“密柱”型框架，核心筒结构体系的应用

 刘文堤，  任庆英，  赵庆宇

 （中国建筑设计院有限公司，北京100044）

[摘要]  为考察外围框架柱间距大于4m、小于8m的框架，核心筒结构的性能，对结构高度300m、抗震设防烈度7度(0. 10g)、框架柱间距4~8m的框架-核心筒结构的算例进行研究。分析表明，柱间距4~6m的框架-核心筒结构的周边框架虽未构成刚度可观的框筒，但抗侧刚度不容忽视，若设计得当，这类高度的框架-核心筒结构完全不必设置加强层。借助-工程实例介绍了这类结构体系的实际应用情况，南京青奥中心双塔楼中的塔2楼建筑高度314. 50m，采用外围框架柱间距6m的“密柱”型框架-核心筒结构体系，设计中取消了加强层的设置，从而避免结构刚度的竖向突变，提高了结构的抗震性能，降低了施工复杂度，较大地节省工期，满足了业主对工程进度的要求。

[关键词]  南京青奥中心；筒体结构；“密柱”型框架．核心筒结构；高层建筑结构；加强层 中图分类号：TU973.1文章编号：1002-848X(2016)11-0009-06

0  引言

 框架-核心筒结构和筒中筒结构是当前我国高层和超高层建筑结构广泛采用的结构形式。依据现行高规，上述两种结构形式均属简体结构体系，其最为直接的区别在于外围框架柱的间距，高规规定筒中筒结构中的外围框筒框架柱间距不宜大于4m，而对框架-核心筒结构中关于框架柱间距虽未具体规定，但一般多采用8~ 10m方能满足建筑需求。当外围框架柱间距采用4~6m时，对结构体系受力特征相关的关研究相对较少，同时这种体系的工程应用也较为少见，本文就这种体系结合工程实例进行探讨，为方便讨论将这种外框柱间距较小的框架-核心简体系称之为“密柱”框架-核心筒结构。

 筒中筒结构系指由建筑四周“密柱”深梁构成的外围框筒和内部核心筒所组成的简体结构，其中框筒结构自从20世纪60年代美国著名结构工程师坎恩( Fazler R．Khan)首次提出以来，而后得到迅速发展，同时将高层建筑推向了一个新的历史时期。在框筒结构基础上发展起来的筒中筒结构具有受力合理、造型美观、实用灵活等特点，该体系得到了广泛应用，目前全世界所建成的最高超高层建筑中绝大多数采用该类体系。但是，框筒结构要保持空间整体性和较强的抗倾覆作用，其框架柱间距必须保持较小的距离。由于框筒结构的密柱、深梁影响建筑对外视线，景观效果不佳，促使建筑师要求结构加大外框筒的柱距和减小裙梁的高度，从而形成周边稀柱框架与核心内筒共同工作的框架-核心筒结构，这类结构广泛用于写字楼和其他公用建筑中，并深受建筑师的青睐。然而，传统意义的框架-核心筒结构中外围稀柱框架与密柱框筒相比，结构的空间整体作用很小，适用高度大为降低，用于高度较高的超高层结构中往往需设置伸臂桁架以满足位移需求，而伸臂桁架的设置一方面增加了结构成本，导致施工周期延长，另一方面人为地造成结构刚度的突变，对结构抗震极为不利。

 目前，在工程实践中，建筑设计过于追求外形表达，尽管建筑结构往往选择的是框架·核心筒结构，而建筑外形设计却未考虑这一体系特点，单纯追求外形却采用了密布的网格，致使实际工程设计中，在间距较大的框架间额外增设辅助结构构件用以形成小网格的建筑外形，这种建筑与结构设计相互脱节的情况并不少见。如果在建筑设计中，建筑与结构密切配合，扬长避短，在必要时采用“密柱”框架-核心筒结构将会带来很好的效果。

1  外框柱间距的比较

1.1结构体系及研究参数

 为了考察外框柱距对框架．核心筒结构受力性能的影响，本文以典型筒中筒结构和框架-核心筒结构平面为例，以实际工程为设计背景，对该类结构体系进行了计算与比较分析。图1为各研究方案的标准层结构平面图。各方案均采用框架-核心筒结构体系，其中框架柱均采用钢管混凝土柱，结构平面尺寸为48m x48m，层高均为4.3m，共70层，总高301m。算例M2-4~M2-8分别对应柱距为4~8m的结构方案，并通过改变框架柱截面尺寸以保证各方案框架柱总截面面积基本不变，详见表1。所有方案均采用几乎相同的核心筒布置，未设加强层，剪力墙尺寸详见表2。楼板厚度均为120mm。

 采用ETABS 13.1对各结构方案进行计算分析。各算例中假定永久荷载为3 k N/m2，活荷载核心筒内为3.5 k N/m2，核心筒外为2.5 k N/m2。工程设计使用年限50年，安全等级为一级，抗震设防烈度为7度(0. 10g)，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，结构阻尼比为0. 04，基本风压为0.45 k N/m2。

