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篇一:[核心筒]300m超高层建筑核心筒设计思路
随着城市建设的快速发展及建造技术的不断提高，超高层建筑在城市中心拔地而起。据统计，全球100栋最高的建筑中45%位于为亚洲，而这其中的50%位于我国。超高层建筑高效利用了土地，美化了城市天际线，但其使用率偏低的问题一直饱受诟病。对此，笔者认为评价标准不能仅以使用率的高低作为依据，而应客观地认识到超高层建筑一般定位高端，配置较高，其功能的完备性与使用率之间存在着天然的矛盾。本文将对若干国内超高层建筑的核心筒进行研究，重点探讨了影响核心筒大小的各种因素和核心筒优化设计原则。
一、超高层建筑核心筒功能剖析
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超高层建筑大多采用“框架-核心筒”的结构形式，核心筒既是重要的结构受力部分，又是众多功能的聚集部分。笔者通过对广州利通广场、北京国贸中心三期、香港国际金融中心二期、广州西塔、南京紫峰大厦等超高层建筑的标准层核心筒进行了剖析，首先统计了核心筒中各功能空间的面积大小及所占比例，详见下表1和表2。
从上表的统计数据可见：
（1）电梯井道是核心筒中面积需求最多的功能空间，约占核心筒总面积的30%左右。
（2）各种设备机房和管道竖井是核心筒中面积需求第二的功能空间，约占核心筒总面积的15%；这其中又以空调机房的面积需求最大约占10%。
（3）卫生间、清洁间和茶水间等是核心筒中面积需求第三的功能空间，一般约占核心筒总面积的10%-12%。
（4）疏散楼梯是核心筒中面积需求第四的功能空间，一般约占核心筒总面积的7%。
（5）交通通道作为必要的联系空间，一般约占核心筒总面积的5%。
仅统计几个项目，数据的绝对值可能存在偏差，但核心筒中各功能空间的大小排序规律一般不变。虽然核心筒优化过程中每一个细节都不能放过，但根据大小排序来安排优化工作重点也不失为一个明智的工作方法。
二、超高层建筑核心筒大小影响因素分析▼
影响核心筒中各功能空间大小的因素非常复杂，本文将探讨最重要的两个。
（一）电梯井道
垂直交通系统是超高层建筑的运动神经，也是重要的客户体验界面，其重要性不言而喻，其设计的复杂程度也是超高层建筑设计中的难点。
影响因素1：业态功能\项目定位\运营模式
业态功能层面：“酒店+写字楼”的综合体和纯写字楼的单体在配置标准、电梯分区等方面存在较大差异，对电梯井道数量影响较大；
项目定位层面：国际顶级和国内甲级在候梯时间（国际顶级一般小于30s，国内甲级一般小于40s）、单梯服务面积等配置标准方面存在较大差异；
运营模式层面：自持经营和销售经营的项目在电梯设计方面考虑的侧重点不同，如有租赁多层的大客户也需要提前考虑，可能需要为大客户设置专属电梯；……
影响因素2：垂直交通系统设计方案
在设计标准相同的前提下，垂直交通的分区策略、收分策略和轿厢选型策略等都是影响核心筒使用率的关键因素。
超高层建筑一般采用“高中低直接分区”方案或“分区+空中大堂”方案。是否设置空中大堂？设置几个空中大堂？空中大堂设在什么位置？采用“提高梯速+降低数量”的策略还是“适中梯速+增加数量”的策略？另外，是否选用双层轿厢电梯？如果选用用在什么位置？全部采用双层轿厢电梯还是只有穿梭梯采用双层轿厢电梯？不同的电梯方案适应不同的业态或客户，有非常多种的组合……在达到同样设计标准的前提下，可以有“穿梭梯为双层轿厢+本地电梯为单层轿厢+一个空中大堂”、 “穿梭梯为双层轿厢+本地电梯为单层轿厢+二个空中大堂”，和“穿梭梯和本地电梯均为双层轿厢+二个空中大堂”的方案，所对应的客梯井道分别为28个、28个、24个，井道面积差异明显。如何取舍需要结合成本投入、使用率、系统使用便捷程度等综合考虑。
（二）设备机房、管道竖井
设备机房、管道竖井是超高层建筑的血液，是建筑赖以运行的基础，由于空调机房在设备机房中的面积占比较大，因此本文此处重点研究空调机房的影响因素。
影响因素1：业态功能\项目定位\客户定位
