建筑框架核心筒结构设计的分析

王晓君

摘要：本文结合某写字楼工程实例，论述了某高层建筑框架-核心筒结构设计方案的构思，并按照相关规范，从钢管混凝土柱梁节点设计、剪力墙平面外对梁端嵌固作用分析、核心筒外墙的连梁设计等方面，对建筑结构设计进行了详细分析，可供同类工程参考！

关键词：写字楼;框架结构;核心筒结构;结构设计

一、工程基本情况

某写字楼建筑位于浙江地区，由1栋26层高层建筑、3层商业附楼以及2层地下室构成，工程占地面积为13800m2，总建筑面积45146m2，建筑高度为78.60m。

二、高层建筑结构设计的构思

1结构类型的选择

该项目采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，其结构承载力及变形抗力都不强，可以通过减少结构刚性抗侧力构件的转换，来提升建筑立面效果和使用的要求。对于建筑一层层高8m、结构超限和柱截面收缩等问题，在建筑下层运用钢管混凝土组合柱，在建筑楼盖运用现浇钢筋混凝土梁板体系结构。

在进行结构承载力与水平位移计算过程中，该项目基本风压都选取为0.65kN/m2。因为结构侧向位移没有满足限值的要求，在该项目第23层中设立了结构加固层，采用了钢筋混凝土桁架;但是结构加固层一方面能够提升结构的抗侧移强度，另一方面会造成结构竖向强度发生变化，因此结构加固层和相隔层要按照《高规》来进行合理的加固。

2超限措施

该项目结构的平面形状规则、承载力及刚度均匀分布，垂直形状也是如此;结构的抗侧力构件上下连续连接。除了结构高度超过适用限值外，其他的指标调整后都没有超过限值。

因为该项目结构设计超限，一层层高8.0m;设计过程中处理超限时的措施主要集中在一层和其下层结构抗侧力构件：1-12层框架柱采用钢管混凝土组合柱加固，1-2层核心筒剪力墙采用四角附加钢暗柱，一层抗震等级提高一级。钢管混凝土具有良好的承载力和变形能力，但其防腐防火材料不仅价格高，而且对时间有时限要求，为了解决这个问题该项目采用钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱。为解决一层高度较大的剪力墙端部应力集中问题，在核心筒剪力墙四角增设钢暗柱，从而提高剪力墙的承载力以及抗变形能力。

三、钢管混凝土组合柱的梁柱节点设计

在大部分建筑项目中，钢管混凝土通常只被应用于框架柱中，对于框架梁通常是选择钢筋混凝土结构，这使得两种混凝土结构如何进行有效连接成为了工程建设的一项关键内容。现阶段使用较多的连接点方式包括双梁法、钢牛腿法、环梁法、纯钢筋混凝土节点法等多种形式，本工程所使用的连接节点类型是在钢管上设置相应的开穿钢筋小孔，从而为连接节点提供更多设计结构。

1钢管开小孔的连接节点设置

在钢管上设置开穿钢筋小孔的过程为：

1.1先在钢管上开设小孔结构：设置小孔直径D=钢筋直径+10mm，同时设置小孔的水平间距×D，垂直间距是2×D。

1.2为钢管设置水平加强环：分别在梁底面与梁顶面上设置一道环板，在宽度设置方面，对于钢管混凝土柱应选择0.10倍的钢管直径，对于钢管混凝土叠合柱应设置70～100mm;设定环板的厚度为0.5t，要求达到16mm以上，其中t是钢管壁厚。

1.3为钢管的竖向增加短劲肋，与水平方向的加强环形成紧密贴合状态，肋宽的数值是环板宽-15mm，同时设定肋厚与环厚一致，长200mm，将其布置于梁开孔两侧与中间区域。

1.4选择HRB400级的大直径钢筋作为梁钢筋，达到降低钢管开孔数的目的。构建钢管混凝土叠合柱的过程中，有一些梁钢筋会穿过钢筋混凝土柱所在的区域。

2钢管开小孔的连接节点优势

2.1当钢管完成开小孔后，不会明显减小钢管的截面，当梁钢筋从小孔穿过之后只剩下非常小的缝隙，不会降低管芯受到钢管混凝土的约束力，因此不会改变钢管混凝土柱的抗变形与承载力。

