郭鼎中
珠海华发城市运营投资控股有限公司 珠海519000
摘要：随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，我国的建筑行业也在这个过程中得到了很大的发展。为了满足城市可持续发展的要求，高层建筑得以快速发展。由于高层建筑结构与功能较为复杂，给建筑结构设计师带来新的挑战。本文主要结合工程实例分析高层建筑的框架-核心筒结构方案布置进行分析。
关键词：高层建筑；框架-核心筒；结构方案布置；结构设计
1工程概况
珠海某项目建筑用地面积23169.10 m2，总建筑面积为 211293m2，其中地上总建筑面积146293m2，地下总建筑面积65000m2。该工程塔楼由1栋43层酒店、办公楼（A塔）、1栋40层商务公寓（B塔）、4层商业裙房及4层地下室组成。建筑高度是194.90米和154.6米。裙楼共4层，结构高度22.2米。首层入口大堂挑空(1～2层)，层高8.2m；2～3层为办公配套的饭堂，酒店餐饮及健身房，层高均为4.85m；4层为配套健身房； 19层为避难层，层高为5.2m，主要功能为避难区和设备用房。其余各层为酒店和标准办公楼层，层高4.2m。地下4层，底板面标高-18.00米，主要为停车库及设备用房，其中-4层为核（常）六级人防地下室。
2结构设计
本工程A塔楼地上43层，B塔40层商务公寓，共有4层地下室；从室外标高(-0.3m) 算起结构高度为194.90。塔楼结构高宽比约为5.9，核心筒高宽比约为10.5。结合建筑平面功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及造价合理等因素，本工程塔楼结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，由于平面形状比较狭长，在建筑东西两侧结合建筑楼、电梯间各设置一钢筋混凝土剪力墙筒体。各楼层筒体完整，空间作用强，为主要抗侧力构件。同时为了充分发挥外框架的刚度，满足Y向抗侧的要求，结合建筑避难层，在10、24层设两个结构加强层。加强层于筒体沿Y向剪力墙方向设置5道600x2000实体梁。同时为了带动与5道实体梁连接的外框柱一起参与抗侧，在南面外围框架柱之间设置600x1200实体梁。
2.1 核心筒
A塔楼建筑高度194.90m，超过规范规定的“7度区B级高度钢筋混凝土框架核心筒结构最大适用高度180米”，超高14.9米，超高幅度8.2%,根据建筑平面设计及考虑结构抗侧能力，结构体系采用框架—核心筒结构，外框架采用钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁，核心筒采用钢筋混凝土剪力墙。南面部分剪力墙从基础到18层增设了钢骨；各楼层核心筒完整，空间作用强，为主要抗侧力构件。
B塔存在如下超限项目：塔楼偏置，塔楼质心与大底盘质心之距为大底盘相应边长的37%，大于20%的限值，塔楼偏置也加剧了裙楼平面的扭转不规则，扭转位移比达到了1.56,属于II类扭转不规则；平面还存在凹凸不规则、楼板不连续,这些将导致楼板面内局部应力较大；竖向上存在超过外挑10%和4m的尺寸突变，最大悬挑达到7.2m。根据建筑平面及考虑结构抗侧能力，结构体系采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构。剪力墙布置于中部电梯筒位置，各楼层剪力墙完整，剪力墙与框架柱通过框梁刚接，空间作用强，为主要抗侧力构件。
核心筒采用现浇钢筋混凝土材料，混凝土结构具有刚度大，耐火性能好，初始造价和后期维护的费用都较低的特点。八边型的核心筒，钢筋混凝土核心筒外墙从基础筏板顶面伸延至塔楼顶层，底部平面尺寸约为31.5m×31.1m (外墙外壁尺寸)，顶层平面尺寸为29.5m×29.9m，核心筒从下到上内壁尺寸基本保持不变。核心筒贯穿整个结构中部，作为结构主要抗侧力构件。
2.2 外框架
本工程塔楼平面成规则对称多边形，框架柱共16根。从基础到18层采用钢骨混凝土柱，18层及以上楼层采用钢筋混凝土柱。标准层外框架梁一般为500mm×1000mm，内框架梁一般为800mm×800mm。
2.3 加强层