业态功能层面：“酒店+写字楼”的综合体和纯写字楼的单体在负荷需求、机房集中设置还是独立设置等方面存在较大差异；
项目定位层面：高端项目为了追求更高的舒适度，在空调系统方面往往采用全空气变风量空调系统（VAV系统），甚至是地板送风系统（香港汇丰银行）、辐射吊顶系统（广州珠江烟草大厦）；
客户定位层面：以金融客户为主力客户的项目，对备用发电机和备用制冷机组等要求有充分的预留，数据机房也需要设置独立的精密空调系统。
影响因素2：空调系统设计方案
目前高端项目较为流行“全空气变风量空调系统（VAV系统）”，而“地板送风系统、辐射吊顶系统”也有少量应用，低端项目则大多采用风机盘管系统。不同空调系统的机房设置位置不同，机房尺寸也有所差别，一般而言，地板送风系统的空调机房最大、VAV系统的空调机房次之，风机盘管系统的空调机房最小，而辐射吊顶系统空调机房集中设置在避难层，标准层核心筒中不需要设置。
（三）卫生间、清洁间等
卫生间作为重要的客户体验界面，是很多项目都会进行重点设计的空间。
影响因素1：项目定位
很多定位高端的超高层项目都会提升配置标准：如加大厕位和洗手池的配置数量，如女卫增设化妆区，再如设置行政卫生间或淋浴间；有些重视健康环保的项目还会设置垃圾集中处理间……这些配置的提高无疑将会加大核心筒面积。
影响因素2：核心筒的几何形状
由于电梯井道、楼梯间、卫生间等都是方正空间，最易被方正核心筒容纳，因此方正核心筒最为高效；异形核心筒在容纳方形空间后将产生大量零星的异形空间，虽然这些零星空间可以部分地被管井利用，但仍然存在着一定数量的浪费。
这一点在广州西塔、南京紫峰大厦这两个三角形核心筒的项目上表现得非常明显，它们的标准层使用系数分别为71%、70%，低于同档次同高度正方形核心筒标准层使用系数1.5%-3%左右，详见表1。
（四）疏散楼梯
疏散楼梯根据消防规范是核心筒中必不可少的空间，其影响因素相对稳定，优化空间有限。
影响因素1：设计规范
根据最新的建筑设计防火规范，当设置自动灭火系统时，高层民用建筑的最大防火分区为3000平方米，每个防火分区应设置一部疏散楼梯。老规范为2000平方米。因此，标准层面积的设置应该经济合理，避免出现标准层面积超出规范一点而要多设一部疏散楼梯的情况。
另外，各地的规范审批尺度有所不同，有一些特殊案例，本文暂不做讨论。
影响因素2：核心筒的几何形状参见（三）2。
（五）交通通道
交通通道起到了联接作用，是核心筒中必不可少的组成部分，其面积大小主要取决于核心筒的布局方式，也跟垂直交通方案密切相关。
影响因素1：核心筒的布局方式
在容纳相同功能空间的前提下，不同核心筒布局方式会影响核心筒使用。
在分区前提下，如穿梭梯设置在核心筒外围，那么在上部穿梭梯取消后的面积可以用来出租经营；如设置在内部则无法整体上收缩核心筒，虽然能够利用该区域作为其他用途，但是从统计口径无法提高使用率。
下面的案例则很好地体现了核心筒随低区电梯井道取消后进行收缩，释放的面积可以很好地作为使用面积。
另外，在相同功能空间大小的情况下，不同的核心筒布局方式也将对核心筒的使用率有一定的影响，主要体现在对交通通道的利用上，一般而言一字型布局的交通面积最省。
三、核心筒各功能空间的优化策略▼
从以上分析可见，最好的设计方案应该是实现了较高使用率与较高品质共存的平衡方案。超高层建筑核心筒优化策略可概括为如下几个方面：
（1）由于电梯井道在核心筒中所需面积最大，而且电梯系统也是重要的客户界面，因此，垂直交通系统设计是超高层建筑优化核心筒关键中的关键。这需要处理好垂直分区和核心筒收分策略、穿梭梯在核心筒内的具体位置、电梯轿厢选择等系统性问题。
设计难度系数：★★★★★
（2）建筑体型应尽量方正而规整，避免异型空间带来的浪费。（核心筒形状一般与建筑平面相符）。
设计难度系数：★
（3）标准层面积的设置应经济合理，避免出现标准层面积超出规范一点而要多设一部疏散楼梯的情况。
设计难度系数：★
（4）卫生间、清洁间等需要结合项目定位、客户定位进行适配设计，不建议过分压缩这部分面积，但也不需要过分配置。某些配置了行政卫生间的项目多租户出租，物业给每个租户1-2把行政卫生间钥匙，这种情况下行政卫生间的使用率很低，因为这部分客户并不希望跟别人共享卫生间，实际上失去了行政卫生间的意义。
