框架-核心筒结构和筒中筒结构判别标准

框架-核心筒结构和筒中筒结构判别标准

李小龙

基准方中建筑设计股份有限公司西安分公司 陕西 西安 710000

[摘要]框架-核心筒结构和筒中筒结构是现阶段在高层及超高层建筑中应用极其广泛的两种结构体系。虽然两者在结构平面布置上仅表现出柱距不同，并不存在明确的界限，但规范中对这两种结构体系有不同的规定。本文以实际工程为背景，通过改变柱距来分析不同柱距情况下结构体系的受力特性，如倾覆力矩百分比、剪力百分比、位移角、轴压比等，从而建立相应的评判标准。

[关键词]框架-核心筒；筒中筒；柱距；判别

1 前言

随着建筑高度的增加，新的结构体系不断呈现出来。在超高层混凝土结构体系中，比较常见的有框架-核心筒和筒中筒结构，这两种结构体系结构平面布置比较相似，要对其作出明确的界定比较困难，文献指出:筒中筒结构指房屋周边布置了间距较密的柱（间距常为4m左右），柱之间存在裙梁这样的具有一定刚度的刚性连接，形成一个由框架组成的抗侧刚度较大的筒体；框架-核心筒结构是指房屋周边为稀柱框架（柱间距常为8m左右或者更大），中间有一个钢筋混凝土核心筒，其内部为楼电梯间及机电用房等[1]。

《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ3-2010）[2]（简称高规）对筒中筒结构有如下规定：柱距不宜大于4m，洞口面积不宜大于墙面面积的60%，洞口高宽比宜与层高与柱距之比相近，外筒梁的截面高度可取柱净距的1/4左右；框架-核心筒结构位移角限值为1/800，筒中筒结构位移角限值为1/1000。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[3]（简称抗规），对框架-核心筒结构规定：框架部分承担的剪力值不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架部分层剪力最大值的1.5倍二者中的最小值。

综上可知，现有规范仅对框架-核心筒结构和筒中筒结构做出了一些基本规定，设计阶段规定了框架部分承担的剪力比，并没有明确两种结构的区分规则，而两种结构的位移角限值及其它构造措施却不一致，所以有必要对其进行对比分析，制定出两种结构体系的判别标准。

2 工程背景

本文以实际工程作为背景。某办公楼位于8度区，场地类别Ⅱ类，标准层高5.4m，共31层，结构总高度为167.4m。选取柱距为3.9m、4.875m、6.5m、7.8m作为对比模型，通过调整梁高，从四类模型中分别得出结构框架倾覆力矩占比、框架剪力占比、弹性层间位移角、框架柱轴压比这四个参数作为研究对象。

3 受力特性

3.1 框架倾覆力矩占比

框架倾覆力矩占比是框架-核心筒及筒中筒结构一个重要的参数。高规对于框架-剪力墙中框架倾覆力矩的占比有明确的规定，是框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构的区分依据。影响框架倾覆力矩占比的因素主要是外框架的梁柱刚度（也可以用开洞率去衡量）。

从计算结果可以看出，相同柱距下，随着梁高的增加，框架倾覆弯矩比有所增长，当梁高达到一定高度（2500mm）时，增长较为缓慢。相同梁高下，随着柱距的加大，框架倾覆力矩占比减小，变化比较均匀。对于稀柱框架，倾覆力矩占比很难达到40%。

梁高的增加对框架倾覆力矩占比有提高作用，在小柱距时体现较明显，稀柱时不明显。所以以开洞率作为衡量框架倾覆力矩占比的因素较为合理。开洞率对框架-核心筒结构和筒中筒结构的外框架刚度影响较大，高规规定：筒中筒结构洞口面积不宜大于墙面面积的60%。

当开洞率≤60%时，倾覆力矩可达到40%；开洞率进一步减小（实际工程中较少见到）时，倾覆力矩占比可达到近50%。开洞率大于75%时，倾覆力矩占比降低至10%左右，外框架受力很小，基本丧失抗侧作用，结构位移角也很难满足。因此筒中筒结构开洞率不应超过80%，开洞率在60%~75%时，倾覆力矩占比大约为40%~10%，外框架抗倾覆作用较小；当开洞率在60%以内时，倾覆力矩占比能达到40%以上，外框架抗侧作用强，结构整体抗侧性较强。[3][4][5]

3.2 框架剪力占比

跟框架倾覆力矩占比类似，框架剪力占比也是框架-核心筒及筒中筒结构中一个重要的参数。在相同梁高下，不同柱距对应的框架剪力占比变化较大：随着柱距的减小，框架剪力占比最大值出现的楼层下移。这是由于随着柱距的减小，外框筒刚度增大，结构变形向剪切型转变。当柱距为6.5m及以上时，外框筒剪力占比基本在15%以内，而柱距为3.9m时，对于底部楼层框架剪力占比要满足规范要求是很好实现的。由于剪力分配与剪切刚度有关，柱距较小时，框架柱总截面增大，框架剪力占比增大也不难理解。

3.3 弹性层间位移角

弹性层间位移角是结构刚度的一个直观的参数。当柱距不变时，随着梁高的增加，层间位移角下降比较明显，也就是说梁高对外框筒的刚度有显著贡献。梁高增大至某一阶段后，层间位移角不再随梁高增加而减小。当梁高不变时，随着柱距的减小，层间位移角下降很快，因此，要满足筒中筒结构弹性层间位移角限值1/1000的要求时，不仅需要较小的柱距，还要有较大的梁高。

3.4 框架柱轴压比

框架柱轴压比可以直观的描述结构的剪力滞后效应，剪力滞后对结构抗侧刚度影响较大，并且剪力滞后效应对结构自身受力也有负面作用。可以看出，随着柱距的增大，从角柱往中柱方向，轴压比减小速度加快，柱距较大时，第二颗柱子轴压比与中部柱轴压比相近，说明腹板框筒的剪力并未传递至翼缘框筒，结构整体受力较差。较小柱距下，即使梁高不是很大，框架柱轴压比减小缓慢，剪力滞后效应小，表现出较强的空间整体性，基本符合筒中筒的受力特性。

4结论

（1）判定结构属于筒中筒结构的标准：框架倾覆力矩占比≥40%；框架剪力占比≥15%；弹性层间位移角≤1/1000；外筒水平截面的竖向应变接近平截面假定。

（2）筒中筒结构梁高不宜过小，宜取柱距1/3，且梁高不宜小于1000mm。

（3）筒中筒结构开洞率不宜大于60%。

（4）一般情况下5m以内的柱距可以达到筒中筒结构的要求，超过5m后，增加梁高已不是最优方案，需重新调整柱距。

参考文献

[1]全国民用建筑工程设计技术措施-结构（混凝土结构）[M], 北京;中国计划出版社,2009.

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S], 北京:中国计划出版社,2009.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S], 北京:中国建筑工业出版社,2016.

[4]赵西安,现代高层建筑结构设计[M], 北京:科学出版社,2000.

[5]包世华,张铜生,高层建筑结构设计和计算[M], 北京:清华大学出版社,2007.