“密柱”型框架，核心筒結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用
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劉文堤， 任慶英， 趙慶宇
（中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京100044）
[摘要] 為考察外圍框架柱間距大于4m、小于8m的框架，核心筒結(jié)構(gòu)的性能，對結(jié)構(gòu)高度300m、抗震設(shè)防烈度7度(0. 10g)、框架柱間距4~8m的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的算例進(jìn)行研究。分析表明，柱間距4~6m的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的周邊框架雖未構(gòu)成剛度可觀的框筒，但抗側(cè)剛度不容忽視，若設(shè)計(jì)得當(dāng)，這類高度的框架-核心筒結(jié)構(gòu)完全不必設(shè)置加強(qiáng)層。借助-工程實(shí)例介紹了這類結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際應(yīng)用情況，南京青奧中心雙塔樓中的塔2樓建筑高度314. 50m，采用外圍框架柱間距6m的“密柱”型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)中取消了加強(qiáng)層的設(shè)置，從而避免結(jié)構(gòu)剛度的豎向突變，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低了施工復(fù)雜度，較大地節(jié)省工期，滿足了業(yè)主對工程進(jìn)度的要求。
[關(guān)鍵詞] 南京青奧中心；筒體結(jié)構(gòu)；“密柱”型框架．核心筒結(jié)構(gòu)；高層建筑結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)層 中圖分類號：TU973.1文章編號：1002-848X(2016)11-0009-06
0 引言
框架-核心筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)是當(dāng)前我國高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)現(xiàn)行高規(guī)，上述兩種結(jié)構(gòu)形式均屬簡體結(jié)構(gòu)體系，其最為直接的區(qū)別在于外圍框架柱的間距，高規(guī)規(guī)定筒中筒結(jié)構(gòu)中的外圍框筒框架柱間距不宜大于4m，而對框架-核心筒結(jié)構(gòu)中關(guān)于框架柱間距雖未具體規(guī)定，但一般多采用8~ 10m方能滿足建筑需求。當(dāng)外圍框架柱間距采用4~6m時(shí)，對結(jié)構(gòu)體系受力特征相關(guān)的關(guān)研究相對較少，同時(shí)這種體系的工程應(yīng)用也較為少見，本文就這種體系結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行探討，為方便討論將這種外框柱間距較小的框架-核心簡體系稱之為“密柱”框架-核心筒結(jié)構(gòu)。
筒中筒結(jié)構(gòu)系指由建筑四周“密柱”深梁構(gòu)成的外圍框筒和內(nèi)部核心筒所組成的簡體結(jié)構(gòu)，其中框筒結(jié)構(gòu)自從20世紀(jì)60年代美國著名結(jié)構(gòu)工程師坎恩( Fazler R．Khan)首次提出以來，而后得到迅速發(fā)展，同時(shí)將高層建筑推向了一個(gè)新的歷史時(shí)期。在框筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的筒中筒結(jié)構(gòu)具有受力合理、造型美觀、實(shí)用靈活等特點(diǎn)，該體系得到了廣泛應(yīng)用，目前全世界所建成的最高超高層建筑中絕大多數(shù)采用該類體系。但是，框筒結(jié)構(gòu)要保持空間整體性和較強(qiáng)的抗傾覆作用，其框架柱間距必須保持較小的距離。由于框筒結(jié)構(gòu)的密柱、深梁影響建筑對外視線，景觀效果不佳，促使建筑師要求結(jié)構(gòu)加大外框筒的柱距和減小裙梁的高度，從而形成周邊稀柱框架與核心內(nèi)筒共同工作的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)廣泛用于寫字樓和其他公用建筑中，并深受建筑師的青睞。然而，傳統(tǒng)意義的框架-核心筒結(jié)構(gòu)中外圍稀柱框架與密柱框筒相比，結(jié)構(gòu)的空間整體作用很小，適用高度大為降低，用于高度較高的超高層結(jié)構(gòu)中往往需設(shè)置伸臂桁架以滿足位移需求，而伸臂桁架的設(shè)置一方面增加了結(jié)構(gòu)成本，導(dǎo)致施工周期延長，另一方面人為地造成結(jié)構(gòu)剛度的突變，對結(jié)構(gòu)抗震極為不利。