设计难度系数：★★
（5）设备机房、管道竖井需要结合业态功能、项目定位等进行适配设计，高效利用空间，合理预留。
设计难度系数：★★★★
本文仅探讨了超高层建筑核心筒优化的原则性和方向性问题，还有很多具体内容未深入展开，抛砖引玉，供大家参考，还望指正。
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篇二:[核心筒]最牛一梯三户是这样布局的，值得所有人学习
高层住宅，一梯两户非常浪费公摊面积，一般用户大户型产品；一梯四户设计品质有明显下降，如此一来，一梯三户就成了高层住宅的主流布局。今天就邀请专家分享最走心的一梯三户布局设计1户型布局分类T字形平面布局
适用地区：南方
优点：
1.中间户三面采光，通透性好、户型设计自由度大
2.端头户面宽大进深小、南北通透
缺点：
1.中间户对端头户造成视线及日照遮挡
体型系数大，不节能，中间户对端头户会形成日照遮挡，在北方地区部不适用
在南方地区要根据日照分析确定是否适用
一字形平面布局
适用地区：南方北方均适用
优点：
1.体型方正、节能，户型紧凑、省地
2.中间户对端头户的日照及视线遮挡小
缺点：
1.中间户只有南侧可采光、无南北对流
2.端头户进深大面宽小
2T字型平面布局
竖向通道核心筒
12-18层竖向通道核心筒（约40㎡）
公共通道竖向设置、楼梯和电梯分列两侧
端头户从通道的上方入户，通常设入户花园
中间户从通道的下方入户（可设置入户花园、也可以做成通道）
优点：
候梯厅空间方正，自然通风采光、使用感觉和档次较高
缺点：
核心筒面积大
横向通道核心筒
12-18层横向通道核心筒
采用对面式横向通道核心筒
从户型中部入户，无入户花园
横厅设计
北向横厅：
餐厅及客厅朝北，视线完全无遮挡，适用于对朝向无严格要求或者强调北侧景观优势的户型。
南向横厅：
保证客厅朝南，但是餐厅视线受遮挡，卧室只有主卧朝南
优点：
节省北向面宽、核心筒及通道面积
缺点：
部门入户门正对电梯
U形通道核心筒
12-18层U形通道核心筒：
核心筒：
电梯与楼梯集中布置，公共通道包围核心筒
优点：
户型入口位置灵活
端头户型可以从北侧入户，也可以从南侧、中部入户
缺点：
核心筒公共通道面积长，核心筒面积大
端头户
如不拼接则三面采光
餐厅和客厅可以形成南北对流
在紧贴核心筒的位置南侧视线通常受中间户遮挡，所以一般设置辅助、次要生活空间（如次卧），保证客厅的视线不受遮挡
其余设计手法基本同一梯2户
三房两厅两卫-形式1
起居空间位于中部
卧室分列两侧
厨房设置在餐厅北面或侧面
三房两厅两卫-形式2
起居空间与卧室分列两侧
优点：
动静分区明确
缺点：
户型整体往单侧偏，对后侧端头户的影响较大，适用于Y字型平面
入户花园的位置
起居空间位于中部
户型实例
3Y字型布局
Y字形-竖向通道核心筒
为了避开中间户型的遮挡，在用地宽裕的项目中，常采用Y字型设计
与T字型的区别主要在于核心筒：
1 . 公共通道变成Y字，北侧横向通道空间加长、公摊面积增加
2 . 端头户与核心筒交接处存在梯形空间，通常设置为厨房、卫生间、储藏间等次要空间
Y字形-户型平面
Y字型核心筒：（约80㎡）
优点：
与T字形相比客厅的视线开阔性更好
缺点：
公摊增加适用于大户型
三房两厅两卫-形式2
起居空间位于一侧，起居空间与卧室分列两侧
优点：动静分区明确
缺点：户型整体往单侧偏，对后侧端头户的影响较大，适用于Y字型平面
4一字型布局设计
独立公共通道核心筒
12-18层竖向通道核心筒（约40㎡）
公共通道竖向设置、楼梯和电梯分列两侧
端头户从通道的上方入户，通常设入户花园
中间户从通道的下方入户（可设置入户花园、也可以做成通道）
优点：
候梯厅与入户通道分开，空间方正，自然通风采光、使用感觉和档次较高
缺点：
核心筒面积大
横向通道核心筒
优点：
候梯厅与入户通道合并，节省了核心筒面积
缺点：
入户空间与候梯厅没有独立，使用感觉不如前一种核心筒
楼梯和一部电梯在一侧
另外一部电梯在对面
优点：
节省面宽、节省通道面积
缺点：
中间户入户通道较长，建筑立面凹凸较多
