李 顯 杰

山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司,山東 聊城 252000

0 引言

框架核心筒結(jié)構(gòu)是由核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結(jié)構(gòu)[1].核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件,內(nèi)部主要布置樓梯、電梯和管井等,外圍柱的柱距較大,可提供靈活的使用空間.該結(jié)構(gòu)形式在高層辦公樓和寫(xiě)字樓中使用廣泛.本文結(jié)合實(shí)際工程中3個(gè)框架核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),對(duì)結(jié)構(gòu)布置、模型調(diào)整和筒體外墻的墻連梁端部附近樓板應(yīng)力等方面進(jìn)行分析.

1 筒體內(nèi)部樓板及內(nèi)墻布置

筒體相當(dāng)于一根豎放的中間有許多橫隔的箱形梁[2],該橫隔為筒內(nèi)各層樓板,如同竹子每隔一段就有一個(gè)結(jié),應(yīng)確保筒內(nèi)各層樓板水平剛度,但筒體內(nèi)部往往有較多電梯井、通風(fēng)井和視為開(kāi)洞的樓梯間等水平開(kāi)洞,極大削弱了樓板水平剛度,為保證該剛度,建議按如下原則從構(gòu)造上控制開(kāi)洞面積:按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010,2016年版)[3](簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))表3.4.3-1中“樓板局部不連續(xù)”的限值,該層筒內(nèi)樓板開(kāi)洞總面積不大于筒內(nèi)樓面面積的30 %,并且開(kāi)洞后筒內(nèi)有效樓板寬度不小于筒內(nèi)樓板典型寬度的50 %.如不滿足,按照四周有剪力墻和連梁圍合的電梯間、通風(fēng)井、樓梯間,可不按水平開(kāi)洞處理的原則[4],增設(shè)剪力墻和連梁以減小開(kāi)洞效應(yīng)，同時(shí)樓梯間在地震時(shí)起到“安全島”重要作用,而大震時(shí)筒體做為第一道防線會(huì)先破壞,則樓梯四周也宜布置剪力墻及連梁圍合,以確保其安全.另外筒體內(nèi)墻宜與外墻“T”或“L”型相連,互相支撐,以提高筒體抗側(cè)剛度.

2 最不利地震方向位移角

圖1為某框架核心筒結(jié)構(gòu).調(diào)整模型時(shí),發(fā)現(xiàn)小震下X和Y方向的層間位移角均滿足高規(guī)限值要求,但a點(diǎn)處最不利地震方向(44°)的層間位移角為1/720,不滿足要求,在其它斜交抗側(cè)力構(gòu)件相交角度大于15度的工程中經(jīng)常出現(xiàn)該情況.高規(guī)限制建筑結(jié)構(gòu)層間位移的主要目的是:

圖1 某17層框架核心筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

(1)保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài),對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主要應(yīng)避免剪力墻、框架柱出現(xiàn)裂縫,同時(shí)控制連梁、框架梁等樓面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫(裂縫數(shù)量、裂縫寬度、裂縫高度等)在規(guī)范允許的范圍內(nèi).

(2)保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完好,避免產(chǎn)生明顯破壞[5].從中可得出,最不利地震方向的層間位移角也宜滿足高規(guī)要求.

為滿足使用要求應(yīng)增大a點(diǎn)處最不利地震方向的抗側(cè)剛度,a和b點(diǎn)處柱子不再加大截面,而應(yīng)將a點(diǎn)南側(cè)剪力墻適當(dāng)加長(zhǎng),并將a和b點(diǎn)間的梁截面適當(dāng)加高和加寬.

3 筒體外墻的強(qiáng)連梁端部樓板應(yīng)力

以某框架核心筒結(jié)構(gòu)的辦公樓為例,該樓地上30層,地下2層,結(jié)構(gòu)高度為129.95 m,抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g),建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,有3層裙房,第5層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖2.該層梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C 40,為施工方便,樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)也采用C 40.

小震下樓板的性能目標(biāo)設(shè)為不開(kāi)裂,樓板應(yīng)滿足下式要求[6]:

σ1k,小震≤ftk

(1)

式中,σ1k,小震為有地震作用效應(yīng)組合時(shí)板在小震作用下的主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa.