目前，在工程實(shí)踐中，建筑設(shè)計(jì)過于追求外形表達(dá)，盡管建筑結(jié)構(gòu)往往選擇的是框架·核心筒結(jié)構(gòu)，而建筑外形設(shè)計(jì)卻未考慮這一體系特點(diǎn)，單純追求外形卻采用了密布的網(wǎng)格，致使實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在間距較大的框架間額外增設(shè)輔助結(jié)構(gòu)構(gòu)件用以形成小網(wǎng)格的建筑外形，這種建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互脫節(jié)的情況并不少見。如果在建筑設(shè)計(jì)中，建筑與結(jié)構(gòu)密切配合，揚(yáng)長避短，在必要時(shí)采用“密柱”框架-核心筒結(jié)構(gòu)將會帶來很好的效果。
1 外框柱間距的比較
1.1結(jié)構(gòu)體系及研究參數(shù)
為了考察外框柱距對框架．核心筒結(jié)構(gòu)受力性能的影響，本文以典型筒中筒結(jié)構(gòu)和框架-核心筒結(jié)構(gòu)平面為例，以實(shí)際工程為設(shè)計(jì)背景，對該類結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了計(jì)算與比較分析。圖1為各研究方案的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖。各方案均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中框架柱均采用鋼管混凝土柱，結(jié)構(gòu)平面尺寸為48m x48m，層高均為4.3m，共70層，總高301m。算例M2-4~M2-8分別對應(yīng)柱距為4~8m的結(jié)構(gòu)方案，并通過改變框架柱截面尺寸以保證各方案框架柱總截面面積基本不變，詳見表1。所有方案均采用幾乎相同的核心筒布置，未設(shè)加強(qiáng)層，剪力墻尺寸詳見表2。樓板厚度均為120mm。
采用ETABS 13.1對各結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算分析。各算例中假定永久荷載為3 k N/m2，活荷載核心筒內(nèi)為3.5 k N/m2，核心筒外為2.5 k N/m2。工程設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為7度(0. 10g)，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)阻尼比為0. 04，基本風(fēng)壓為0.45 k N/m2。
1.2抗側(cè)剛度的比較
表3為各方案的結(jié)構(gòu)基本周期（X向）、X向地震作用下最大頂點(diǎn)位移及最大層間位移角�？梢娫诳蚣苤偨孛婷娣e保持不變的前提下，結(jié)構(gòu)基本周期、最大頂點(diǎn)位移以及最大層間位移角隨柱距的增加而明顯增大，結(jié)構(gòu)的空間整體作用減弱，剛度減小。其中M2-4與M2-5的結(jié)構(gòu)剛度較為接近，且當(dāng)框架柱距大于6m后，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較柱距小于6m的結(jié)構(gòu)體系有很大程度的削弱。
1.3周邊框架柱軸力的比較
研究表明，在水平力作用下，框筒結(jié)構(gòu)體系由外框架與核心內(nèi)筒協(xié)同工作，共同抵抗側(cè)向力，為結(jié)構(gòu)提供了很好的抗側(cè)剛度。而與此同時(shí)，筒體結(jié)構(gòu)的“剪力滯后”效應(yīng)也使水平力作用下外框架柱軸力分布極不均勻，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)角柱就會先于其他框架柱破壞。本文針對框架柱“剪力滯后”效應(yīng)，對不同柱距的結(jié)構(gòu)方案中Y向水平地震作用下框架柱軸力進(jìn)行了比對分析。由圖2、圖3可見，不同柱距的框架-核心筒均表現(xiàn)出了水平力作用下外圍框架軸力非均勻分布的特征，柱距8m之內(nèi)的外圍框架仍有一定空間作用。由于各方案保持框架柱總截面面積不變，因此水平地震作用下，各方案柱內(nèi)力變化形態(tài)基本一致，但是明顯可以看出隨著框架柱間距的加大外圍框架的空間作用在減弱。
1.4內(nèi)力分配的比較
表4給出了各結(jié)構(gòu)方案的外框架與核心筒結(jié)構(gòu)在X向地震作用下內(nèi)力分配情況。由表4可見，隨著外框柱柱距的增大，外圍框架承擔(dān)的傾覆力矩在減小，表明其空間作用在減弱，但是由于保持了各方案框架柱總截面面積不變，隨著外框柱間距的加大，框架承擔(dān)的剪力在增大。說明框架．核心筒外框柱間距不是很大的情況下，即使樓高達(dá)到300m也可通過調(diào)整柱截面實(shí)現(xiàn)底層框架分擔(dān)剪力達(dá)到10%的規(guī)范要求。此外，由表4還可看出，M2-6，M2-7，M2-8的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配結(jié)果較為接近，M2-4與M2-5的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配較M2-6變化較大。