两部电梯分列楼梯两侧
优点：
将候梯厅与公共通道合并，节省核心筒通道面积
缺点：
入户门和候梯厅距离较近，私密性不够好
端头户
南北通透，与T字形相比基本不受中间户的遮挡，客厅通常紧贴中间户
形式1：2+0.5+0.5个开间
将卧室和和卫生间放在同一侧，在卫生间主卧之间增加一个书房，主卧突出客厅，客厅阳台为凹阳台
缺点：客厅背景墙偏短
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篇三:[核心筒]钢框架
钢框架-核心筒结构不对称斜柱设计分析
钢框架-核心筒结构不对称斜柱设计分析 吴申申1,2,* 张雪峰2 袁兴方2 (1.同济大学土木工程学院,上海 200092; 2.华东建筑设计研究总院,上海 200002) 摘 要：不对称斜柱设计比以往常见的对称斜柱设计形式更加复杂,因此以某钢框架-核心筒结构的超高层塔楼为例,阐述了不对称斜柱结构的受力分析。提出了针对不对称斜柱采取的措施,以及对斜柱层采取0.2Q0剪力调整的方法,同时采用ABAQUS对斜柱层水平钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点进行分析,证明了此节点设计的可靠性,希望能够对类似的项目提供参考。 关键词：不对称, 斜柱, 节点设计 1 概述 框架核心筒体系在国内超高层结构形式当中普遍被工程师所接受。随着人们对建筑外形创新的不断追求,越来越多的建筑师要求采取斜柱的形式,来突显立面造型,同时也增大了楼层内部的适用空间。然后大多数斜柱形式都是对称的布置,包括外斜和内收的形式。此种结构方式虽然对框柱节点区产生较大的轴力和剪力,但是在竖向荷载作用下对于整体结构的受力属于平衡状态,核心筒所承担的由于重力荷载产生的附加剪力和弯矩几乎为零。然而当建筑两侧斜柱不对称布置时,则大大增加了结构设计的难度[1]。 昆山研祥国际金融中心项目为满足建筑立面的需要,主塔楼在第5～8层,21～27层,46～49层的南北侧外框柱采用斜柱形式[2]。本文基于此项目重点阐述了针对不对称斜柱布置对结构体系的影响,并提出了相应的解决方法,同时对斜柱节点进行了有限元的分析。研祥塔楼结构立面简图如图1所示。 2 斜柱楼层的传力途径 2.1 对称斜柱 斜柱层的水平分力通过楼层水平构件传递到核心筒,从而造成斜柱楼层范围内的核心筒产生水平附加剪力。根据斜柱的布置形式,以及荷载的作用方向,均会影响斜柱层范围内核心筒的水平剪力大小。
图1 研祥塔楼结构立面图Fig.1 Structural elevation of Yanxiang Tower
对称斜柱的传力示意图如图2所示。 得出以下两点结论: (1) 在竖向荷载作用下,对称内收与外斜的斜柱布置时,核心筒承担的附加剪力和弯矩接近为零。 (2) 在水平荷载作用下,对称内收斜柱布置时,斜柱轴力产生的水平分力与水平荷载作用方向相反,能够有效减少核心筒承担的水平剪力;对称外斜斜柱布置时,斜柱轴力产生的水平分力与水平荷载作用方向相同,则加大核心筒承担的水平剪力。 2.2 不对称斜柱 不对称斜柱层框架与核心筒(刚性杆假定)传力示意图如图3所示。 得出以下两点结论: (1) 在竖向荷载作用下,不对称内收与外斜的斜柱布置时,核心筒承担的附加剪力即为斜柱轴力水平分力。 (2) 在水平荷载作用下,不对称斜柱布置与对称斜柱布置对剪力墙的受力性质相同;然而不对称斜柱布置比对称布置的核心筒所承担的附加剪力和附加弯矩在同等条件下(例如,斜柱倾斜角度、上部传递的楼面荷载、楼层高度等)要少一半左右。
图2 对称斜柱传力示意图Fig.2 Sketch of force transmission of symmetric inclined column
图3 不对称斜柱传力示意图一Fig.3 Sketch 1 of force transmission of asymmetric inclined column
