浅谈框架-核心筒结构设计
摘要：在目前的办公楼、酒店等高层建筑中，由于建筑师对景观视野、空间分隔等建筑功能的高要求，结构师多趋向于采用框架-核心筒这一结构体系。本文从其抗侧刚度形成、地震剪力分配和如何提高整体结构延性等方面入手，结合工程实例，阐述了框架-核心筒结构设计中的一些概念和方法。
关键词：框架-核心筒 抗侧刚度 剪力分配 延性
本工程位于巴彦卓尔市临河区金川大道以东，由七层裙房和一座主塔楼组成，总建筑面积约2.6万平米，其中地上二十五层共2.25万平米，地下一层3500平米。地下室层高4米，1~7层层高4.5m，以上各层层高3.8m，结构总高97.45m。抗震设防烈度7度，0.15g，ⅲ类场地，100年重现期基本风压0.6kn/m2，地面粗糙度为b类。 本文只介绍主塔楼结构设计，由于裙房与主塔楼在0.00m以上采用伸缩缝分开，故主塔楼上部结构采取单独的计算模型进行分析，以下为主楼底层结构平面图和三维计算模型示意图。 1. 主体结构选型
本工程核心筒呈圆形，其高宽比为6.9，主外框柱绕其环形布置，整体结构基本均匀对称。中央核心筒内径14.1m，主外框柱距核心筒壁约9.2m。采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构形式，核心筒结合建筑中央楼电梯间布置贯通落地，于楼梯、电梯分隔处布置内隔剪力墙，这样既有利于建筑防火分隔要求，又提高了建筑平面使用系数，且易于发挥核心筒承重、抗侧力的核心作用。外框柱距也
较好地满足建筑对景观视野的要求，保证灵活的室内使用空间，提高建筑使用质量。
在这里先说明一下框架-核心筒的定义，《建筑抗震设计规范》gb50011-2010（以下简称《抗规》）表6.1.1注2：“框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构”，即筒体-稀柱结构。它要求核心筒必须能作为一个独立的悬臂筒体结构体系，可以承担绝大部分的剪力（一般可>85%）和大部分的倾覆弯矩(一般可>60%)，同时外框架必须是稀柱框架（柱距一般8~12m），只需承担很小一部分的剪力和相当部分的倾覆弯矩。根据这个内力分担特性，核心筒就显得非常之关键，因为一旦发生破坏，后果会比较严重，所以框架-核心筒结构的核心筒抗震要求比框剪结构中剪力墙更加严格。 而在抗震设计中为了能让稀柱框架有足够的承载力潜力起到二道防线的作用，通常要求稀柱框架承担的地震剪力不宜过小，比如大于15%（超高层也可能放松至5-10%）。这其实也就相当于要求柱截面的面积率不宜过小，因此可以得出一个很重要的概念：稀柱框架并不意味着减小柱的面积和线刚度，而是可以相对减小了梁的线刚度。
我们来看一下本工程底层柱承担的倾覆弯矩（kn·m）及地震剪力（kn）：
方向 柱倾覆弯矩 墙倾覆弯矩 柱倾覆弯矩百分比 x 171856 1039245 14.19% y 180658 972162 15.67%
方向 柱剪力 墙剪力 柱剪力百分比 x 758 13077 5.48% y 898 13124 6.4%
可以看出，结构底部核心筒承担了大部分的地震剪力和倾覆力矩，计算结果符合框架及核心筒的内力分担要求，是一个合理的结构选型，此时外框柱剪力尚需做进一步内力调整以满足二道防线的承载力要求。 2．结构的抗侧刚度
本工程采用整体现浇结构，属于刚接筒体-稀柱框架结构体系，楼屋面梁与中央核心筒及周边稀柱框架的连接为连续性刚接，连接节点不仅要承受和传递重力荷载及水平荷载作用下梁端剪力和弯矩，而且为了保证中央核心筒承载能力和整体结构抗震延性，通常会将重力荷载下核心筒应力水平比框架柱压应力水平控制低些，这样楼屋面梁就还要协调中央核心筒和框架柱之间轴向变形差异，使自身在重力荷载下已处于较为不利的较高应力状态。
楼屋面梁将中央核心筒和框架边柱层层相连，各层梁的抗弯刚度都发挥了作用，整体结构空间抗侧性能发挥极佳，周边稀柱框架不但没有剪力滞后效应，反而“剪力提前”——水平荷载方向上与楼屋面梁直接相连的框架边柱轴力、剪力反而比非荷载方向上柱大。由此可见，楼屋面梁非常有效地参与了整体结构抗侧工作，整个周边框架受力比较均匀合理。
为了有效发挥周边框架柱的抗侧作用，减小中央核心筒承受的