广州市科城建筑设计有限公司
前言
城市化进程不断加快,现代建筑的规模不断增大,单体式与组群式的建筑综合体越发常见。双排柱框架-核心筒作为一种性能优越的建筑结构,有效满足了建筑工程对刚度、强度、延性等的需求,提高了建筑工程的质量,增强了建设企业的经济效益,推动了建筑行业更进一步发展。然而,在双排柱框架-核心筒结构设计上,仍存在一定缺陷,对其结构设计的优化,成为建筑行业思考重点。
1.框架核心筒结构的优点
框架核心筒结构,能够利用建筑中的竖向井道的隔墙布置剪力墙,并在建筑中央形成的核心筒处布置抗侧力构件,在核心筒外围布设框架梁柱,并保障其间距能够达到8-9m,甚至更大。同时,在框架核心筒结构设计时,柱的数量较少,框架柱布置方式多样化,使建筑立面的设计灵活多变,且外墙能够开设较大窗洞,平面能够争取更多空间,使建筑空间较大,采光较好,为人们带来更多便利[1]。须知,框架核心筒结构与框架剪力墙结构在受力与变形特性上类似,但是前者在平面布置规则上更具空间效力,力学特性和抗震特性更加优越,适用于较高的建筑中。
2.建筑工程简单概况
某商业楼建设采用了双排柱框架-核心筒结构,该建筑的总面积为103000㎡,工程主楼高153m,地上楼层为45层,地下2层;工程裙房高15m,地上楼层为4层,地下楼2层。主楼与裙房连为一体,其建筑效果如图1所示。
3.商业楼选择双排柱框架-核心筒结构方案的猜想
当前,该商业楼的设计方案已经完成,由功能布局上观察设计方案,可知主楼主要采用的工程结构为框架核心筒结构,裙房的部分墙体是另外设置,与主楼形成了框剪结构。主楼的框架部分间距较大,由核心筒外墙到建筑外框柱距离达到13m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第9.1.5条可知,混凝土框架梁允许的最大跨度为12m。而核心筒外墙到建筑外框柱距离超过12m,宜设置内柱,也为楼盖结构的设计与施工提供便利,避免框架梁的高度过大影响建筑高度。另外,也可将外框柱进行内收,以楼盖外悬挑方式实现外伸,以此减小框架跨度,保障商业楼设计的可行性[2]。虽然在力学概念上该设计方案成立,但是在建筑功能上,主楼部分为商业办公区,若将外框柱内收,极易影响商业楼的使用功能,并且框架梁的大跨度,增大了外框柱的负荷面积,为框架柱的设计带来难题。因此,该方案不宜采用,双排柱框架-核心筒方案成为商业楼建设的首眩
4.双排柱框架-核心筒结构方案的优化
在商业楼建设中,混凝土结构作为建筑主体,为保障结构质量,梁柱节点通常被处理为刚接节点,以此增大工程结构的刚度,提高建筑的抗侧移能力,有效提升了控制结构的风荷载水平与抗震能力。若建筑采用单排柱框筒结构,梁柱刚接节点的处理方式合理;若采用双排柱框筒结构,该种处理方式下,中柱与框架梁间存在刚接节点,导致内筒和内梁间的刚度较大。水平作用下,倾覆力矩多被内框柱承接,外框柱的作用弱化;并且,中柱竖向负荷的面积大于外柱,导致内柱截面较大,商业楼使用空间被占据。同时,外框架的主要作用为抗扭刚度,而外柱截面面积的缩小,为达到建筑需求,必须增多外柱数量,这样增大了建筑成本。
根据上述方案可知,其并不适用于双排柱框架-核心筒结构中。对此,笔者提出第二个方案,即将内框柱调整为构造节点,使其与框架梁上下铰接,竖向荷载由中柱承担。因为,在水平荷载作用下,该柱并不需要承担节点弯矩,简化了设计的复杂性,即使工程建设为超高层建筑,也能够通过选择轴向承载力高的构件解决问题,减小构件截面面积,增强建筑空间的利用率。在商业楼建设中,若选择第一个方案,则内柱面积将在1.0m*1.2m-1.6m*1.3m之间,内柱为钢筋混凝土;若选择第二个方案,则内柱为圆钢管混凝土,直径在0.60-0.80m间,外柱截面积保持不变。对比可知,选择内柱上下铰接的方案,能够有效减小内柱截面大小,提高室内空间利用率;且钢管混凝土内柱,其连接合理,不需要将大量梁受力钢筋穿越钢管柱,施工难度降低。