3 研祥塔楼不对称斜柱结构的受力分析 3.1 理论分析 研祥塔楼采取了钢框架-核心筒的结构体系,剪力墙通过连梁连接形成核心筒结构。因此,在上节提到的不对称斜柱简化模型基础上,考虑连梁的作用,不对称斜柱层框架与核心筒的传力示意图如图4所示。 在刚性杆假定下,斜柱起止层的水平力由与之相连的梁轴力平衡,上下相邻层均不承担水平力;由于本工程核心筒为多片剪力墙和连梁围合而成,连梁在剪力墙之间起到了直腹杆作用,因此在斜柱层及临近楼层范围内除轴向力外还承担了弯矩和剪力,其余楼层基本同普通连梁;在斜柱层的相关剪力墙主要承担弯矩、剪力和轴力(部分轴力为桁架效应引起)。 由于斜柱均出现在Y方向,Y方向核心筒剪力墙在斜柱层出现了较大的附加弯矩和剪力,随着远离斜柱层,弯矩和剪力逐渐变小;而X方向核心筒剪力墙除了在32层(加强层)出现了较小的弯矩,其他楼层的附加弯矩很小。 3.2 斜柱起止层水平分力统计 基于上节的分析,在竖向荷载下斜柱轴力的水平分力转化为框柱和墙的剪力,因此通过Midas Gen计算得出如表1所示的数值。
表1 斜柱起止层水平分力统计
Table 1 Statistics of horizontal forces in floors with inclined columns
楼层荷载水平剪力/kN墙柱墙、柱合计重力荷载水平分力/kN5层恒载1444879212236922954活载45532598715172818层恒载1400975792158822159活载441324966909709821层恒载1314965081965719779活载451121056616666124层恒载1668314461812818598活载55975556152631827层恒载1130250701637116698活载347915605039513246层恒载4089270667956930活载11098171926198149层恒载269045731463249活载6462939391064
图4 不对称斜柱传力示意图二Fig.4 Sketch 2 of force transmission of asymmetric inclined column
可以看出斜柱根部水平分力与柱墙剪力和非常接近,基本平衡,这与理论分析的结果相符。由于本工程实际构件并非刚性杆,受力形式接近于竖向悬臂桁架结构,通过Midas Gen对斜柱层分析,以5～8层为例,计算显示,5层斜柱的水平分力为拉力,主要通过5层的梁传至核心筒,占总水平分量的2/3左右;8层斜柱的水平分力为压力,主要通过8层及上下相邻层的梁传至核心筒;5～8层框架柱也承担了部分水平分力,该部分水平分力转化为框架柱剪力,约占总水平分力的1/3;其余水平分力通过相邻层框架梁和连梁等水平构件以轴向力和弯矩形式转换到剪力墙和框架柱。 3.3 附加剪力下的剪力墙斜截面承载力验算 由于SATWE计算剪力墙剪力时忽略了斜柱层水平力对剪力墙剪力的影响,因此本工程采用空间结构设计软件Midas gen复核核心筒剪力墙的抗剪承载力,其中核心筒示意图如图5所示,表2和表3分别表示5层以及8层的芯筒外墙剪力统计,得出了重力荷载附加剪力的比例。通过附加剪力及相应附加弯矩下的内力计算,校核剪力墙在最不利工况下的承载力大小,如表4所示(仅举例附加剪力下的5层核心筒外墙内力统计)。
图5 核心筒布置图Fig.5 Plan of shear walls
表2 5层芯筒外墙剪力统计
Table 2 Statistics of shear forces in external shear walls of 5th floor
墙肢编号恒载/kN活载/kN中震/kN中震弹性1．2×(恒+0．5×活)+1．3×中震重力荷载附加剪力比例WY?11187264535840．04WY?211833539358137970．12WY?313917532771020．03WY?435867275640530．12WY?510137227531010．05WY?6144545211473169200．12WY?7598162667094860．09WY?811331245733480．05
表3 八层芯筒外墙剪力统计
Table 3 Statistics of shear forces in external shear walls of 8th floor
