高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析探討

1、高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析探討摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了某高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的整體構(gòu)思，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范，從鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、剪力墻平面外對(duì)梁斷嵌固作用分析、核心筒外墻的連梁設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)大廈整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析闡述，并對(duì)設(shè)計(jì)心得作了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：高層建筑；框架-核心筒結(jié)構(gòu)；鋼管混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1工程概況 湖南某大廈由一棟30層寫字樓、2層商業(yè)附樓和3層地下室組成，占地面積13800 m2，總建筑面積45146m2，屋面結(jié)構(gòu)高度達(dá)131.60m。 2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體構(gòu)思 2.1 結(jié)構(gòu)類型 本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，雖然其結(jié)構(gòu)承載能力和抗變形能

2、力比筒中筒結(jié)構(gòu)差，但避免了結(jié)構(gòu)堅(jiān)向抗側(cè)力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，滿足了建筑立面效果和使用要求。為解決建筑首層層高10.0m、結(jié)構(gòu)高度超限及減小柱截面等問(wèn)題，下部若干層采用鋼管混凝土組合柱，樓蓋采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁板體系。 承載力和水平位移計(jì)算時(shí)，基本風(fēng)壓均按重現(xiàn)期為100年的0.65kN/m2取值。由于結(jié)構(gòu)側(cè)向位移不滿足限值要求，在第30層利用建筑避難層，設(shè)置了鋼筋混凝土桁架的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層是一把利刃劍，雖然可提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，也使得結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，所以結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層及相鄰層按高規(guī)要求進(jìn)行了加強(qiáng)處理。 2.2超限措施 本工程結(jié)構(gòu)平面形狀規(guī)則、剛度和承載力分布均勻，豎向體型也規(guī)則和均勻、結(jié)構(gòu)抗側(cè)

3、力構(gòu)件上下連續(xù)貫通（見(jiàn)圖示1），除結(jié)構(gòu)高度超過(guò)適用限值外，其它指標(biāo)通過(guò)調(diào)整后均達(dá)到未超限。 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超限、而且首層層高10.0m，超限應(yīng)對(duì)措施把首層及下部若干層的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件作為加強(qiáng)的重點(diǎn)：115層框架柱采用鋼管混凝土組合柱（鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS188：2005）、12層核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱、首層抗震等級(jí)提高一級(jí)。鋼管混凝土有著卓越的承載能力和變形能力，但其防腐和防火材料不僅造價(jià)較高還有時(shí)效性，需考慮今后的維修保養(yǎng)，鋼管混凝土疊加合柱及鋼管混凝土組合柱可彌補(bǔ)這方面的缺陷。核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱，以解決由于首層層高較大，使得剪力墻端部應(yīng)力集中的問(wèn)題，并提高剪力

4、墻的承載能力和抗變形能力。 3鋼管混凝土組合柱的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 在建筑工程中往往僅在框架柱中采用鋼管混凝土，而框架梁則采用普通鋼筋混凝土，鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)成為工程中難點(diǎn)之一。目前常用的連接點(diǎn)有：鋼牛腿法、雙梁法、環(huán)梁法、鋼管開(kāi)大洞后補(bǔ)強(qiáng)法及純鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)法等，本工程采用在鋼管上開(kāi)穿鋼筋小孔的連接節(jié)點(diǎn)，為連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供多一種選擇。 3.1鋼管開(kāi)小孔的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（見(jiàn)圖示2） 鋼管上開(kāi)穿鋼筋小孔的連接節(jié)點(diǎn)做法要點(diǎn)如下： 鋼管開(kāi)小孔：小孔直徑D=鋼筋直徑+10mm，小孔水平間距D，小孔垂直間距=2D。 鋼管水平加強(qiáng)環(huán)：梁頂面和梁底面各設(shè)置一道，環(huán)板寬度：鋼管混凝土柱時(shí)，取0.

5、10倍鋼管直徑、鋼管混凝土疊合柱時(shí)，取65100mm；環(huán)板厚度=0.5t且16mm（t為鋼管壁厚）。 鋼管豎向短加勁肋：緊貼水平加強(qiáng)環(huán)，肋寬=環(huán)板寬-15mm，肋厚=環(huán)厚，長(zhǎng)度為200mm，布置在梁開(kāi)孔部位的兩側(cè)和中間。 梁鋼筋盡量采用直徑較大的HRB400級(jí)鋼筋，以減少鋼管開(kāi)孔數(shù)量。在鋼管混凝土疊合柱時(shí)，部分梁鋼筋可以在鋼筋混凝土柱區(qū)域穿過(guò)。 3.2鋼管開(kāi)小孔連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 鋼管開(kāi)小孔后對(duì)鋼管截面削弱不大，梁鋼筋穿過(guò)小孔后剩余的縫隙很小，鋼管對(duì)管芯混凝土的約束力基本沒(méi)減少，不影響鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力。 梁鋼筋直接穿過(guò)鋼管后，梁可以可靠的傳遞內(nèi)力，梁長(zhǎng)范圍內(nèi)的剛度保持不變，結(jié)構(gòu)受力