5.通过计算对两种方案进行对比
在本次工程建设中,抗震设防烈度为7度,在地震分组上,其为第二组,在场地类别上,其为Ⅲ类,无论是筒体结构还是框架结构,其抗震等级均为一级。笔者选择小震弹性反应谱对上述两种方案进行计算,以期选择最佳方案,以供参考。
5.1小震弹性反应谱计算方式的应用
根据具体设计方案,运用小震弹性反应谱进行计算,结果得出:方案一的结构扭转周期和第一平动周期的比值为0.70,方案二的比值为0.62,两个方案的比值均<0.85,均达到了规范限值的要求。方案一的最大层间位移角为X向:1/1536,Y向:1/1666,最大层间位移比为X向:1.37,Y向:1.31,方案二中,数据分别为1/1108,1/1159,1.36,1.29,均在规范限值之内。在最小剪重比上,方案一为X向:1.53%,Y向:1.62%,方案二为X向:1.44%,Y向:1.55%,部分楼层并不满足最小值1.6%的需求,由于层数不多,可直接利用放大楼层地震力,调整剪重比,保障工程质量。
由上述计算数据可知,两种方案都能够满足现行规范的要求,但是,方案一的整体抗侧刚度较大,方案二能够将结构楼层的位移控制在合理范围。利用小震弹性反应谱对两者方案进行计算,结果得出:方案二和方案一在X向的平动自振周期的比值为4.16/3.39≈1.23,Y向平动自振周期的比为4.15/3.24≈1.28。X向基底剪力比为24052.58/26723.18≈0.90,Y向基底剪力比为25885.48/28222.77≈0.92,由此可见,选择柔弱的结构形式,能够有效减少地震作用,节省材料,提高建筑工程经济效益。
5.2静力弹塑性分析方法的应用
在对比两个方案时,可直接选择相关软件,通过模拟工程模型遭遇罕见地震,分析两种方案下工程建筑的静力弹塑性,以此判断两种方案的可行性高低。在对两种方案模拟的过程中,得出大地震下层间位移角的数据:方案一:X向:1/189,Y向:1/226,方案二:X向:1/182,Y向:1/266。
根据所得数据可知,两种方案的计算结果相近,并未因内柱边界条件的改变而改变,两者都能够满足建筑规定的限值要求,都能够保障商业楼在大震下不倒。
6.双排柱框架-核心筒结构设计的注意事项
城市化进程的加快,框架核心筒结构作为一种高效、节约成本的建筑模式,被广泛应用于高层、超高层建筑中[3]。框架布置形式向多样化转变,如:方形、圆形、长方形、多边形等。虽然,框架形式多样化,但是在布置工程结构时,应遵循相应规则,保障平面刚度布置的适宜、对称,以此减小扭转的影响。同时,质量分布要均匀,内筒居中,以此保障框架结构的质量。
在框筒结构应用时,钢筋混凝土作为构成框架的根本,为保障工程质量,应避免外框构架的截面较小,对于框架承担的弯矩与剪力,应相应调整增大。在混合结构中,若框架核心筒结构采用钢管混凝土柱或者钢骨混凝土,则达到双重抗侧力体系的需求较为容易满足;若选择外框构架,则框架核心筒的总高度不能太高。
在框筒结构纵横墙相交的点上,应设置钢骨;在楼板标高处,应设置钢骨暗梁,以此形成小钢框架,提高核心筒的承载能力,增强建筑结构的抗震性能。并且,在框筒结构布置过程中,应保障核心筒和外柱间的距离在10-12m之间。若距离较大,应设置内柱,否者将直接导致楼层梁截面过大。在布置楼盖时,应注意竖向荷载,使其集中传递至中柱上,避免中柱出现拉力,影响工程整体质量。
7.总结
总而言之,通过对内柱刚接和内柱铰接这两种方案进行对比,可以看出:赋予双排柱框架核心筒结构的设计方案,内柱铰接更加可行,使建筑结构受力更加合理,构件设计、节点构造更简单。
参考文献:
[1]泮忠元.浅议框筒结构体系及其设计要点[J].四川建筑,2015(5):122-123.
[2]李勇.对某双排柱框筒结构设计方案的思考[J].建筑结构,2018(5):120-120.
[3]冯异菲.浅谈框架--核心筒结构设计中的要点[J].河南建材,2018(3):251-253.