分析考虑了加强层设置的必要性，在建筑19层建筑避难层设置环带桁架加强层形式，结果表明，加强层的刚度效应不显著，结构方案为不设置加强层方案。
2.4 楼盖
采用钢筋混凝土楼盖。楼层典型板厚为:一般办公楼层板厚120mm，核心筒区域(现浇钢筋混凝土楼板)为150mm厚，局部特殊部位楼板或异型楼板板厚根据跨度加大；塔楼屋面楼板厚为140mm；地下1层顶板作为塔楼嵌固端，板厚180mm；地下室顶板室内板厚为180mm，室外考虑到绿化、覆土、消防以及跨度等原因，板厚取250mm。楼面梁:采用混凝土梁。
2.5 地下室
本工程建筑有4层地下室，基坑设计安全等级为一级。地下室塔楼区域外采用框架结构体系，一般楼层混凝土框架梁高700mm，次梁截面依据建筑使用功能及跨度不同而不同，考虑停车功能，一般地下室楼层混凝土板厚为250mm。考虑防水，需要用抗渗混凝土等级为P10。水浮力大，地下室底板为防水板，厚900mm，采用板分散设置锚杆抗浮，锚杆构造等详相关规范。本工程基坑深度达到18.05米，地面覆盖有较厚的杂填土，且局部在杂填土层下存在淤泥、淤泥质土和砂层，因此支护难度较大。特别是土质较差的区段，支护结构受力大、变形显著。综合考虑，支护受力、变形、造价和施工可行性、工期等各方面因素，最终决定，采用普通桩锚支护。根据试算时的结果，桩锚支护方案具体确定如下：采用φ1200@1400的钻孔灌注桩+4道锚索，在支护桩外设双排搅拌桩φ550@400X400止水。考虑到本场地砂层较厚，地下水较丰富，为避免在施工锚索钻孔时造成较大的涌水，第2道锚索尽量设在砂层以上或砂层顶部1~2米范围内，第3道锚索则设在砂层以下的相对不透水层，离开砂层底部至少500。
2.6 嵌固端
本工程将嵌固部位设在B1层顶板的位置(B1层嵌固)，嵌固范围为B1层塔楼范围外扩3 跨。计算得到剪切刚度及比值如表2所示。
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从表1可以得出，B1层两个方向的剪切刚度与首层比值均＞2.0，满足《高规》嵌固要求。
1)B1顶层采用现浇梁板结构，混凝土强度等级取为C35，地下室一层顶板作为塔楼嵌固端，板厚180mm。
2) 首层板厚为180mm，室外考虑到绿化、覆土、消防及跨度以及防水等原因，板厚取250mm。
3) B1顶板采用双层双向配筋，钢筋在每层每个方向的配筋率≥0.25%。
4)在施工图设计时，B2层柱截面每侧纵筋面积，除应满足计算要求外，不应小于B1层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍，位于B1层顶板的梁柱节点左右梁端截面实际受弯承载力之和不小于上柱下端实际受弯承载力。
?3 整体结构分析
3.1小震弹性时程分析
需采用弹性时程分析程序对建筑物在多遇地震作用进行补充验算。输入地震波为五组实际地震记录和两条场地合成人工波输入YJK进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按7度地震III类土，50年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比为0.05考虑。
验算结果如下：
（1）时程分析结果满足底部剪力包络值不小于CQC法计算结果的80%，每条地震波底部剪力不小于CQC法计算结果的65％的条件。
（2）多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。
（3）由上述各图对比可见，弹性时程分析的部分层（含基底）剪力平均值不大于规范反应谱结果，故应对相应楼层的反应谱分析的剪力结果在弹性阶段不需要进行放大。
（4）楼层位移曲线以弯剪型为主，位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。
总体结构的竖向刚度、扭转周期，剪重比，刚重比计算指标能控制在合理范围。
3.2中震弹性时程分析
采用YJK软件对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，结合《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析。塔楼的转换柱、底部加强区剪力墙等关键构件的正截面承载力以及其他构件的承载力验算按表3.4的性能目标要求和表3.8的计算参数进行中震等效弹性计算。在计算设防烈度地震作用时，采用规范反应谱计算，水平最大地震影响系数αmax＝0.23，阻尼比ξ= 0.06。计算结果如下：