從上述算例分析可以看出，即使外圍框架柱總截面面積不變，隨著框架柱間距的加大，外圍框架的抗側(cè)剛度在明顯減弱。由于各方案核心內(nèi)筒剪力墻的厚度相同，即核心筒的抗側(cè)剛度幾乎不變，因此各方案整體抗側(cè)剛度充分反映了外圍框架的剛度變化與差異，如M2-4與M2-8相比，外圍框架柱總截面面積不變，柱間距從4m變?yōu)?m，其抗側(cè)剛度降低了近20%，首層單柱截面尺寸從口1 060×28增大到口1 500×35，截面面積增加了近50%。實(shí)際上，在框架，核心筒結(jié)構(gòu)體系中，建筑師一般并不希望結(jié)構(gòu)柱尺寸過大，從而影響建筑外形的美觀和使用功能，但當(dāng)建筑高度較大時(shí)，框架·核心筒結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下不得不采用伸臂桁架。這種因設(shè)置加強(qiáng)層人為造成結(jié)構(gòu)剛度以及核心筒與外框架內(nèi)力的突變，在許多情況下可以通過建筑與結(jié)構(gòu)的密切配合予以避免。
2 工程應(yīng)用
2.1工程概況
南京青奧中心位于南京市建鄴區(qū)江山大街北側(cè)、金沙江東路南側(cè)、揚(yáng)子江大道東南側(cè)、燕山路南延段西側(cè)，其中南京青奧中心塔樓由塔1和塔2及裙房構(gòu)成，總建筑面積為28.7萬m2，地上25.3萬m2，地下3.4萬m2。塔1：地下3層，地上58層，建筑總高度255m；塔2：地下3層，地上68層，建筑總高度314. 50m。該工程從2012年3月初樁基動工，到2014年6月南京青奧會開幕前夕完成主體及外幕墻施工，總施工周期831d，圖4為主體及外幕墻完成后的現(xiàn)場外景圖。兩棟塔樓均采用了“密柱”框架-核心筒結(jié)構(gòu)，框架柱為方鋼管混凝土柱，樓面梁為鋼梁，在核心筒鋼筋混凝土局部增設(shè)鋼骨以提高延性。兩塔樓均未設(shè)置加強(qiáng)層，極大地緩解了工期壓力。這里重點(diǎn)介紹塔2的設(shè)計(jì)概況。
該工程中塔2抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0. 10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，水平地震影響系數(shù)最大值為0. 101（根據(jù)安評報(bào)告確定），場地類別為Ⅲ類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。
2.2結(jié)構(gòu)選型
根據(jù)建筑外形及功能特點(diǎn)，兩塔樓均采用了“密柱”鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，外框柱采用矩形鋼管混凝土柱，柱間距6m，兩塔樓高度均超出現(xiàn)行高規(guī)中混合結(jié)構(gòu)框架．核心筒體系建筑最大適用高度190m，屬高度超限，其中塔2高度超限52%。
設(shè)計(jì)中建筑功能及平面布置在結(jié)構(gòu)平面、豎向布局上盡量遵循簡單、規(guī)則、對稱的結(jié)構(gòu)布置原則，以利于整體結(jié)構(gòu)的抗震與抗風(fēng)，采用上述相對柱距較小的外框柱布置，雖未構(gòu)成明顯的外框筒結(jié)構(gòu)，但其側(cè)向剛度明顯增強(qiáng)，能夠提供較好的抗側(cè)和抗彎能力，取消了超高層結(jié)構(gòu)設(shè)置加強(qiáng)層的慣用手法，極大地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，避免了加強(qiáng)層給結(jié)構(gòu)帶來的剛度、承載力突變等不利影響，并對兩塔樓進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)。塔2最大結(jié)構(gòu)高寬比9.1，核心筒高寬比為18.7。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見圖5。
由于塔樓沿平面短向高寬比較大，塔樓沿長向柱子均采用豎直柱，建筑沿高度折線外形以樓面外挑形成。塔樓長向兩端因建筑造型需要各有四根柱子向該側(cè)核心簡單向傾斜形成折線形外形，為了緩解外框柱因傾斜帶來的附加內(nèi)力，一方面，在滿足建筑外觀要求的前提下，使傾斜外框柱盡量減小傾斜角度（最大傾角不超過40）。另一方面，通過增強(qiáng)傾斜外框柱及與之相連的樓面梁強(qiáng)度和延性，使樓面框架梁中的軸向內(nèi)力能夠沿核心筒墻體進(jìn)行有效傳遞。此外，在可能的條件下，為減少因傾斜帶來的樓面鋼梁非標(biāo)準(zhǔn)而造成的施工難度，在中上部一定樓層內(nèi)使斜柱恢復(fù)垂直，如圖6所示。
為了增強(qiáng)外圍框架的抗側(cè)力性能，提高其整體抗側(cè)貢獻(xiàn)，外圍框架梁采用了滿足建筑要求的截面高度較大的寬翼緣H型鋼梁：塔2的6層及以下長短向梁高均為1000mm，6層以上與塔1J致，避難層梁高均為1 000mm。采用上述結(jié)構(gòu)體系及布置，塔樓在風(fēng)荷載及地震作用下均滿足規(guī)范限值要求，由于未設(shè)置加強(qiáng)層，結(jié)構(gòu)剛度和承載力沿豎向比較均勻。