墙肢编号恒载/kN活载/kN中震/kN中震弹性1．2×(恒+0．5×活)+1．3×中震重力荷载附加剪力比例WY?1652203384559030．15WY?21793540547295890．26WY?31228395415571120．24WY?41513489381570690．30WY?5280109295642440．10WY?621256486715116680．25WY?71773514513291080．27WY?81248411313158150．30
表4 附加剪力下五层芯筒外墙内力统计
Table 4Statistics of internal forces in external shear walls of 5th floor under additional shear force
墙号N/kNW/kNV/kNNmax+MmaxNmin+MmaxNmax+MmaxNmin+MmaxNmax+MmaxNmin+MmaxWY?191635-1962215276-126423585-3292WY?299712-529447017-3882013797-10534WY?379531-1294822166-194557102-6749WY?495727-1479118496-89744053-3113WY?589470-1635017925-129743102-2814WY?698956-559055548-4413916920-12910WY?776371-1161928213-233509486-7858WY?895125-1669617324-119723347-3040
3.4 楼面水平斜撑内力 选取重力组合工况下和中震组合工况下5层楼面水平斜撑内力(不考虑组合楼板的作用),见图6、图7。内力单位为kN。
图6 重力组合作用下5层楼面梁内力图(单位:kN)Fig.6 Internal force diagram of beams in 5th floor under combined action of gravity (Unit:kN)
图7 中震组合作用下5层楼面梁内力图(单位:kN)Fig.7 Internal force diagram of beams in 5th floor under combined action of medium earthquakes (Unit:kN)
当考虑楼板作用时,楼板水平斜撑的内力下降很多,所以水平斜撑按照不考虑楼板作用的工况设计,显得较为安全。 4 针对不对称斜柱采取的措施 上节介绍了不对称斜柱结构的受力分析,由于斜柱层连接斜柱与核心筒的框架梁承担着较大的斜柱轴力的水平分力(拉力及压力),因此通过设置水平钢斜梁来分担水平力,提高楼面水平向抗侧刚度;同时在核心筒中埋设型钢与框架梁连接(传递轴力为主),用以平衡水平力。则措施具体介绍如下: (1) 框架梁布置时尽量形成带平面斜撑的平面桁架,以提高楼面水平刚度。 (2) 加大外围框架梁(平面桁架的弦杆)截面。 (3) 斜柱层起始层:受压楼层选取板厚为160 mm钢筋桁架楼盖;受拉楼层选取板厚为180 mm钢筋桁架楼盖。斜柱层起始层相邻上下各一层:选取板厚为140 mm钢筋桁架楼盖;并根据楼板应力分析针对性加强楼板配筋。 (4) 核心筒翼墙及其内置预埋的型钢;核心筒腹墙及其内置预埋的型钢。
图8 斜柱层楼面结构体系Fig.8 Structural system of floor with inclined columns
5 对斜柱层采取0.2Q0剪力调整的方法 根据《建筑抗震设计规范》[3]要求,对于框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构,任一层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%和结构体系中框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。 SATWE计算斜柱刚度时,当斜柱与竖轴的角度小于20度时,则按柱子考虑。当进行地震剪力计算时,SATWE计算斜柱底下产生的剪力包括两部分:一是按照侧向刚度分配产生的地震剪力;二是由于地震所产生斜柱轴力的水平分量。这样当斜柱外斜时,斜柱分担的剪力为V2- Vc,剪力偏小而放大地震倍数;当斜柱内收时,斜柱分担的剪力为V2+ Vc,剪力偏大而减少地震倍数,如图9所示。