應(yīng)用PMSAP做小震下樓板應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)第5層筒體外墻的強(qiáng)連梁端部附近樓板應(yīng)力集中,數(shù)值較大,以圖2的中上部a點(diǎn)處連梁端部附近樓板為例,原設(shè)計(jì)中a點(diǎn)北側(cè)和南側(cè)樓板厚度分別為110 mm和120 mm,在X向小震作用效應(yīng)組合下板的主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值詳見(jiàn)圖3.考慮樓板的局部應(yīng)力集中效應(yīng),取1 m范圍內(nèi)平均值,a點(diǎn)北側(cè)和南側(cè)樓板該值分別為2.83 MPa和3.11 MPa,均大于樓板混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa,應(yīng)該是與受力很大的強(qiáng)連梁共同受力導(dǎo)致.

圖2 某30層框架核心筒結(jié)構(gòu)第5層結(jié)構(gòu)平面

圖3 X向小震作用效應(yīng)組合下第5層樓板局部主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)

將a點(diǎn)北側(cè)和南側(cè)樓板厚度分別加大到140 mm和150 mm厚,再次計(jì)算后,取1 m范圍內(nèi)的平均主拉應(yīng)力,分別為2.09 MPa和2.38 MPa,均小于2.39 MPa,滿足不開(kāi)裂要求.

中震下該樓板性能目標(biāo)設(shè)為鋼筋抗拉不屈服,參照文獻(xiàn)[6],板中的主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足下式:

σ2 ,中震≤fykAs/hs

(2)

式中,σ2 ,中震為有中震作用效應(yīng)組合時(shí)板主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;fyk為鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;As為在間距s范圍內(nèi)上下層水平鋼筋的面積,m2;h為板厚度,m;s為板鋼筋間距,m.

對(duì)樓板進(jìn)行中震下的應(yīng)力分析,考慮樓板的局部應(yīng)力集中效應(yīng),取a點(diǎn)連梁附近兩側(cè)各1.0 m范圍內(nèi)板主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值的平均值,得到a點(diǎn)北側(cè)和南側(cè)樓板平均值分別為4.26 MPa和5.72 MPa,按式(2)計(jì)算后,a點(diǎn)北側(cè)和南側(cè)樓板各1.0 m范圍內(nèi)的配筋分別為?10@100和?12@100雙層雙向配筋.

建筑物越高,下部樓層筒體受水平地震力越大,越容易出現(xiàn)該現(xiàn)象,應(yīng)注意復(fù)核加強(qiáng),滿足樓板有關(guān)性能目標(biāo)要求.

4 模型調(diào)整方法

以有代表性的某辦公樓為例,該樓地上23層,地下1層,結(jié)構(gòu)高度為83.85 m,抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g),建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖4.

圖4 某23層框架核心筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

4.1 常規(guī)方法

(1)調(diào)整外圍框架截面,對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)和抗扭剛度影響小,變化幅度一般是抗側(cè)小于抗扭剛度;周期變化幅度一般是平動(dòng)小于扭轉(zhuǎn)周期.

調(diào)整內(nèi)部框架截面,對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)和抗扭剛度影響小,變化幅度一般是抗側(cè)大于抗扭剛度;周期變化幅度一般是平動(dòng)大于扭轉(zhuǎn)周期.

(2)筒體外墻(含連梁,下同)處于外圍且較長(zhǎng),調(diào)整時(shí)對(duì)抗側(cè)和抗扭剛度影響較大,但抗側(cè)和抗扭剛度、平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)周期哪個(gè)變化幅度大,應(yīng)試算觀察.

筒體內(nèi)墻(含連梁,下同)一般較薄,且開(kāi)有較多洞口,調(diào)整時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)和抗扭剛度影響不大,變化幅度一般是抗側(cè)大于抗扭剛度;周期變化幅度一般是平動(dòng)大于扭轉(zhuǎn)周期.

(3)周期比不夠時(shí),調(diào)整原則是加強(qiáng)筒體外墻、外圍框架的剛度,適當(dāng)削弱筒體內(nèi)墻、內(nèi)部框架的剛度,亦可兩個(gè)方法綜合運(yùn)用.

4.2 第二周期為扭轉(zhuǎn)周期的調(diào)整方法

第二周期為扭轉(zhuǎn)周期在框架核心筒結(jié)構(gòu)模型調(diào)整中經(jīng)常出現(xiàn),圖4所示的工程亦如此.第一和第三周期為平動(dòng)周期,第二周期為扭轉(zhuǎn)周期時(shí),說(shuō)明結(jié)構(gòu)抗扭剛度相比第二平動(dòng)周期轉(zhuǎn)角方向的抗側(cè)剛度偏小,宜將第二和第三周期分別調(diào)整為平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)周期.

