高层建筑钢筋混凝土核心筒伸臂结构设计概念

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在高层建筑中，框架—核心筒结构以及框架—核心筒—伸臂结构是目前高层建筑中应用最为广泛的结构体系，可以做成钢筋混凝土结构、钢结构或混合结构，可以在不高的高层建筑中应用，也可以在超高层建筑中应用。台北101是钢结构，采用巨型框架—核心桁架筒—伸臂结构体系。在钢筋混凝土框架—核心筒结构中，外框架构件截面不宜过小，框架承担的剪力和弯矩需要按规范和规程的要求进行调整增大。

在高层建筑中，框架—核心筒结构以及框架—核心筒—伸臂结构是目前高层建筑中应用最为广泛的结构体系，可以做成钢筋混凝土结构、钢结构或混合结构，可以在不高的高层建筑中应用，也可以在超高层建筑中应用。

在钢筋混凝土结构中，外框架由钢筋混凝土梁和柱组成，核心筒采用钢筋混凝土实腹筒。在钢结构中，外框架由钢梁、钢柱组成，内部采用有支撑的钢框架筒。

著名的台北101工程于2003年建成，地上101层，地下5层，裙房6层，屋顶高448m，总高508m。台北101是钢结构，采用巨型框架—核心桁架筒—伸臂结构体系。在设计初期，设计者为该工程做了巨型框架—核心筒—伸臂结构与筒中筒结构两种结构方案的详细比较：若采用密柱深梁的框筒组成筒中筒结构，其抗侧、抗扭刚度都好，但构件多、接头数量多，焊接工作量大，用钢量大；若采用巨型框架方案，抗侧刚度较好，抗扭刚度比筒中筒结构稍差，周期中的扭转周期与平移周期相差较多（T1=7.02s，T2=6.96s，T3=4.87s，T扭/T1=0.69）。最后为了减少用钢量、减少构件数量、施工更方便而采用了现在的巨型框架—核心桁架筒—伸臂结构体系，见图8-21。巨型框架由8根大箱形柱和每隔8层设置1层楼高的水平环向桁架组成，26层以下增加了12根小柱，可以提高结构的抗扭能力。

由于框架—核心筒结构的柱数量少，内力大，通常柱的断面都很大，为了减小柱子断面，常常采用钢或钢骨混凝土、钢管混凝土等组合构件做成外框架的柱子和梁，与钢筋混凝土或钢骨混凝土实腹筒结合，就形成了混合结构。

在结构布置方面，有以下一些要点：

1）框架可以布置成方形、长方形、圆形或其他多种形状，框架—核心筒结构对形状没有限制（见第10章工程实例介绍），框架柱距大，布置灵活，有利于建筑立面多样化。

要注意结构布置尽可能规则，平面上刚度布置宜对称、均匀，以减小扭转影响，质量分布宜均匀，内筒尽可能居中，因为周边框架的抗扭刚度相对较小，如果内筒偏置一边，会因扭转而增大层间位移，可能造成角柱破坏。沿竖向结构刚度应连续，避免刚度突变。

图8-21 台北101

a）建筑剖面 b）结构体系 c）高层结构平面 d）26层以下结构平面

2）框架—核心筒结构内力分配的特点是框架承受的剪力和倾覆力矩都较小，在抗震结构中，框架承担的内力必须达到一定比例，才能成为双重抗侧力结构体系。在钢筋混凝土框架—核心筒结构中，外框架构件截面不宜过小，框架承担的剪力和弯矩需要按规范和规程的要求进行调整增大。在混合结构中，外框架各层承受的层剪力必须达到各层总层剪力的（20%～25%），才能按照双重结构体系设计。由于外钢框架柱子断面小，钢框架—钢筋混凝土核心筒结构要达到这个比例比较困难，因此，用钢框架—钢筋混凝土核心筒结构建造的总高度不宜太大，如果采用钢骨混凝土、钢管混凝土柱，则较容易达到双重抗侧力体系的要求。

3）钢筋混凝土实腹筒是框架—核心筒结构中的主要抗侧力部分，承载力和延性要求都应更高，抗震时要采取提高延性的各种构造措施。要控制核心筒高宽比，以10左右为宜，一般不超过12（它比筒中筒结构中的内筒不利）。在内筒壁上，可以开洞，但不宜连续开洞而过分削弱墙体；要求连梁具有较好的延性，在进入弹塑性状态后宜保持其对墙肢的约束作用，连梁可以采用交叉斜撑配筋，或钢连梁，或钢骨混凝土连梁以改善连梁性能；要求按强墙弱梁设计墙肢，在墙肢截面高度的1/4端部设计为约束边缘构件；以及采取其他的加强延性的构造措施等。

在核心筒延性要求较高的情况下，采用钢骨混凝土核心筒是有利的，在纵横墙相交的地方设置竖向钢骨，在楼板标高设置钢骨暗梁，钢骨形成的小钢框架可以提高核心筒的承载力和抗震性能。

4）核心筒与外柱之间距离一般以10～12m为宜，如果距离很大，则需要另设内柱，或采用预应力混凝土楼盖，否则楼层梁太大，不利于减小层高。

5）非地震区的抗风结构采用伸臂加强结构抗侧刚度是有利的，抗震结构则应进行仔细的方案比较，不设伸臂就能满足侧移要求时就不必设置伸臂，必须设置伸臂时，一定要处理好框架柱与核心筒的内力突变，要避免柱出塑性铰或剪力墙剪坏等形成薄弱层的潜在危险。

6）框架—核心筒—伸臂结构中，要求在平面上伸臂布置对称，伸臂一端与外柱连接，另一端与内筒连接，必须与同方向的剪力墙对齐（布置在两个方向剪力墙的交汇处），伸臂的钢构件或混凝土构件的主要钢筋要在剪力墙内贯通，以便剪力墙承受伸臂传来的弯矩和剪力。伸臂宜布置在减小位移较有效的楼层，并与设备层、避难层等结合，伸臂的数量和位置的要求详见第9章9.1节。

7）与伸臂相连的外柱往往是受轴力很大的柱子，有些结构采用了断面很大、数量较少的柱子抵抗水平荷载产生的倾覆力矩及剪力，周边再设置一些小断面柱子只承受少量楼板传来的竖向荷载，它们可起到抗扭作用，例如上海金茂大厦。有些结构可以布置截面相同、间距均匀的许多柱子，利用外环梁将少数柱子的大轴力分散到其他柱子上，环梁的介绍见第9章9.1.4节。

8）框架—核心筒和框架—核心筒—伸臂结构中楼板类型与布置要求与筒中筒结构相似，但是框架—核心筒结构中，一般都会布置楼板大梁，在楼盖布置中更要注意使竖向荷载集中传递到大柱子上去，要避免柱子出现拉力（水平荷载作用下柱拉力大于重力荷载下压力）。

9）在框架—核心筒—伸臂结构中，要注意计算简图所作的规定，如果在假定楼板为无限刚性，则由于楼板不能变形，伸臂桁架的上、下弦没有伸长和缩短，这样的计算不能得到弦杆、腹杆的正确内力。应当在整体结构分析以后，取整体分析中的变形作为边界条件，加上竖向荷载，对伸臂再进行一次单独的分析。

高层建筑钢筋混凝土核心筒伸臂结构设计概念

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