2.2当梁钢筋从钢管穿过之后，梁可以实现内力的可靠传递，并使梁长范围内保持一个恒定的刚度，从理论上分析得到的结构受力情况和实际测试结果一致。

2.3通过设置水平加强环及进行竖向短加劲肋补强处理后，钢管将在节点区形成连续分布状态，不会对节点刚性造成影响，实现“强节点弱构件”的性能要求。

2.4便于完成现场施工，即使采用圆弧梁钢筋也能够顺利完成穿过。

2.5用于节点补强的材料明显少于钢牛腿法与钢管开大洞方法，从而获得更低的造价。为了研究钢管的开小孔过程，我国进行了比例为1：5的总共包含九个试件的四组模型测试，同时采用多个工程实践对上述方法可行性与可靠性进行了验证。

四、剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析

1对于框架-核心筒结构，应在剪力墙的平面外方向支撑一些框架梁。目前，关于平面外剪力墙至梁端的预埋作用空间的研究文献较少，而且不涉及设计标准和规范。影响梁端剪力墙嵌固效果的主要因素是梁端预埋效果的有效长度、墙线的风度与梁的刚度之比、墙在楼层上的轴向压力等;虽然目前常用的计算分析软件有功能面外刚度分析的功能，它不考虑墙平面外嵌入对梁端的影响的有效长度。如果遇到长墙肢或筒子体墙肢空间风度很大的时候，计算分析软件高估了平面外墙对梁端的嵌入效果，使梁端负弯矩计算值大于实际值。

2该项目运用在梁端加水平腋的方法，直接增加了平面外墙对梁端嵌入效果的有效长度。

3为了提高平面外梁端嵌固的局部刚度，該项目运用加墙框架梁的方法。墙侧框架梁的截面宽度应不小于梁纵向钢筋长度的0.4倍，墙侧框架梁的截面高度应大于楼面截面高度。为了保证梁端部的剪力通过墙边框架梁均匀传递到墙体上，墙侧框架梁应在墙厚外宽度处以斜角过渡。

为了保证梁正截面的设计对实际受力的调节，可采用“调幅再调幅”的方法计算梁端的弯矩;就是在梁端设置负弯矩的调幅系数后进行计算。在梁的分析计算中，可以在局部人工计算调幅配筋时进行。在使用“调幅再调幅M”时，应考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝情况和变形要求。

五、核心筒外墙的连梁设计

计算核心筒外壁连接梁的纵向配筋是非常常见的。《高规》对连梁纵筋有特殊的处理措施，研究文献较多。但计算模型的选择也是一个重要因素。

《高规》提出，对于跨高比在5以内的连梁属于深弯梁与深梁类型;计算该梁的正截面承载力时，不可以根据杆系进行分析，已经超出了平面假定的范围，但实际上还有很多分析软件将其作为连梁按杆系进行分析，从而产生很大的计算偏差。

根据“强剪弱弯”以及“强墙弱梁”的原则来设计连梁结构时，虽然在《高规》中没有对连梁设计提出明显要求，而这种“弱”应达到怎样的程度，受到设计者经验与理解能力的显著影响。

根据《高规》的要求来设计本工程的核心筒外墙连梁，处理连梁以外都配置了相应的交叉暗撑结构，同时进一步加强了剪力墙边缘构件，从而更好地适应“强墙弱梁”与“多道抗震防线”的要求。

六、结语

1钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱

叠合柱具备优异的承载性能与变形性能，同时还能够有效弥补钢管混凝土柱缺乏良好的防腐性能缺陷以及克服了防火材料需要较高造价的问题。

2根据构造要求为钢管设置钢筋小孔，在尽量减小钢管截面损伤程度的前提下可以使梁钢筋顺利穿过钢管，将梁内力高效传递至竖向短加劲肋与水平加强环上，提高了节点的刚度。同时还能够减少梁柱节点的钢材用量，便于开展施工。

3影响染端嵌固作用的因素：梁线刚度和墙线刚度的比值、梁端嵌固有效长度、轴压力等。为了提升梁端嵌固效果，可选择梁端水平加腋以及拓展墙边框梁的方法。

4连梁是一种深梁类型，计算其正截面的承载力时，不可以按照杆系的模型进行计算。