摘要：本文阐述框架-筒体结构的工作机理，以及对于该类型结构体系在设计时的普遍问题提供一些概念解释和解决方向。
关键词：框架-筒体；抗侧力；倾覆弯矩；周期比
随着建筑造型的越来越标新立异，以及建筑方案对空间布置，节能采光，立面效果的要求越来越苛刻。框架-核心筒的结构形式（以下简称框筒）越来越多的采用。这种结构方式兼具了框架结构的布置灵活，延性好，剪力墙结构的刚度大的优点。现在普遍用于建筑高度100米以下，设防7度以及7度以下的办公楼，研发中心，酒店等公共建筑。
但是正因为这种结构形式是两种结构体系应用到同一个建筑中，在结构设计中我们需要根据已有的建筑平面合理考虑两种结构体系各自的特性，以及它们之间相互的联系和作用。做到合理布局，提高效率，优化设计。
1.框架-核心筒体系的特点和理想的工作机理
对于框筒的结构体系，从整体变形上来说跟框架剪力墙结构体系有共同点，当框架部分的刚度能达到一定程度时，由于框架的变形是剪切形的变形曲线，而剪力墙是弯曲形的变形曲线，这种结构体系正好利用了这种变形曲线差异，兼具了剪力墙结构体系底部位移小的优点，框架顶部变形小的特性，克服了框架底部变形大，剪力墙体系顶部变形较大的缺点。
对于高层抗震结构，我们设计的目标它最终是以双重抗侧力的构件的形式工作的结构体系。对于框筒结构来说双重抗侧力构件，首先来说第一构件是筒体（本文主要指的是剪力墙形成的筒体），第二个构件是外围的框架结构。在设计时，两种抗侧力结构都需具备足够的刚度和承载力，能各自承受一定比例的水平荷载。并通过水平构件的连接而协同工作，共同抵抗外力。当水平侧力达到一定强度的时候，其中某一个体系部分因外力作用，达到极限承载力时从而屈服时，另外一个体系有足够的刚度和承载力来分担较多的地震作用，也可以单独的抵抗后续强度较小的余震。就框筒结构来说，筒体的刚度大，吸收的水平地震的剪力也大，变形比较小，当水平地震力达到一定强度后剪力墙的连梁和墙肢先屈服了，剪力墙的刚度降低，但是未完全退出工作。由于塑性内力重分布，这样框架就将承担更多的地震力，分担的地震力达到一定强度后，框架梁就产生了屈服，但是不能是破坏。两个前后“屈服”形成了二道的防线，来共同抵抗较大的地震作用（设防地震，罕遇地震下的地震作用）。
2.框架-核心筒结构设计要素
现在采用框架—核心筒的建筑，一般要求外围框架的柱距是比较大的，梁高较小，这样就进一步加重了剪力滞后效应。如果框架和核心筒之间没有足够刚度的水平传力构件，框架的轴力主要是以框架内部的传递为主，这样除角柱外，外围柱子的轴力都比较小，分担的倾覆弯矩和剪力也少，核心筒成为抗侧力的主要构件。框架作为二道防线与筒体共同抵抗外力作用的作用就削弱了；再者外围的框架刚度较小时，在弹性工作阶段时，建筑的整体的变形曲线仍以筒体的弯曲形曲线为主，在中震或者大震的结构进入弹塑性阶段，塑性内力重分布后，筒体刚度的减小，框架分担的倾覆弯矩和剪力应该有所增加。根据框架-核心筒的受力特点和工作机制，我们进行结构设计时首先就要注意两个问题。第一，外框架和核心筒之间必须要有足够刚度的水平传力构件，根据根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中9.2.3条，要求我们都是设计框架梁，使外框架柱的轴力加大，与核心筒共同作用，承受较大的倾覆力矩。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆分担一定比例的倾覆力矩和剪力，对于一些超高层建筑来说，仅仅依靠框架梁和楼板来传递水平力，是不够的为了更有效的利用外围框架的抗侧力作用，可以利用设备层或避难层的空间来布置结构水平加强层，通过在核心筒与外围框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件来增强整体结构的抗侧力刚度，形成更有效双重抗侧力的构件体系。第二，就是外围的框架柱的组成必须要有足够的刚度来承担筒体损伤后分担过来较多的地震力。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中9.1.11条，我们在设计时应提高外围框架的设计总剪力来计算外围框架柱的截面。但是外围框架的刚度也不宜过大，本人建议遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中8.1.2.2条典型框架-剪力墙的倾覆弯矩分担比例来要求，这样既分清了抗侧力构件的主次问题，又清晰的表明了框筒结构的传力机制。而且也有较好的经济性。
