超高層框架核心筒結構工程設計研究

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摘要：框架核心筒結構以其優異的內部空間靈活度、超高的整體穩定性、出色的抗震和力學性能成為高層建筑最優先選擇的結構形式。文章結合具體工程實例對超高層框架核心筒結構在工程結構設計中的設計過程，計算控制參數等進行說明。為工程結構設計提供參考，為類似結構提供借鑒。

關鍵詞：多遇地震的彈性動力時程分析；中震不屈服驗算；中震彈性計算

1工程概況

地上結構40層，房屋高度為144.8米；結構型式為混凝土結構框架—核心筒體結構。外框架柱-2層～22層采用型鋼混凝土結構，梁采用鋼筋混凝土梁。樓層和屋面層采用現澆鋼筋混凝土樓面。抗震等級：核心筒剪力墻一級，混凝土框架一級；中震時出現小偏心受拉的混凝土特一級構造。外框架平面軸線尺寸為37.1m×34.6m，長寬比值為1.07。混凝土核心筒外墻中心線尺寸為14.275m×13.8m。房屋高度為144.8m，結構高寬比值為4.2，核心筒高寬比值為10.5。一層層高為5.4m，二層層高為5.0m，公寓層層高均為3.25m，辦公層層高度為3.9m。

2計算及分析

該項目分別采用SATWE、ETABS程序進行三圍空間整體的內力位移計算，并采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發的SATWE程序的彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，采用PUSHOVER程序的靜力彈塑性分析方法進行罕遇地震下的結構彈塑性計算。對樓面開大洞的樓層采用彈性樓板計算。

2.1采用SATWE進行小震與風作用的彈性計算

計算結果如下：地震總質量恒載的總質量84181.297t；50%活載的總質量5472.247t；地震總質量89653.547t。有效質量系數X方向98.45%；Y方向97.25%結構周期第一平動周期3.9743s，第一扭轉周期2.7928s，第一扭轉周期與第一平動周期比0.703。風荷載作用下最大層間位移：X方向風1/1238，Y方向風1/1214。最大層間位移與平均值之比：X向為1.17,Y向為1.58，滿足規范不應大于1.6的要求。最小剪重比規范限值：X方向1.47%，Y方向1.59%。樓層側向剛度比（按層剪力與層間位移角之比計算）：本樓層與相鄰上樓層的比值不宜小于0.9，當本樓層的層高大于相鄰上樓層層高的1.5倍（2層層高5m，3層層高3.25m，層高比值為1.54）時，該比值不宜小于1.1。在規定水平力作用下，底層框架部分承受地震傾覆力矩占結構總地震傾覆力矩的百分比為：X向27.54%，Y向24.25%。

2.2多遇地震的彈性動力時程分析

該項目結構質量及剛度均勻、對稱，按單向地震作用進行計算，并考慮偶然偏心的影響。多遇地震彈性時程分析采用一組人工波及兩組天然波，三組地震波的平均地震影響系數曲線和陣型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線，在統計意義上相符。按GB50011-2010第5.1.2條要求，取三組加速度的時程曲線輸入時，計算結果取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值。考慮本工程到超限高層結構的安全重要性，施工圖設計時按照小震彈性設計時取時程分析和反應譜法結果的包絡值進行設計[1]。

2.3中震彈性計算

為了保證底部加強部位的混凝土墻肢及混凝土框架柱在中震地震力作用下受剪為彈性，采用SATWE程序進行中結構震彈性驗算，具體為：地震影響系數最大值αmax=0.23及場地特征周期取0.40s且不考慮地震組合內力調整系數（即強柱弱梁、強剪弱彎等內力調整系數），構件組合內力計算中，不計入風荷載作用效應的組合；采用荷載作用的分項系數、材料的分項系數和抗震承載力調整系數；材料強度值取設計值[2]。

2.4中震不屈服驗算

采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發的SATWE程序進行中震不屈服驗算。地震影響系數最大值αmax=0.23,場地特征周期取0.40s，不考慮地震組合內力調整系數，構件的組合內力計算時，不計入風荷載作用效應的組合。采用荷載作用分項系數均為1.0；抗震承載力調整系數γRE=1.0；材料強度采用標準值。剪力墻墻肢和框架柱的取中震不屈服、小震彈性及風荷載作用分析的較大值進行設計。

2.5彈塑性靜力分析

采用中國建筑科學研究院編制的，高層結構彈塑性分析程序EPDA/PUSH進行。PUSH程序是一個三維有限元空間彈塑性靜力分析程序，程序單元庫包括梁、柱元及剪力墻元兩種非線性單元形式[3]。EPDA/PUSH是完全基于空間模型而設計的，盡量做到計算模型能夠比較真實模擬結構實際的受力狀態并最大限度的避免計算模型的計算誤差。彈塑性梁、柱單元，采用標準的有限元方法進行構造，單元切線剛度是直接基于混凝土材料微元及鋼筋材料微元的本構關系，這種模型通常被稱為纖維束模型。彈塑性墻元的面內剛度的力學模型是采用平面應力模，并且可以考慮開洞，與梁、柱單元相同，它的單元切線剛度也是直接基于混凝土材料微元及鋼筋材料微元的本構關系。墻元的面外剛度是用簡化的彈塑性板元來進行考慮的。

3結束語

當今社會，幾乎所有的超高層建筑都是由鋼筋混凝土框架核心筒以及鋼框架-混凝土核心筒結構所支撐的。超高層框架核心筒結構工程設計的重要性與日俱增。參考以上工程實例設計過程，即可完成超高層框架核心筒結構的結構初步設計。

參考文獻：

[1]王來瑋.基于性能抗震設計的超高層框架—核心筒結構的抗震性能分析[D].合肥工業大學,2013.

[2]楊文光.超高層建筑結構方案選型及抗震性能分析與優化研究[D].長安大學,2013.

[3]李慧.高層鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系的優化研究[D].廣州大學,2012.

作者:石蕊 單位:大連城市建設專家設計院有限公司