对框架-核心筒结构设计过程中关键点及问题总结和分析

摘要：近年来，随着越来越多的高层及超高层公共建筑，且大空间功能需求，框架-筒体结构凭借其优秀的抗侧力能力、较强的抗震性能和优异的空间利用效率，成为高层建筑中广泛应用的结构形式，它能够有效保障结构的稳定性与安全性。然而，在实际设计建筑框架-核心筒结构的时候，框架-筒体结构往往面临应力集中和刚度不均匀的问题，尤其是在转角处和关键部位，力的集中可能导致结构的局部失效，为了有效地分散力的集中，均衡各部位的受力状态，从而提升建筑整体结构的各项性能，在施工图设计阶段就要对一些关键指标和需加强部位要把控好。本文对NO.江宁2020GY43地块圆融研发楼建设项目-2号研发楼项目设计中，从前期结构方案布置、模型关键指标控制、再到后期施工图设计、加强措施等过程中需要关注的关键点，以及对设计过程中存在的问题并解决进行总结和分析。

关键词：框架-核心筒；结构布置；关键指标；加强措施；问题与解决

项目概况

项目位于南京市江宁区秣陵街道悠湖街以东、江云路以南。规划总用地面积约为9998.37平方米，总建筑面积为52928.07平方米。地上建筑面积为34976.73平方米，地下建筑面积为17951.34平方米。本项目由两栋高层研发办公楼（1号研发楼、2号研发楼）和一个大地库组成。

其中2号研发办公楼，地下2层，地上20层，建筑高度80米。抗震设防类别为标准设防类（丙类），结构重要性系数为1.0，结构设计工作年限为50年，采用框架-核心筒结构，抗震等级为二级，抗震构造措施为二级。

二、结构设计关键要点

1、结构布置

建筑框架-筒体结构结合了框架结构和筒体结构的优点，具有独特的力学特性，能够在高层建筑中有效地分担和传递各种外部荷载，尤其适用于高度较大、对抗风荷载和地震荷载要求较高的建筑。

本项目框架-筒体结构布置需要关注以下几个方面：

1）核心筒剪力墙的设计

框架-核心筒结构，核心筒的设计尤为重要，抗震设计时，核心筒的剪力墙作为结构的主要抗侧力构件，是抗震设防的一道防线，由于核心筒是框架-核心筒结构的主要抗侧力结构，所以无论从结构布置还是构造设计方面，均要比普通剪力墙稍有加强。另外为了筒体结构的层间位移能满足要求，核心筒布置需贯通建筑物全高。且核心筒的宽度大于筒体总高度的1/12（本项目见上典型平面布置图）。

2）周边框架的设计

由于框架-核心筒的框架部分主要承受竖向荷载，做为抗震设防的另一道防线，参与结构的抗扭，为了控制结构的周期和位移，周边框架梁、柱截面不宜过小，结构布置时，为了有效增加周边框架结构的抗侧刚度，将核心筒剪力墙与外周框架柱间的距离控制在12米以内（本项目见上典型平面布置图）。另外周边柱间必须布置框架梁，从而形成周边框架，提供结构的整体性。

3）核心筒偏置

根据建筑功能及大空间需求，本项目结构布置核心筒有明显偏置。由于结构布置的局限性，对于这种结构体系在面对较大扭矩时，在模型计算阶段已通过增加外周框柱和梁的断面尺寸来增强框架部位的抗扭刚度，从而更好地抵抗由外部荷载引起的扭转效应。（见上典型平面布置图）

2、模型关键指标控制

对于框架-核心筒结构指标计算，除了需要满足规范常规要求的关键指标（位移、周期、剪重比、刚重比等）外（见指标汇总表），另外还需对以下几个关键指标重点关注。

1）位移比

本项目核心筒有偏置，为了控制由于偏心距较大而导致的结构在地震作用下的扭转反应，本项目通过增加外围框架柱及框架梁的刚度平衡扭转（经计算，为满足要求，此项目周边梁柱截面均较大，见上典型平面布置图）。且控制结构在考虑偶然偏心影响的规定地震力作用下位移比不大于1.4。2号研发楼的最大位移比为1.25，满足要求。（见指标汇总表）

2）周期比

同样为了控制扭转，根据规范要求，框架-核心筒结构的周期比控制在不大于0.85，且结构扭转为主的第一自振周期的扭转系数不大于0.3；2号研发楼最终的周期比控制在T3/T1=1.8491/2.5525=0.725，且第一自振周期的扭转系数为0，均能满足要求。（见指标汇总表）