框筒结构因其本身的结构特点，在结构设计时就会带来一些难点。首先，从平面刚度上来说，框筒结构是一个外弱内强的体系，特别是当外围柱距大，梁高小，外围一圈框架的刚度弱，在第一振型是扭转的系数较大，很容易就超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中9.2.5条中不宜大于30%的规定，当剪力墙筒体比较不均匀，不对称，形心偏置的情况下，甚至超过百分之50%，第一振型成为以扭转为主的振型，第一周期成为扭转周期。以扭转为主的第一自振周期（Tt）/以平动为主的第一自振周期（T1）就达不到《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中9.2.5条中不应大于0.85的规定。这就需要我们在结构布置时就要有个整体的刚度强弱分布概念，首先是筒体和筒体之间的刚度分布，筒体与外围框架距离比较近的，离建筑平面的形心比较远的，刚度可以考虑做得弱一点；离建筑平面的形心较近的筒体可以将刚度做得大些。其次，对于外围框架的的刚度，离筒体比较近的刚度可以做得弱点，离筒体比较远的可以做得比较强点。对于剪力墙筒体，一般都是布置在电梯，楼梯组成的竖向交通组成的区域的四周，位置基本上不可能有大的变动，我们一般可以通过墙上开洞，或者是墙截面来对筒体刚度加以控制。外围框架的刚度可以通过柱截面，梁高来控制，当然在建筑要求比较苛刻的时候可以通过型钢柱，型钢梁来调整。
对于一些研发中心，公司总部来说，人流比较大，竖向交通电梯，楼梯以及它们的前室组成的区域就可能比较大，布置筒体时单片墙体就可能偏长，对一些超限的建筑，有性能设计要求时，墙体在中震和大震的情况下就很容易失稳。筒体比较大，当外围框架离筒体的垂直距离就已经比较大时，外围框架与筒体间的框架梁很难做到与剪力墙筒体端柱的连接，因为斜拉传力性能不好，也容易超了《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中9.1.5条中不能超过12m的规定。造成楼盖设计困难，设置内柱又会影响建筑功能的实现。框架梁与墙体垂直连接，在墙厚比较薄的情况下，应力集中造成部分墙体配筋过大，甚至超筋。也很难满足框架梁水平锚固长度0.4La的要求。这就要求设计人员尽量去优化结构布置，做到传力清晰，施工方便，连接可靠。—例如：1.当有条件采取连续梁的时候，应尽量采用。首先，对弯矩平衡起到很好的作用。其次容易满足锚固的要求。2.当墙厚较薄，又无法实现连续梁时。首先可考虑加强连接筒体的刚度；其次在满足计算的情况下，适当的减少梁的刚度，改变梁高，并且适当的考虑板的刚度。最后，仍应采取可靠的锚固措施，例如贴焊锚固、焊端锚板等。
3.总结
框筒结构的设计重点在于在内筒和外框刚度中找到一个平衡点，两者中的某个过强或过弱都是不利于框筒发挥他的抗侧力机制的，也缺乏经济型性。结构布置时，因此我们首先要对平面刚度的布置要有个概念上的整体的认识，在计算模型的建立的时候就能有的放矢，尽量使刚度中心靠近平面形心，做到该强的强，该弱的弱。外围的框架柱的布置是比较有规可循，难点主要在于柱截面和粱高的选取，得到一个比较适合的相对于筒体的刚度。对于筒体我们可以通过修改墙体厚度、开洞、加墙等方式来调整它的刚度。经过反复的调整计算得到一个比较好的整体性能指标。在构造上，我们应该特别注意外框架转角或开洞的位置，这些位置对扭转贴别敏感，对其周边的构件，要采取提高整体性的措施，例如加大板厚和板配筋率，采用双层双向钢筋等加强措施。
论文作者:吴仲平
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/17
标签：刚度论文; 框架论文; 结构论文; 构件论文; 体系论文; 剪力论文; 剪力墙论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;