1.2抗侧刚度的比较

 表3为各方案的结构基本周期（X向）、X向地震作用下最大顶点位移及最大层间位移角。可见在框架柱总截面面积保持不变的前提下，结构基本周期、最大顶点位移以及最大层间位移角随柱距的增加而明显增大，结构的空间整体作用减弱，刚度减小。其中M2-4与M2-5的结构刚度较为接近，且当框架柱距大于6m后，结构侧向刚度较柱距小于6m的结构体系有很大程度的削弱。

1.3周边框架柱轴力的比较

 研究表明，在水平力作用下，框筒结构体系由外框架与核心内筒协同工作，共同抵抗侧向力，为结构提供了很好的抗侧刚度。而与此同时，筒体结构的“剪力滞后”效应也使水平力作用下外框架柱轴力分布极不均匀，如果设计不当角柱就会先于其他框架柱破坏。本文针对框架柱“剪力滞后”效应，对不同柱距的结构方案中Y向水平地震作用下框架柱轴力进行了比对分析。由图2、图3可见，不同柱距的框架-核心筒均表现出了水平力作用下外围框架轴力非均匀分布的特征，柱距8m之内的外围框架仍有一定空间作用。由于各方案保持框架柱总截面面积不变，因此水平地震作用下，各方案柱内力变化形态基本一致，但是明显可以看出随着框架柱间距的加大外围框架的空间作用在减弱。

1.4内力分配的比较

 表4给出了各结构方案的外框架与核心筒结构在X向地震作用下内力分配情况。由表4可见，随着外框柱柱距的增大，外围框架承担的倾覆力矩在减小，表明其空间作用在减弱，但是由于保持了各方案框架柱总截面面积不变，随着外框柱间距的加大，框架承担的剪力在增大。说明框架．核心筒外框柱间距不是很大的情况下，即使楼高达到300m也可通过调整柱截面实现底层框架分担剪力达到10%的规范要求。此外，由表4还可看出，M2-6，M2-7，M2-8的结构内力分配结果较为接近，M2-4与M2-5的结构内力分配较M2-6变化较大。

 从上述算例分析可以看出，即使外围框架柱总截面面积不变，随着框架柱间距的加大，外围框架的抗侧刚度在明显减弱。由于各方案核心内筒剪力墙的厚度相同，即核心筒的抗侧刚度几乎不变，因此各方案整体抗侧刚度充分反映了外围框架的刚度变化与差异，如M2-4与M2-8相比，外围框架柱总截面面积不变，柱间距从4m变为8m，其抗侧刚度降低了近20%，首层单柱截面尺寸从口1 060×28增大到口1 500×35，截面面积增加了近50%。实际上，在框架，核心筒结构体系中，建筑师一般并不希望结构柱尺寸过大，从而影响建筑外形的美观和使用功能，但当建筑高度较大时，框架·核心筒结构多数情况下不得不采用伸臂桁架。这种因设置加强层人为造成结构刚度以及核心筒与外框架内力的突变，在许多情况下可以通过建筑与结构的密切配合予以避免。

2  工程应用

2.1工程概况

 南京青奥中心位于南京市建邺区江山大街北侧、金沙江东路南侧、扬子江大道东南侧、燕山路南延段西侧，其中南京青奥中心塔楼由塔1和塔2及裙房构成，总建筑面积为28.7万m2，地上25.3万m2，地下3.4万m2。塔1：地下3层，地上58层，建筑总高度255m；塔2：地下3层，地上68层，建筑总高度314. 50m。该工程从2012年3月初桩基动工，到2014年6月南京青奥会开幕前夕完成主体及外幕墙施工，总施工周期831d，图4为主体及外幕墙完成后的现场外景图。两栋塔楼均采用了“密柱”框架-核心筒结构，框架柱为方钢管混凝土柱，楼面梁为钢梁，在核心筒钢筋混凝土局部增设钢骨以提高延性。两塔楼均未设置加强层，极大地缓解了工期压力。这里重点介绍塔2的设计概况。

 该工程中塔2抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0. 10g，设计地震分组为第一组，水平地震影响系数最大值为0. 101（根据安评报告确定），场地类别为Ⅲ类，地基基础设计等级为甲级。

2.2结构选型

 根据建筑外形及功能特点，两塔楼均采用了“密柱”钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，外框柱采用矩形钢管混凝土柱，柱间距6m，两塔楼高度均超出现行高规中混合结构框架．核心筒体系建筑最大适用高度190m，属高度超限，其中塔2高度超限52%。

 设计中建筑功能及平面布置在结构平面、竖向布局上尽量遵循简单、规则、对称的结构布置原则，以利于整体结构的抗震与抗风，采用上述相对柱距较小的外框柱布置，虽未构成明显的外框筒结构，但其侧向刚度明显增强，能够提供较好的抗侧和抗弯能力，取消了超高层结构设置加强层的惯用手法，极大地提高了结构的抗侧力性能，避免了加强层给结构带来的刚度、承载力突变等不利影响，并对两塔楼进行抗震性能化设计。塔2最大结构高宽比9.1，核心筒高宽比为18.7。标准层结构平面见图5。