图9 斜柱层地震下楼层剪力示意图Fig.9 Sketch of shear forces in floor with inclined columns
笔者认为,当计算0.2Q0剪力调整时,不应考虑斜柱轴力的水平分量,应从楼层抗侧构件的刚度出发,进行框架部分地震力的剪力调整;且复核核心筒产生的附加剪力从而考虑轴力分量产生的水平力,这部分内容上节已介绍。因此,在计算斜柱外斜的楼层时,应补充轴力产生的水平分量;在计算斜柱内收的楼层时,应扣除轴力产生的水平分量,如图10和图11所示。
图10 Y方向0.2Q0剪力曲线Fig.10 0.2Q0 shear adjustment in Y direction
图11 Y方向外框柱剪力/总剪力Fig.11 Shear forces of external frame columns to total shear forces in Y direction
图12 中震和大震作用下两个节点的应力云图Fig.12 Stress contour plot of two connections under medium and major earthquakes
6 节点分析 斜柱层处楼面钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点受力较复杂,需使得钢构件在剪力墙中充分锚固,保证节点在不利工况下不发生破坏[4]。本项目选取受力较大楼层的关键节点,采用ABAQUS有限元软件进行受力分析。建模方法:所有单元均采用实体单元建模,网格划分较精细;考虑型钢混凝土墙体中混凝土部分,钢柱以及钢梁的约束端位置定为离节点边缘3倍截面高度的地方;同时在钢柱和钢梁的端点处施加荷载;混凝土本构采用混凝土损伤塑性模型(图14),钢材本构采用强化的两折线模型(图15)。图12所示应力云图呈现出5层楼面层处水平钢斜梁与核心筒连接节点,在重力荷载和中震组合工况下(简称“中震工况”)以及重力荷载和大震荷载组合工况下(简称“大震工况”)的承载力大小,其中图13描述该研究节点的所在位置。 分析结果表明:两种工况下此楼层处的节点均能够满足承载力极限状态要求。对于节点一,中震工况和大震工况作用下,节点应力最大处分别为201 MPa及292 MPa,整个节点域没有达到屈服状态; 对于节点二,中震工况和大震工况作用下,节点应力最大处分别为251 MPa及346 MPa,可见大震工况下连接板与梁翼缘连接处局部出现屈服。因此可见节点一的抗震性能较强,而节点二连接板处需适当增加连接板厚度,或者采取局部加强措施,从而保证节点域在大震下不发生屈服。综上所述,此连接节点的设计形式符合抗震性能设计要求,具有良好的传力和受力特性。
图13 5层楼面结构三维图Fig.13 Three-dimensional view of 5th floor
图14 混凝土材料本构模型Fig.14 Constitutive model of concrete
图15 钢材材料本构模型Fig.15 Constitutive model of steel
7 结 语 对于不对称斜柱的框架核心筒结构,需要考虑由于斜柱轴力产生的水平分力导致核心筒的附加剪力以及附加弯矩;同时通过增设水平钢斜梁以及墙内埋置型钢等措施增强结构的抗侧力,从而平衡斜柱产生的水平力;其次需调整斜柱层的0.2Q0剪力系数,避免楼层地震力分配发生突变情况;最后深化斜柱层处钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点设计,保证节点处水平力的可靠传递。基于以上四个方面,能够更好地完成带有不对称斜柱形式的框架-核心筒的结构设计。本文所介绍的关于不对称斜柱设计的分析以及采取的措施,希望能给类似的项目提供有意义的参考。 