2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
南京青奧中心塔樓結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用了多種軟件。主體結(jié)構(gòu)彈性分析主要采用了PKPM系列軟件之SATWE 2010，并采用MIDAS/Building 2011進(jìn)行校核，包括地震作用反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析和風(fēng)荷載分析以及施工模擬分析等。塔2的SATWE軟件主要彈性分析結(jié)果見表5。分析表明，所有指標(biāo)均能夠滿足規(guī)范的要求，而且兩種軟件的彈性分析結(jié)果基本吻合，說明結(jié)構(gòu)是安全可靠的。圖7為塔2前3階振型示意圖，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值為0. 45，小于規(guī)范0.85的限值，且扭轉(zhuǎn)振型和第一平動振型不耦合。
圖8為地震及風(fēng)荷載作用下塔2層間位移角變化，由圖可見，X向地震作用起控制，Y向風(fēng)荷載起控制，原因在于本工程建筑平面長寬比較大，X向受風(fēng)面較小，但不論風(fēng)荷載還是地震作用下本工程豎向?qū)娱g位移角變化比較均勻，沒有出現(xiàn)類似設(shè)置加強(qiáng)層后所出現(xiàn)的剛度突變情況。
彈塑性時(shí)程分析采用了MIDAS/Building 2011和SAP2000，用以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在中、大震作用下的性能。分析結(jié)果表明，在中、大震作用下，結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。圖9為罕遇地震彈塑性時(shí)程分析時(shí)，在人工波L750-2和天然波L2625作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角沿樓層的分布曲線，兩條地震波作用下最大層間位移角均出現(xiàn)在61層，其中人工波作用下最大層間位移角較大：x向的最大層間位移角為1/226，y向最大層間位移角為1/153。兩個(gè)方向的層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/100的要求。從上述彈塑性時(shí)程反應(yīng)曲線也可看出，本工程在大震作用下彈塑性層間位移角依然保持均勻變化，有別于設(shè)置加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)。
整體彈塑性分析表明，本工程核心筒在罕遇地震作用下，連梁最先出現(xiàn)塑性鉸，建筑高度下部2/3區(qū)域塑性鉸發(fā)展較為明顯。核心筒應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中于底部邊角部位及核心筒平面變化部位，但應(yīng)變值較小，未達(dá)到破壞應(yīng)變。核心筒鋼筋在整個(gè)罕遇地震作用下受壓應(yīng)變較小，仍處于彈性狀態(tài)。鋼管混凝土柱在罕遇地震作用下，底部柱及絕大部分框架柱均處于彈性狀態(tài)；頂層的鋼管混凝土柱出現(xiàn)一定的局部塑形變形，但大部分塑性發(fā)展仍處于彈性狀態(tài)。
3 結(jié)論
外圍框架柱間距在4~6m的框架．核心筒結(jié)構(gòu)（“密柱”框架-核心筒結(jié)構(gòu)）雖然構(gòu)不成剛度較大的框筒，但是與常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比仍具有可觀的抗側(cè)剛度，算例分析表明：
(1)不同柱距的框架．核心筒均表現(xiàn)出了水平荷載作用下外圍框架軸力非均勻分布的特征，柱距8m之內(nèi)的外圍框架仍有一定空間作用。
(2)即使外圍框架柱總截面面積不變，隨著框架柱間距的加大，外圍框架的抗側(cè)剛度在明顯減弱。
(3)當(dāng)框架柱距大于6m后，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較柱距小于6m的結(jié)構(gòu)體系有很大程度的削弱。
以南京青奧中心塔樓為例的分析表明，結(jié)構(gòu)體系采用“密柱”框架-核心筒結(jié)構(gòu)(框架柱間距6m)，即使在建筑高度超過300m的7度設(shè)防地區(qū)和風(fēng)荷載較大的區(qū)域仍然可以滿足工程側(cè)向剛度的需求，從而不必設(shè)置加強(qiáng)層，避免了結(jié)構(gòu)體系人為的豎向剛度突變，提高了相應(yīng)的抗震性能，大幅度節(jié)約了工期，滿足工程進(jìn)度要求。在工程實(shí)踐中，建筑與結(jié)構(gòu)密切配合，揚(yáng)長避短，在必要時(shí)采用“密柱”框架·核心筒結(jié)構(gòu)將會帶來很好的效果和顯著的投資效益。
