浅谈高层建筑中有关核心筒结构设计

1、浅谈高层建筑中有关核心筒结构设计    摘要：本文从钢管混凝土柱梁节点设计入手，具体分析了核心筒外墙的连梁设计等设计要点，并针对工程实例对其结构设计进行了详细探讨。 关键词：高层建筑、核心筒；结构设计 引言 框架核心筒结构实际上要求核心筒必须作为一个独立的悬臂筒体结构体系，可以分担绝大部分的剪力和大部分的倾覆弯矩。同时外框架必须是稀柱框架，即只能承担很小一部分的剪力和相当部分的倾覆弯矩。而框架-核心筒结构的核心筒之所以抗震要求更严格，也正是由这个内力分担的特性决定的，核心筒可能过于关键，一旦发生破坏，后果比较严重。 一、核心筒结构概述 筒体结构是由竖向筒

2、体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体结构主要包含两种：筒结构和框架核心筒结构。 筒结构由核心筒与外围框筒组成的高层建筑结构。 框架核心筒结构由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构。框架核心筒结构周边柱子的柱距比较大，它和沿周边的梁构成了外框架，中间为电梯井、楼梯问、管道井等构成的核心筒，受力特点类似框架剪力墙。 二、实例分析 1、工程概况 某高层由一栋30层写字楼、2层商业附楼和3层地下室。 2、构造要求（1）抗震设计时，框架一核心筒结构的核心筒和筒中筒结构的内筒，应按高规规定设置约束边缘构件或构造边缘构件，其底部加强部位在重力荷载作用下的墙体轴压比不宜超过高规规定。（2）简

3、体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜小于0.3%，钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，配筋范围不宜小于外框架或外筒至内筒外墙中距的1/3和3m。（3）跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑；跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁应采用交叉暗撑，且应符合下列规定：梁的截面宽度不宜小于300mm；全部剪力应由暗撑承担。每根暗撑应由4根纵向钢筋组成，纵筋直径不应小于14mm，做法见图1。 3、结构设计分析 （1） 结构类型分析 工程中，为了避免了结构坚向抗侧力构件的转换，满足了建筑立面效果和使用要求，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。下部层采用钢管混凝土组合柱，楼盖采

4、用现浇普通钢筋混凝土梁板体系。 由于结构侧向位移不满足限值要求，在第30层设置钢筋混凝土桁架的结构加强层，结构加强层是一把利刃剑，虽然可提高结构抗侧移刚度，也使得结构竖向刚度突变。 （2）钢管混凝土组合柱的梁柱节点设计 在建筑工程中，往往仅在框架柱中采用钢管混凝土，而框架梁则采用普通钢筋混凝土，钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接节点成为工程中难点之一。 针对钢管混凝土组合柱的梁柱节点设计，目前常用的连接点有：钢牛腿法、双梁法、环梁法、钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法等。 本工程采用在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点，钢管开小孔的连接节点构造（见 钢管开小孔连接节点有很大优点，主要体现在以下几个

5、方面：首先，钢管开小孔后对钢管截面削弱不大，梁钢筋穿过小孔后剩余的缝隙很小，钢管对管芯混凝土的约束力基本没减少，不影响钢管混凝土柱的承载能力和变形能力。 其次，梁钢筋直接穿过钢管后，梁可以可靠的传递内力，梁长范围内的刚度保持不变，结构受力分析与实际相同。（钢牛腿法和钢管开大洞后补强法，在梁端范围内有相当长度的型钢，使得梁刚度急剧变化） 再者，在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后，钢管在节点区是连续的，节点的刚性不受影响，满足“强节点弱构件”的要求。现场施工较方便，即使圆弧梁钢筋也可顺利穿过。 另外，节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法减少很多，造价较低。 （3）剪力墙平面外对梁端嵌固作用

6、影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用主要因素有：墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度、墙线风度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。 目前，常用的计算分析软件虽然具有墙平面外刚度分析功能，但未考虑墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度。 当遇到墙肢很长或筒子体墙肢空间风度很大情况时，计算分析软件会高估了墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值要大于实际值。 针对上述情况，本工程应对措施如下：采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墙平面外对梁端嵌固作用有效长度；采用增加墙边框梁方法，用以增加平面外对梁端嵌固的局部刚度。墙边框梁截面宽度应不小于0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框架梁截面高度应大于楼面截面高度，为保

7、证梁端剪力通过墙边框梁均匀传递到墙上，墙边框梁宽出墙厚处用斜角过渡。 为保证梁正截面设计更加条例实际受力情况，分析计算时设定梁端负弯矩调幅系数后，配筋时再局部手算调幅。计算时，应考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝的开展及变形满足使用要求。 （4）核心筒外墙的连梁设计 核心筒外墙的连梁纵筋计算超筋是非常普遍的情况，计算模型的选取是重要因素之一。高规规定，跨高比小于5时按连梁考虑，即连梁属于深弯梁和深梁的范畴，其正截面承载力计算时，已不能按杆系考虑，也就是已不符合平截假定，但许多分析软件仍然把连梁按杆系计算，其计算偏差当然是很大了。 按“强墙弱梁”和“强剪弱弯”原则进行连梁设计时，虽然高规对

8、连梁设计有具体要求，但这个“弱”要到什么程度，还是取决于设计者的理解和经验。 本工程核心筒外墙的连梁按高规要求进行设计，除连梁均配置了交叉暗撑外，对非底部加强部位剪力墙的边缘构件也进行了加强处理，以满足“多道抗震防线”和“强墙弱梁”的要求。结论1、钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱有很强的承载能力和变形能力，还可弥补钢管混凝土柱的防腐和防火材料造价较高及时效性方面的缺陷。 2、在钢管按一定的构造开穿钢筋小孔，对钢管截面损伤不大，梁钢筋直接穿过钢管，使得梁内力可以可靠的传递适当设置水平加强环和竖向短加劲肋，钢管混凝土柱的承载能力和变形能力不会降低，节点刚性得以保证。模型试验已经证实该方法的可靠性，工程实践已经证实该方法的可行性。大大节约梁柱节点所用钢材，施工方便。 3、影响剪力墙平面外对染端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。为加强墙平面外对梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墙边框梁方法，梁端弯矩可采用“调幅再调幅”方法。 参考文献：【1】高层建筑结构设计建议。上海科学技术出版社，2003 【2】高层建筑结构设计建议上海科学技术出版社，2003 【3】阮永辉,吕西林.带水平加强层的超高层结构的力学性能分析