超高层建筑的混凝土钢框架-核心筒结构设计

超高层建筑的混凝土钢框架-核心筒结构设计
发表时间：2018-08-14T09:39:21.060Z 来源：《建筑模拟》2018年第12期作者：梁卓尧
[导读] 混合结构在我国高层及超高层建筑结构中得到了广泛的应用，常见的钢框架-混凝土核心筒结构外框架存在着强度有余而刚度不足的特点，设置加强层时会遇到各种问题，研究核心筒结构的设计具有十分重要的意义。

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摘要：混合结构在我国高层及超高层建筑结构中得到了广泛的应用，常见的钢框架-混凝土核心筒结构外框架存在着强度有余而刚度不足的特点，设置加强层时会遇到各种问题，研究核心筒结构的设计具有十分重要的意义。

本文依据实际工程概况，结合模型、布设方案的计算与基底剪力时程分析，希望得出最适宜的设计方案。

关键词：超高层；结构；模型
1.工程概况
本工程为某核心商务区一幢超高层办公楼，地下2层，地上60层，总高度270m。

建筑设计使用年限为50年，超高层主塔楼耐久性为100年[1]。

抗震设防类别为乙类，8度设防，第二组，场地类别II类，阻尼比取0.04。

2.模型
2.1 基本假定
根据工程实际情况，为便于计算分析，将实际结构进行了一定的简化，采用如下假定：1）结构处于线弹性阶段；2）水平加强层伸臂桁架、周边带状桁架与内筒体刚性连接，与外柱铰接，即只在外柱产生轴向力；3）设有水平加强层的核心筒体剪力墙及外柱间楼板采用弹性板。

2.2 加强层布设方案
根据本工程下部大底盘、上部斜角收进的实际情况，采用水平伸臂桁架，并在同层配合设置周边带状桁架作为加强层。

水平加强层的设置会产生应力集中现象，但随着加强层数量的增多，结构整体受力将越趋于合理。

而且，从侧移控制角度来讲，由于受加强层作用递减率的影响，加强层数量也不宜过多[2]。

因此，应该从合理和经济两个方面综合考虑来选择合适的加强层数量。

3.各布设方案的计算
3.1 各布设方案的模态分析
对加强层的不同布设方案，分别采用三维有限元程序SATWE和ETABS进行多遇地震作用下弹性整体计算，得出其周期如表1、表2所示，方案7振型模态如图1所示，进而对其基本周期和振型进行分析比较。

图1 方案7结构振型模态
把方案7与方案1进行比较，从表1、表2及图2可以看出：1）第1振型为Y向平动，加强层影响第1振型改变3.5%。

2）第2振型为X向平动，加强层影响第2周期改变3.3%。

3）第3振型为扭转周期，加强层影响第3周期改变1.7%。

4）加强层的设置对结构前3个周期影响较大，对后面的周期影响减小。

5）两种软件计算的周期有所不同，ETABS计算结果较SATWE大，相差在7%以内。

JGJ3—2010要求Tt/T1不应大于
0.85（Tt为第1扭转周期），本工程Tt/T1=0.335，满足要求。

2010要求Tt/T1不应大于0.85（Tt为第1扭转周期），本工程Tt/T1=0.335，满足要求。

3.2 各布设方案的位移对比分析
超高层结构位移控制是重点，对加强层的不同布设方案，分别进行整体计算，得出多遇地震弹性X向和Y向最大位移角。

从各方案的最大位移角可知，7种方案的最大层间位移角（即Δu/h）约为1/550～1/500，满足JGJ3—2010要求的：高度不小于250m的高层建筑Δu/h不宜大于1/500的规定。

且方案7的最大位移角明显小于其余几种方案，方案3的最大位移角小于方案1和方案2，说明水平加强层的设置能够使侧向位移明显减小，而且加强层的设置位置不宜在结构底部。

同时，随着加强层设置位置的改变，最大位移角出现的楼层位置也会发生相应的变化，结构设计时应引起注意[3]。

3.3 各布设方案的内力对比分析
本工程属于超高层建筑，应严格计算其内力，保证多遇地震作用下的结构处于弹性阶段，对未设加强层和设置3个加强层的方案分别进行计算，得出其基底剪力以及倾覆力矩，进而对其多遇地震的弹性内力进行分析。

从表3可以看出，不同的加强层设置方案对各振型的基底剪力均有影响，且前两阶振型的影响相对较大，说明加强层的设置改变了结构刚度，进而改变了基底剪力，设计中应当特别注意。

从图2、图3可以看出，加强层的设置对基底剪力和倾覆力矩均有明显的影响，在加强层的设置部位，框架柱和剪力墙的力矩有明显的重分配，框架柱的内力经过加强层处的伸臂桁架转向核心筒体剪力墙来承担，这在设计中应当引起重视，根据工程具体情况选定方案7后再进行内力分析。

图2 基底剪力
图3 倾覆力矩
4.罕遇地震弹塑性时程
按JGJ3—2010第3.7.4条，本工程高度大于150m，应进行罕遇地震下的薄弱层弹塑性变形验算，为评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性性能，确保结构“大震不倒”，针对选定的方案7采用ABAQUS软件进行动力弹塑性时程分析。

本工程8度抗震设防，地面加速度峰值取400cm/s2，计算采用1组人工波和El Centro（简称El）、Taft两组天然波。

罕遇地震层间位移角按不大于1/100，竖向构件塑性应变按小于0.025控制。

4.1 基底剪力时程分析
采用接口程序导出ABAQUS模型，计算得出3组地震波作用下结构在X、Y两个方向的基底剪力最大值分别为129900kN和112400kN，对应的剪重比分别为10.6%和9.2%。

4.2 弹塑性位移角时程分析
不同地震波作用下的结构层间位移角曲线见图4。

可以看出：结构在X、Y两个方向的最大层间位移角为1/131（第3层）、1/139（第3层），所有楼层均满足1/100限值，且在两个加强层处位移角明显减小，说明加强层的设置有效地增加了结构的抗侧性能[4]。

图4 弹塑性位移角
4.3 顶点位移时程分析
不同地震波作用下的顶点位移时程曲线见图5。

可以看出：3组地震波作用下结构在X、Y两个方向的顶点最大位移分别为-1.05，-1.15m，满足相关规范要求。

图5 顶点位移时程曲线
5.结束语
中国是一个地震频发的国家，许多大型城市位于8度设防区，随着建筑高度的增加，水平荷载在结构设计过程中逐渐成为了关键因素，在超高层框架-核心筒结构设计中寻求最佳方案，以控制结构在地震作用下的侧向变形，保证结构安全，能有效推动超高层建筑综合化、智能化、生态化和异形化的发展。

参考文献：
[1] 刘丽.关于超高层框架一核心筒结构设计分析[J].福建建材.2014（11）33-34+18
[2] 贾绍雷.某钢管混凝土框架—核心筒结构的设计复核[J].山西建筑.2017（14）25-27
[3] 蓝宗建，邹宏德，梁书亭，戴航.钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构地震反应分析[J].建筑结构学报.2001（04）77-83+89
[4] 吴涤凡，李建乐.某超限高层建筑的抗震设计探讨[J].南方农机.2017（14）84-85。