 由于塔楼沿平面短向高宽比较大，塔楼沿长向柱子均采用竖直柱，建筑沿高度折线外形以楼面外挑形成。塔楼长向两端因建筑造型需要各有四根柱子向该侧核心简单向倾斜形成折线形外形，为了缓解外框柱因倾斜带来的附加内力，一方面，在满足建筑外观要求的前提下，使倾斜外框柱尽量减小倾斜角度（最大倾角不超过40）。另一方面，通过增强倾斜外框柱及与之相连的楼面梁强度和延性，使楼面框架梁中的轴向内力能够沿核心筒墙体进行有效传递。此外，在可能的条件下，为减少因倾斜带来的楼面钢梁非标准而造成的施工难度，在中上部一定楼层内使斜柱恢复垂直，如图6所示。

 为了增强外围框架的抗侧力性能，提高其整体抗侧贡献，外围框架梁采用了满足建筑要求的截面高度较大的宽翼缘H型钢梁：塔2的6层及以下长短向梁高均为1000mm，6层以上与塔1J致，避难层梁高均为1 000mm。采用上述结构体系及布置，塔楼在风荷载及地震作用下均满足规范限值要求，由于未设置加强层，结构刚度和承载力沿竖向比较均匀。

2.3结构计算分析

 南京青奥中心塔楼结构计算分析采用了多种软件。主体结构弹性分析主要采用了PKPM系列软件之SATWE 2010，并采用MIDAS/Building 2011进行校核，包括地震作用反应谱分析、弹性时程分析和风荷载分析以及施工模拟分析等。塔2的SATWE软件主要弹性分析结果见表5。分析表明，所有指标均能够满足规范的要求，而且两种软件的弹性分析结果基本吻合，说明结构是安全可靠的。图7为塔2前3阶振型示意图，第一扭转周期与第一平动周期比值为0. 45，小于规范0.85的限值，且扭转振型和第一平动振型不耦合。

 图8为地震及风荷载作用下塔2层间位移角变化，由图可见，X向地震作用起控制，Y向风荷载起控制，原因在于本工程建筑平面长宽比较大，X向受风面较小，但不论风荷载还是地震作用下本工程竖向层间位移角变化比较均匀，没有出现类似设置加强层后所出现的刚度突变情况。 

弹塑性时程分析采用了MIDAS/Building 2011和SAP2000，用以验证结构在中、大震作用下的性能。分析结果表明，在中、大震作用下，结构满足预定的性能目标。图9为罕遇地震弹塑性时程分析时，在人工波L750-2和天然波L2625作用下结构楼层层间位移角沿楼层的分布曲线，两条地震波作用下最大层间位移角均出现在61层，其中人工波作用下最大层间位移角较大：x向的最大层间位移角为1/226，y向最大层间位移角为1/153。两个方向的层间位移角均满足规范规定的弹塑性层间位移角限值1/100的要求。从上述弹塑性时程反应曲线也可看出，本工程在大震作用下弹塑性层间位移角依然保持均匀变化，有别于设置加强层的结构。

 整体弹塑性分析表明，本工程核心筒在罕遇地震作用下，连梁最先出现塑性铰，建筑高度下部2/3区域塑性铰发展较为明显。核心筒应变较大的区域主要集中于底部边角部位及核心筒平面变化部位，但应变值较小，未达到破坏应变。核心筒钢筋在整个罕遇地震作用下受压应变较小，仍处于弹性状态。钢管混凝土柱在罕遇地震作用下，底部柱及绝大部分框架柱均处于弹性状态；顶层的钢管混凝土柱出现一定的局部塑形变形，但大部分塑性发展仍处于弹性状态。 

3  结论

 外围框架柱间距在4~6m的框架．核心筒结构（“密柱”框架-核心筒结构）虽然构不成刚度较大的框筒，但是与常规的框架-核心筒结构相比仍具有可观的抗侧刚度，算例分析表明：

 (1)不同柱距的框架．核心筒均表现出了水平荷载作用下外围框架轴力非均匀分布的特征，柱距8m之内的外围框架仍有一定空间作用。

 (2)即使外围框架柱总截面面积不变，随着框架柱间距的加大，外围框架的抗侧刚度在明显减弱。

 (3)当框架柱距大于6m后，结构侧向刚度较柱距小于6m的结构体系有很大程度的削弱。

 以南京青奥中心塔楼为例的分析表明，结构体系采用“密柱”框架-核心筒结构(框架柱间距6m)，即使在建筑高度超过300m的7度设防地区和风荷载较大的区域仍然可以满足工程侧向刚度的需求，从而不必设置加强层，避免了结构体系人为的竖向刚度突变，提高了相应的抗震性能，大幅度节约了工期，满足工程进度要求。在工程实践中，建筑与结构密切配合，扬长避短，在必要时采用“密柱”框架·核心筒结构将会带来很好的效果和显著的投资效益。