在滿足位移角的前提下,一般調(diào)整思路是減小第二平動(dòng)周期轉(zhuǎn)角方向抗側(cè)剛度,從而增大該方向周期,最后讓其大于扭轉(zhuǎn)周期,變?yōu)榈诙芷?但按照這個(gè)思路在多個(gè)工程中發(fā)現(xiàn)難以調(diào)整過(guò)來(lái).如圖4所示的工程,初期模型調(diào)整時(shí)第二周期為扭轉(zhuǎn)周期,第三周期為Y向平動(dòng)周期,在滿足位移角的前提下,按減小Y向抗側(cè)剛度思路反復(fù)調(diào)整后結(jié)果見(jiàn)表1,第二周期仍然為扭轉(zhuǎn)周期.

表1 模型甲部分計(jì)算結(jié)果

再經(jīng)多次試算和觀察后,發(fā)現(xiàn)原因在于:Y向筒體外墻(ab段和cd段)較長(zhǎng),對(duì)Y向抗側(cè)剛度和抗扭剛度均影響較大;但Y向筒體外墻均靠近樓中部,距離建筑物外側(cè)較遠(yuǎn),對(duì)抗扭剛度影響比Y向抗側(cè)剛度影響要小,所以減少Y向筒體外墻剛度時(shí),Y向抗側(cè)剛度減少幅度大于抗扭剛度,使Y向平動(dòng)周期增加幅度大于扭轉(zhuǎn)周期,造成難以將Y向周期調(diào)整為第二周期.

繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，X方向筒體外墻(ad段和bc段)距離建筑物外側(cè)相對(duì)較近,則嘗試在模型甲的基礎(chǔ)上適當(dāng)加強(qiáng)X方向筒體外墻(ad段和bc段)的剛度,期望抗扭剛度的增大幅度大于X和Y方向抗側(cè)剛度的增大幅度,使扭轉(zhuǎn)周期減小幅度大于兩個(gè)平動(dòng)周期減小幅度,從而將第二周期調(diào)整為平動(dòng)周期.按此思路調(diào)整計(jì)算后部分結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可看出,模型乙的第二周期改為平動(dòng)周期,且周期比為0.89<0.9.本次調(diào)整,相比模型甲,各周期減小幅度如下:第一平動(dòng)周期為(2.149 5～2.131 4)/2.149 5=0.84 %,第二平動(dòng)周期為0.19 %,扭轉(zhuǎn)周期為1.53 %;扭轉(zhuǎn)周期減小幅度約為第一平動(dòng)周期的2倍,約為第二平動(dòng)周期的8倍.同時(shí)兩個(gè)平動(dòng)周期的比值為90 %>80 %,滿足抗規(guī)“結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近”的要求[4].

表2 模型乙部分計(jì)算結(jié)果

4.3 異形框架核心筒結(jié)構(gòu)調(diào)整建議

類(lèi)似圖1所示的異形框架核心筒結(jié)構(gòu)調(diào)整模型時(shí),可將結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的剛度分解為第一和第二平動(dòng)周期轉(zhuǎn)角方向的剛度,視剛度分配情況,參照上述方法反復(fù)計(jì)算調(diào)整.

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)3個(gè)框架核心筒結(jié)構(gòu)實(shí)際工程的分析,可得如下結(jié)論:

(1)筒體內(nèi)部樓板及內(nèi)墻布置應(yīng)保證樓板水平剛度,并確保樓梯間在地震時(shí)“安全島”的重要作用；筒體內(nèi)墻宜與外墻“T”或“L”型相連,互相支撐,提高筒體抗側(cè)剛度.

(2)最不利地震方向的位移角宜滿足高規(guī)要求.

(3)較高框架核心筒結(jié)構(gòu)下部樓層在小震作用下,其筒體外墻的強(qiáng)連梁端部附近樓板會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,容易開(kāi)裂,應(yīng)注意復(fù)核加強(qiáng),滿足樓板有關(guān)性能目標(biāo)要求.

(4)通過(guò)分析和總結(jié)模型調(diào)整方法,建議當(dāng)?shù)诙芷跒榕まD(zhuǎn)周期,僅調(diào)整第二平動(dòng)周期轉(zhuǎn)角方向抗側(cè)構(gòu)件剛度,難以將第二周期改為平動(dòng)周期時(shí),可適當(dāng)調(diào)整第一平動(dòng)周期轉(zhuǎn)角方向、筒體外墻和外圍框架的剛度.