刘艳辉
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摘要：某框架-四筒高层建筑，在设计中严格按现行规范的抗震措施，采用PKPM计算软件进行结构分析。介绍了框架-四筒结构的设计特点、型钢混凝土柱梁节点的细化设计。结果表明，结构的工作状态及性能均能满足抗震性能目标和规范要求。
关键词：框架-四筒结构；高层建筑；结构设计
1工程概况
本工程位于北京市朝阳区，为丙类高层工业厂房。总建筑面积98528㎡，其中地上75694㎡，地下22834㎡。建筑主体高度95.79m，地下4层，地上24层，裙房层数为5层，6层及以上分为左右两塔。地下第4层为核六级人防地下室，地上第5层为设备层。±0.00相当于绝对标高37.50m。地下4层~地下1层高分别为5.10m，5.05m，4.80m，5.95m，首层层高6.00m，2、3层层高4.80m，4层层高6.08m，5层层高2.11m，6、7层层高4.50m，8层~24层层高为3.70m。
结构设计使用年限为50年，50年重现期的基本风压为0.5KN/㎡,基本雪压为0.40KN/㎡，地面粗糙度为C类，建筑场地类别为Ⅲ类，场地标准冻深0.80m。建筑结构的安全等级为二级，工程抗震设防类别为标准设防（丙）类，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.2g。
2结构体系
根据建筑平面布置，柱跨基本为9mX9m。综合考虑各项因素后，本工程采用钢筋混凝土框架-四筒结构体系。该体系利用竖向交通核形成筒体，布置在建筑的四端，提供了较大抗侧刚度及抗扭刚度。
本工程嵌固部位为地下1层顶板。地上第5层为设备层，层高2.11m，第4层层高6.08m，设备层刚度突变，考虑设备层采用钢结构，在框柱四周预留埋件，二次施工。将第4层与第5层按一层计算。地下1层~地上24层剪力墙、框架柱、框架梁抗震等级均为一级（除地上3层~7层框架柱抗震等级为特一级外）。地下2层及以下抗震构造措施的抗震等级降低一级。
裙房在主楼两塔之间，第五层为大跨包装车间，室内中心柱子取消，跨度为27mX36m，且裙房屋顶上为种植屋面，500mm厚覆土。经过对桁架、网架、新型钢-混凝土组合空腹夹层板三种方案进行对比，最终确定裙房范围大跨屋盖采用新型钢-混凝土组合空腹夹层板方案。
3基础工程
场地内第四纪沉积层为粘性土、粉土、砂土交互层。场地内地下水为上层滞水及层间潜水，实测水位埋深11.00m左右；主要为大气降水及地下侧向径流补给。拟建场区地下水历年最高水位接近自然地面，近3~5年地下水最高水位为30.00m。进行抗浮验算时，设计水位取30.00m。验算挡土外墙承载力时，设计水位取自然地面。
本工程采用梁板式筏形基础，基底附近为④层粉质粘土、⑤层砂质粉土、 ⑤1层细砂，地基承载力标准值fak=165kPa~180kPa。经计算，主楼部位基础底板最大反力(标准组合:恒+活)600KN/㎡，主楼部位天然地基不能满足设计要求。根据底板反力及沉降变形，主楼范围附近采用CFG复合地基，处理后地基承载力标准值fak≥600kPa。裙房区域采用天然地基，天然地基承载力标准值fak=165kPa。
4结构计算分析
结构的计算分析主要采用PKPM2010版(2012年6月1日)系列。该项目分整体建模计算与左右塔单独建模计算两种方式取包络设计。结构整体计算模型如图1所示。
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图1 结构计算模型
整体模型计算的结构总质量为211643t。左右塔结构基本对称。因此后续仅对右塔结构进行计算分析。右塔模型计算的周期比为0.76，满足《高规》不应大于0.90的要求，结构具有较好的抗扭刚度。右塔结构的最大层间位移角及位移比见表1。
表1 右塔结构的最大层间位移角及位移比
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结构各楼层的层间位移角均满足规范限值1/800。结构的最大位移比为1.25出现在底部首、二层，满足规范不应大于1.4的要求。结构X、Y方向首层塔侧移刚度与地下一层相应塔侧移刚度的比值(剪切刚度)分别为0.36、0.38，满足地下一层顶板做为嵌固部位的要求。结构X、Y向刚重比分别为4.78、4.36，能通过《高规》的整体稳定验算，且可不考虑重力二阶效应。结构X、Y向本层与上一层的承载力之比分别为0.91、0.84，满足规范要求。结构X、Y向框架柱在规定水平力作用下承担的底部倾覆力矩分别为15.36%、27.96%，框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%，满足结构体系承担地震力比例要求。
根据计算，底部筒体剪力墙墙厚600mm，到顶层有规律变薄至300mm。底部框架柱截面由1100mm，到顶层有规律变小至900mm，4~5层采用型钢混凝土柱。剪力墙混凝土强度等级为C40~C50，框架柱混凝土强度等级为C40~C70，梁板混凝土强度等级为C30。
5建筑形体规则性判定
根据《建筑抗震设计规范》，在具有偶然偏心的规定的水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移 (或层间位移)的最大值与平均值的比值大于1.2，判定本形体结构为不规则结构。
6框架-四筒结构分析与设计特点
为保证框架四筒结构具有良好的抗震性能，应将其设计成具有多道抗震防线的双重抗侧力结构体系。剪力墙的布置应使结构各主轴方向的侧向刚度接近。筒体与框架应合理地分配地震剪力和地震倾覆弯矩。做为第二道防线的框架应具有适量的承载力及延性。
7型钢节点的施工控制
地上4~5层采用型钢混凝土柱，减小了框架柱的截面尺寸，也提高了框架柱的承载力及延性。为保证型钢混凝土柱梁节点区域的施工质量，设计中对节点区域进行细化设计，绘制每个型钢混凝土柱与剪力墙、型钢混凝土柱与梁的连接节点详图。根据柱、梁的平面定位，合理确定梁、柱钢筋根数及间距，合理确定梁钢筋是否穿过柱，采用套筒或连接板的连接方式。
结束语
与常规框架-核心筒结构相比，框架-四筒结构具有其特殊性，楼板是筒体与外围框架共同工作的基础，筒间楼板协调筒体与框架间的变形、传递楼层地震力、传递筒间力偶产生的平面剪力，因此剪力墙间距不宜过大，筒体间楼板不宜开大洞，应加强筒体与框架间楼板的抗震构造措施；对型钢混凝土柱梁节点区域，在设计及施工中应给予足够重视，保证每个型钢混凝土柱梁节点的质量，确保实现“强节点弱锚固”的抗震理念。
参考文献：
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[6]高立人，方鄂华，钱嫁茹.高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社，2005.