3）框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值

考虑到框架-核心筒结构由于周围框架柱距较大，梁高过小，容易会造成外围框架刚度过低，而核心筒部分刚度过高，结构底部的剪力主要由核心筒承担。因此为了避免刚度不均匀，作为抗震设防的第二道防线的框架需要具有一定的抗侧能力，所以需要对外围框架部分承担的剪力予以调整。但本项目通过计算发现，每层框架部分分配的地震剪力均大于底部总地震剪力的20%，所以针对本项目而言，框架地震剪力可不调整。（见下图）

3、构造加强措施

1）楼层角部板钢筋按双层双向配筋，且单层单向配筋率大于或等于0.3%。

这个主要作用是由于混凝土的收缩或者变形，容易导致楼板角部产生斜裂缝，为了避免这类裂缝的产生，所以楼板外围角部顶面和底面按照双层双向钢筋网进行加强。

2）核心筒部分底部加强区的剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率大于或等于0.3%。

由于核心筒为框架-核心筒结构的主要抗侧力构件，所以需要对底部加强区部位水平和竖向分布钢筋的配筋率及边缘构件设置提出了比普通剪力墙结构更高的要求。

3）核心筒墙体底部加强部位角部墙体约束边缘构件沿墙肢的长度宜取墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件范围内均采用箍筋。

4）对于跨高比不大于2的核心筒连梁除满足计算要求以外，还增配交叉斜筋。

考虑到核心筒为主要抗侧力构件，刚度大，核心筒连梁吸收的地震力较大，这样就会导致连梁内力会很大。连梁很容易超筋，‌且连梁在剪力墙结构中起着连接墙肢的作用，其受力特点与普通楼面梁不同。为了预防连梁发生斜压破坏和控制裂缝宽度，就需要设置交叉斜筋来增强抗剪能力和稳定性。

三、2号楼设计过程中存在的问题及解决方法

1、根据上面典型平面结构布置图可以看出，核心筒明显偏置，且偏心率大于规范要求的15%以上。核心筒部位刚度大，外围框架部位刚度明显偏小，偏心率的大小也是引起扭转不规则的重要因素之一。

原因分析：根据建筑功能以及大空间利用的需求，结构布置有很大的局限性。

解决方法：模型计算时，通过调整计算尽量使结构的内外刚度平衡在规范要求以内。我采取了增加外圈梁柱截面尺寸，提高刚度，并适当减小中间部位构件的尺寸，来实现刚度适当转移，达到刚度尽可能平衡的目的。这种解决方法的成果主要体现在与扭转相关的一些重要指标上（如位移比、周期比等），最终这些指标均满足规范要求。

2、模型试算过程中，有很长一段时间，第一周期为X向平动，第二周期为扭转，第三周期为Y向平动（也就是Y向平动刚度<扭转刚度<X向平动刚度）。虽然规范没有强制规定第二周期不能扭转，但是从优化设计和提高自身水平的角度考虑，且又是高层建筑，所以还是需要调整过来。

原因分析：第二周期为扭转的原因其实主要就是两个主轴方向的侧向刚度相差过大，又因为第三周期一直为Y向平动，也就意味着Y向的平动刚度偏小，扭转刚度偏小，所以我们需要增加结构周边刚度，尤其是Y向的周边刚度。

解决方法：通过以上分析，模型计算时，我适当地增加外圈的梁柱截面尺寸（Y向外圈框梁尺寸为600X1100，X向外圈框梁尺寸为500X800），并用在核心筒部位X向剪力墙上开洞后填充的方式来减小结构中部刚度。

四、结束语

由上文可知，科学合理的框架－筒体结构技术能够提高建筑抗震能力、承载力以及结构稳定性，进而有助于提高建筑结构的整体设计质量和强度。尽管当前框架－筒体结构技术已经比较成熟并取得了较为显著的成效，但随着建筑设计需求的多样化和建筑高度的不断增加，现行技术依然存在一些不足和改进空间，这就需要我们结构设计人员不断地去探索和研究，进一步完善建筑框架－筒体结构。

本人针对NO.江宁2020GY43地块圆融研发楼建设项目-2号研发楼项目设计过程中需要关注的关键点，以及对设计过程中存在的问题并解决进行总结和分析。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016 年版）

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010

[4]《高层建筑工程抗震设防超限界定标准》（江苏省标准）DB32／T4399-2022

-NO.江宁2020GY43地块圆融研发楼建设项目-2号研发楼