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经中震等效弹性计算，典型楼层墙柱的剪压比验算系数（计算剪压比/剪压比限值）结果，如下图所示，墙柱剪压比验算系数均小于1，满足《高规》要求。墙肢全截面轴向力产生的平均名义拉应力最大值均小于两倍混凝土抗拉强度标准值。综上所述，本工程能够满足中震性能目标3的要求。
3.3大震弹性时程分析
采用YJK软件对罕遇地震（大震）作用下，本工程竖向构件的承载力根据其抗震性能目标，结合《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，按表3.4的性能目标要求和表3.8的计算参数进行大震计算。在计算罕遇地震作用时，采用规范反应谱计算，水平最大地震影响系数αmax＝0.50，阻尼比ξ= 0.07。经计算，大震作用下整体计算的结果如下表3所示。
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搭接径向框架梁的连梁 中度损坏（按实配抗剪不屈服、部分抗弯屈服）
通过大震等效弹性分析得出以下结论：
1. 通过大震等效弹性分析，塔楼最大层间位移角X向为1/178（21）、Y向为1/172（32），最大层间位移角均小于1/100；以上结果均满足表3.4的性能水准要求，可实现“大震不倒”的抗震设防目标。
2. 通过动力力弹塑性分析，在罕遇地震作用下，塔楼及相关范围最大层间位移角X向为1/125（28）、Y向为1/124（29），最大层间位移角均小于框架核心筒结构1/100的限值。以上结果均符合表3.4的性能水准要求，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。
3. 从构件损伤情况看，相对较多连梁进入屈服状态，出现不同程度损坏；其余水平构件均为无损坏或轻微损伤。底部加强区剪力墙提高竖向及水平筋配筋率，收进部位剪力墙设置型钢或钢板，同时提高墙体竖向及水平筋配筋率后，底部加强区及收进部位剪力墙和底部转换柱等关键构件根据损坏判断整体表现为无损坏或轻微损伤，表现良好的抗震性能。罕遇地震下大多数主承重核心筒剪力墙、框架柱未见明显损坏。满足罕遇地震作用下设定的性能目标。
4结语
（1) 结构设计在方案阶段经长期的比较研究，就钢结构体系、混凝土结构体系与业主经过多轮的沟通，获知业主最建造此建筑的目的，更清晰地从方案阶段满足建筑的使用功能。最终选定为混凝土结构体系，经过设计大量的计算分析论证，在本项目塔楼采用了钢管混凝土组合柱+混凝土核心筒+混凝土梁+混凝土楼板结构形式(混凝土结构体系)是可行的。
（2）框架核心筒的高层建筑，在方案阶段应充分地分析考虑到加强层设置的必要性，本塔楼应刚度满足计算要求，设置加强层表明塔楼加强层的刚度效应不明显，结构方案为不设置加强层方案。
（3）小震作用下YJK和ETABS计算结果表明:结构的周期振型、最大层间位移角、位移比、楼层抗剪承载力、刚重比、抗倾覆等指标均满足规范要求，且两种程序计算结果具有较好的相符性。风载下，两个主要方向舒适度验算结果满足相关规范对出办公高层建筑的舒适度要求。塔楼除能满足重力荷载和风荷载作用下的有关指标外，亦均满足“小震下完好无损，中震下轻度损坏可修复，大震下中度损坏不倒塌”的抗震设防原则，能实现设定的整体抗震性能目标预期——达到C级抗震性能目标。
（4）对于高层建筑，在结构方案设计阶段，应充分地考虑结构体系的合理布置，充分论证其高层建筑地震作用力及风荷载作用力的受力分析，进行两个不同结构分析软件整体计算分析对比，充分论证结构方案的可行性。结构布置时做到结构安全实用，济性合理。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[s]
[2]建筑结构荷载规范:GB50009—2012[S]
[3]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3—2010[S]