参考文献： [1] 李风河.斜柱在高层建筑中的应用[J].平顶山工学院学报,2008,17(5) :59-61. Li Fenghe.Application of inclined column in high-rise structure [J].Journal of Pingdingshan Institute of Technology,2008,17(5):59-61.(in Chinese) [2] 张雪峰,吴申申,袁兴方.昆山研祥国际金融中心超高层结构设计[J].结构工程师,2016,32(5):27-35. Zhang Xuefeng,Wu Shenshen,Yuan Xingfang.Structural design of Kunshan Yanxiang international financial center[J].Structral Engineering,2016,32(5):27-35.(in Chinese) [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese) [4] 徐忠根,程定荣,邓长根.钢框架柱外传力节点试验与有限元分析[J].建筑结构,2013,43(9):62-65. Xu Zhonggen,Cheng Dingrong,Deng Changgen.With the finite element stress analysis of steel frame column outside the test node [J].Journal of Building Structures,2013,43(9):62-65.(in Chinese) Analysis and Design of Asymmetric Inclined Columns in Steel Frame-core Tube Structures WU Shenshen 1,2,* ZHANG Xuefeng2 YUAN Xingfang2 (1.College of Civil Engineering Tongji University, Shanghai 200092, China;2.East China Architectural Design & Research Institute, Shanghai 200002, China) Abstract：It is more complicated to design asymmetric inclined columns compared with that of symmetric ones. In this study,structural analysis of a steel frame-core tube structure is conducted to illustrate the design method.Structural measures and a method termed 0.2Q0 shear force adjustment method are presented for floors with the inclined columns.Connections between the horizental inclined steel beams and the embedded profile steel columns of the core tube are analyzed using ABAQUS,and the reliability of the connection design is verified,which is expected to be referenced for other similar projects in future. Keywords：asymmetry, inclined column, joint design 收稿日期：2016-03-24 *联系作者， Email:[email protected]
