其间距能够达到8-9m，甚至更大。同时，在框架核心筒结构设计时，柱的数量较少，框架柱布置方式多样化，使建筑立面的设计灵活多变，且外墙能够开设较大窗洞，平面能够争取更多空间，使建筑空间较大，采光较好，为人们带来更多便利[1]。须知，框架核心筒结构与框架剪力墙结构在受力与变形特性上类似，但是前者在平面布置规则上更具空间效力，力学特性和抗震特性更加优越，适用于较高的建筑中。

2.建筑工程简单概况

某商业楼建设采用了双排柱框架-核心筒结构，该建筑的总面积为103000㎡，工程主楼高153m，地上楼层为45层，地下2层；工程裙房高15m，地上楼层为4层，地下楼2层。主楼与裙房连为一体，其建筑效果如图1所示。

3.商业楼选择双排柱框架-核心筒结构方案的猜想

当前，该商业楼的设计方案已经完成，由功能布局上观察设计方案，可知主楼主要采用的工程结构为框架核心筒结构，裙房的部分墙体是另外设置，与主楼形成了框剪结构。主楼的框架部分间距较大，由核心筒外墙到建筑外框柱距离达到13m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第9.1.5条可知，混凝土框架梁允许的最大跨度为12m。而核心筒外墙到建筑外框柱距离超过12m，宜设置内柱，也为楼盖结构的设计与施工提供便利，避免框架梁的高度过大影响建筑高度。另外，也可将外框柱进行内收，以楼盖外悬挑方式实现外伸，以此减小框架跨度，保障商业楼设计的可行性[2]。虽然在力学概念上该设计方案成立，但是在建筑功能上，主楼部分为商业办公区，若将外框柱内收，极易影响商业楼的使用功能，并且框架梁的大跨度，增大了外框柱的负荷面积，为框架柱的设计带来难题。因此，该方案不宜采用，双排柱框架-核心筒方案成为商业楼建设的首眩

4.双排柱框架-核心筒结构方案的优化

在商业楼建设中，混凝土结构作为建筑主体，为保障结构质量，梁柱节点通常被处理为刚接节点，以此增大工程结构的刚度，提高建筑的抗侧移能力，有效提升了控制结构的风荷载水平与抗震能力。若建筑采用单排柱框筒结构，梁柱刚接节点的处理方式合理；若采用双排柱框筒结构，该种处理方式下，中柱与框架梁间存在刚接节点，导致内筒和内梁间的刚度较大。水平作用下，倾覆力矩多被内框柱承接，外框柱的作用弱化；并且，中柱竖向负荷的面积大于外柱，导致内柱截面较大，商业楼使用空间被占据。同时，外框架的主要作用为抗扭刚度，而外柱截面面积的缩小，为达到建筑需求，必须增多外柱数量，这样增大了建筑成本。

根据上述方案可知，其并不适用于双排柱框架-核心筒结构中。对此，笔者提出第二个方案，即将内框柱调整为构造节点，使其与框架梁上下铰接，竖向荷载由中柱承担。因为，在水平荷载作用下，该柱并不需要承担节点弯矩，简化了设计的复杂性，即使工程建设为超高层建筑，也能够通过选择轴向承载力高的构件解决问题，减小构件截面面积，增强建筑空间的利用率。在商业楼建设中，若选择第一个方案，则内柱面积将在1.0m*1.2m-1.6m*1.3m之间，内柱为钢筋混凝土；若选择第二个方案，则内柱为圆钢管混凝土，直径在0.60-0.80m间，外柱截面积保持不变。对比可知，选择内柱上下铰接的方案，能够有效减小内柱截面大小，提高室内空间利用率；且钢管混凝土内柱，其连接合理，不需要将大量梁受力钢筋穿越钢管柱，施工难度降低。

5.通过计算对两种方案进行对比

在本次工程建设中，抗震设防烈度为7度，在地震分组上，其为第二组，在场地类别上，其为Ⅲ类，无论是筒体结构还是框架结构，其抗震等级均为一级。笔者选择小震弹性反应谱对上述两种方案进行计算，以期选择最佳方案，以供参考。