6、分析與實(shí)際相同。（鋼牛腿法和鋼管開(kāi)大洞后補(bǔ)強(qiáng)法，在梁端范圍內(nèi)有相當(dāng)長(zhǎng)度的型鋼，使得梁剛度急劇變化）。 在設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)和豎向短加勁肋補(bǔ)強(qiáng)后，鋼管在節(jié)點(diǎn)區(qū)是連續(xù)的，節(jié)點(diǎn)的剛性不受影響，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求。 現(xiàn)場(chǎng)施工較方便，即使圓弧梁鋼筋也可順利穿過(guò)。 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)所用材料比鋼牛腿法和鋼管開(kāi)大洞法減少很多，造價(jià)較低。 為進(jìn)行鋼管開(kāi)小孔后分析研究，1996年中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)做了1：5模型的四組共九個(gè)試件模型試驗(yàn)，并通過(guò)多個(gè)工程實(shí)踐證實(shí)該方法的可靠性和可行性。 4剪力墻平面外對(duì)梁端嵌固作用的分析 4.1對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分框架梁要支撐在剪力墻平面外方向，剪力墻平面外對(duì)梁端

7、嵌固作用空間如何，其研究文獻(xiàn)較少，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也沒(méi)有涉及。影響剪力墻平面外對(duì)梁端嵌固作用主要因素：墻平面外對(duì)梁端嵌固作用的有效長(zhǎng)度、墻線風(fēng)度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。目前常用的計(jì)算分析軟件雖然具有墻平面外剛度分析功能，但未考慮墻平面外對(duì)梁端嵌固作用的有效長(zhǎng)度，當(dāng)遇到墻肢很長(zhǎng)或筒子體墻肢空間風(fēng)度很大情況時(shí)，計(jì)算分析軟件會(huì)高估了墻平面外對(duì)梁端的嵌固作用，使得梁端負(fù)彎矩計(jì)算值要大于實(shí)際值，本工程應(yīng)對(duì)措施如下： 4.2采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墻平面外對(duì)梁端嵌固作用有效長(zhǎng)度。 4.3采用增加墻邊框梁方法（見(jiàn)圖示3），用以增加平面外對(duì)梁端嵌固的局部剛度。墻邊框梁截面寬度應(yīng)不小于0

8、.4倍梁縱筋錨固長(zhǎng)度，墻邊框架梁截面高度應(yīng)大于樓面截面高度，為保證梁端剪力通過(guò)墻邊框梁均勻傳遞到墻上，墻邊框梁寬出墻厚處用斜角過(guò)渡。 為保證梁正截面設(shè)計(jì)更加條例實(shí)際受力情況，梁端計(jì)算彎矩可以采用“調(diào)幅再調(diào)幅”方法，即分析計(jì)算時(shí)設(shè)定梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)后，配筋時(shí)再局部手算調(diào)幅?！罢{(diào)幅再調(diào)幅”時(shí)，應(yīng)考慮構(gòu)件的剛度、內(nèi)力重分布的充分性、裂縫的開(kāi)展及變形滿足使用要求。 5核心筒外墻的連梁設(shè)計(jì) 核心筒外墻的連梁縱筋計(jì)算超筋是非常普遍的情況，高規(guī)對(duì)連梁超筋有專門的處理措施，而且研究文獻(xiàn)也不少，但計(jì)算模型的選取也是重要因素之一。 高規(guī)規(guī)定，跨高比小于5時(shí)按連梁考慮，即連梁屬于深彎梁和深梁的范疇，其正截面承載力

9、計(jì)算時(shí)，已不能按桿系考慮，也就是已不符合平截假定，但許多分析軟件仍然把連梁按桿系計(jì)算，其計(jì)算偏差當(dāng)然是很大了。 按“強(qiáng)墻弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”原則進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)時(shí)，雖然高規(guī)對(duì)連梁設(shè)計(jì)有具體要求，但這個(gè)“弱”要到什么程度，還是取決于設(shè)計(jì)者的理解和經(jīng)驗(yàn)。 本工程核心筒外墻的連梁按高規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，除連梁均配置了交叉暗撐外，對(duì)非底部加強(qiáng)部位剪力墻的邊緣構(gòu)件也進(jìn)行了加強(qiáng)處理，以滿足“多道抗震防線”和“強(qiáng)墻弱梁”的要求。 6結(jié)語(yǔ) 6.1鋼管混凝土疊合柱及鋼管混凝土組合柱有卓越的承載能力和變形能力，還可彌補(bǔ)鋼管混凝土柱的防腐和防火材料造價(jià)較高及時(shí)效性方面的缺陷。 6.2鋼管按一定的構(gòu)造要求開(kāi)穿鋼筋小孔，對(duì)鋼管

10、截面損傷不大，梁鋼筋直接穿過(guò)鋼管，使得梁內(nèi)力可以可靠的傳遞適當(dāng)設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)和豎向短加勁肋，鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力不會(huì)降低，節(jié)點(diǎn)剛性得以保證。模型試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)該方法的可靠性，工程實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)該方法的可行性。大大節(jié)約梁柱節(jié)點(diǎn)所用鋼材，施工方便。 6.3影響剪力墻平面外對(duì)染端嵌固作用的主要因素：墻平面外對(duì)梁端嵌固作用有效長(zhǎng)度、墻線剛度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。為加強(qiáng)墻平面外對(duì)梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墻邊框梁方法，梁端彎矩可采用“調(diào)幅再調(diào)幅”方法。 6.4連梁屬于深彎梁和深梁的范疇，正截面承載力計(jì)算時(shí)，不能按桿系模型計(jì)算。 參考文獻(xiàn)： 1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范JGJ3-2002.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002