5.1小震弹性反应谱计算方式的应用

根据具体设计方案，运用小震弹性反应谱进行计算，结果得出：方案一的结构扭转周期和第一平动周期的比值为0.70，方案二的比值为0.62，两个方案的比值均＜0.85，均达到了规范限值的要求。方案一的最大层间位移角为X向：1/1536，Y向：1/1666，最大层间位移比为X向：1.37，Y向：1.31，方案二中，数据分别为1/1108，1/1159，1.36,1.29，均在规范限值之内。在最小剪重比上，方案一为X向：1.53%，Y向：1.62%，方案二为X向：1.44%，Y向：1.55%，部分楼层并不满足最小值1.6%的需求，由于层数不多，可直接利用放大楼层地震力，调整剪重比，保障工程质量。

由上述计算数据可知，两种方案都能够满足现行规范的要求，但是，方案一的整体抗侧刚度较大，方案二能够将结构楼层的位移控制在合理范围。利用小震弹性反应谱对两者方案进行计算，结果得出：方案二和方案一在X向的平动自振周期的比值为4.16/3.39≈1.23，Y向平动自振周期的比为4.15/3.24≈1.28。X向基底剪力比为24052.58/26723.18≈0.90，Y向基底剪力比为25885.48/28222.77≈0.92，由此可见，选择柔弱的结构形式，能够有效减少地震作用，节省材料，提高建筑工程经济效益。

5.2静力弹塑性分析方法的应用

在对比两个方案时，可直接选择相关软件，通过模拟工程模型遭遇罕见地震，分析两种方案下工程建筑的静力弹塑性，以此判断两种方案的可行性高低。在对两种方案模拟的过程中，得出大地震下层间位移角的数据：方案一：X向：1/189，Y向：1/226，方案二：X向：1/182，Y向：1/266。

根据所得数据可知，两种方案的计算结果相近，并未因内柱边界条件的改变而改变，两者都能够满足建筑规定的限值要求，都能够保障商业楼在大震下不倒。

6.双排柱框架-核心筒结构设计的注意事项

城市化进程的加快，框架核心筒结构作为一种高效、节约成本的建筑模式，被广泛应用于高层、超高层建筑中[3]。框架布置形式向多样化转变，如：方形、圆形、长方形、多边形等。虽然，框架形式多样化，但是在布置工程结构时，应遵循相应规则，保障平面刚度布置的适宜、对称，以此减小扭转的影响。同时，质量分布要均匀，内筒居中，以此保障框架结构的质量。

在框筒结构应用时，钢筋混凝土作为构成框架的根本，为保障工程质量，应避免外框构架的截面较小，对于框架承担的弯矩与剪力，应相应调整增大。在混合结构中，若框架核心筒结构采用钢管混凝土柱或者钢骨混凝土，则达到双重抗侧力体系的需求较为容易满足；若选择外框构架，则框架核心筒的总高度不能太高。

在框筒结构纵横墙相交的点上，应设置钢骨；在楼板标高处，应设置钢骨暗梁，以此形成小钢框架，提高核心筒的承载能力，增强建筑结构的抗震性能。并且，在框筒结构布置过程中，应保障核心筒和外柱间的距离在10-12m之间。若距离较大，应设置内柱，否者将直接导致楼层梁截面过大。在布置楼盖时，应注意竖向荷载，使其集中传递至中柱上，避免中柱出现拉力，影响工程整体质量。

7.总结

总而言之，通过对内柱刚接和内柱铰接这两种方案进行对比，可以看出：赋予双排柱框架核心筒结构的设计方案，内柱铰接更加可行，使建筑结构受力更加合理，构件设计、节点构造更简单。

参考文献：

[1]泮忠元.浅议框筒结构体系及其设计要点[J].四川建筑,2015(5):122-123.

[2]李勇.对某双排柱框筒结构设计方案的思考[J].建筑结构，2018(5):120-120.

[3]冯异菲.浅谈框架--核心筒结构设计中的要点[J].河南建材,2018(3):251-253.