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高层建筑筒体结构理论分析及拟动力试验的研究（可编辑）
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3秒自动关闭窗口高层建筑筒体结构整体升降模板施工技术探讨--《科技信息(科学教研)》2007年21期
高层建筑筒体结构整体升降模板施工技术探讨
【摘要】：整体升降筒体模板工艺,比通常采用塔式起重机完成筒体模板升降作业,可以节省大量台班吊次,操作容易掌握,工程质量易保证,便于施工管理。节省外脚手架费用约50%,随楼层逐层升降,比采用散支散拆组合式模板可减少模板投入量约5O%,由于工序单纯简练,显著提高了工效。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TU974【正文快照】：
0.前言现代高层建筑,超高层筒体结构现浇建筑整体提模施工法(又称升降法),是一种在升板法基础上改进发展起来的一种新的施工法,适用于筒体结构。这种方法是运用升板机来逐层提升墙、柱、梁侧模的方法。模板由底层逐层提升到顶层,完成筒体全部结构工程后再拆除。它的升模系统
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［摘要］ 超高层建筑中核心筒承担着实现建筑功能和抵抗荷载的重要角色，通常布置在建筑平面的中心。介绍一种新型的核心筒结构体系&&&组合式核心筒，核心筒以多个角筒形式分散布置在建筑平面内，各角筒通过拉结大梁连成一体。对拉结大梁的数值模拟方法进行探讨，并对组合式核心筒的刚度进行比分析，同时还对关键构件的受力进行详细分析。研究结果表明: 组合式核心筒的拉结大梁应采用墙单元来模拟; 与中心式布置的核心筒相比，组合式核心筒的抗侧刚度和抗扭刚度明显削弱; 组合式核心筒中拉结大梁对整体度影响很大; 设计中应对核心筒角部墙体、拉结大梁端部的楼板等重要部位进行加强。
［关键词］ 组合式核心筒; 拉结大梁;抗侧刚度；设计要点
&&&&&&& 0 引言
&&&&&&& 超高层建筑中核心筒承担着实现建筑功能和抵抗荷载的重要角色，通常布置在建筑平面的中心。为满足建筑特殊的功能要求，如开阔的中庭，核心筒可设计成组合式筒体，由角筒及联系角筒的大梁或支撑组成( 图 1) 。其中，角筒布置在中庭周边，角筒之间通过大梁或支撑等构件相连，使周边交通形成整体共同抵抗水平力，从而在建筑中央形成开阔的空间。在框架-核心筒结构体系中，组合式核心筒仍是结构竖向承重和水平抗侧力体系的重要构件。但与普通的核心筒( 如整体式核心筒) 相比，组合式核心筒的布置、受力和性能等有自身的特点。结合实际工程，对其主要受力特点和力学性能进行研究，对组合式核心筒的主要构件进行受力分析，在此基础上，对关键构件的设计提出相应的建议。
&&&&&&& 1 组合式核心筒布置
&&&&&&& 1． 1 工程概况
&&&&&&& 工程为某谋高级办公楼，地下4层，地上32层，地上建筑面积约 11．5万平米，地下建筑面积约25 000平米。主楼平面形状接近正方形，平面尺寸约 60m & 60m，标准层层高为5． 2 ～ 5. 5m，屋面结构高度约为 184m，建筑装饰构架最高点约为 200m。主体结构体系采用框架-核心筒结构 ( 图 2) 。外框架由 12 根型钢混凝土柱和钢框架梁组成，外围柱距分别为 15m 和 18m。型钢混凝土框架柱截面尺寸沿高度由1 800mm & 1800mm变化至 1 400mm& 1 400mm，型钢含钢率约为 6% 。钢框架梁采用焊接 H 型钢，高度 1 200mm。楼面次梁与混凝土芯筒采用铰接，简化节点构造并减小框架柱与核心筒之间竖向变形差引起的附加内力。楼面采用压型钢板上铺钢筋混凝土板的组合楼板，楼板总厚 150mm。&
&&&&&&& 图 1 组合式核心筒86 000m2
&&&&&&& 图 2 标准层结构平面布置图
&&&&&&& 1． 2 组合式核心筒布置
&&&&&&& 核心筒采用钢筋混凝土结构，为满足建筑营造的开阔中庭，核心筒采用组合式核心筒。钢筋混凝土核心筒由 4 个角筒以及连接角筒的拉结大梁和竖向支撑组成。4 个角筒呈正方形，边长约 7． 5m，间距 15m，组成核心筒平面尺寸约为 30m & 30m，从底层至屋面形成建筑中庭。4 个角筒外侧在楼层处由高 2. 5m 的型钢混凝土大梁拉结，内侧由 4 榀连续布置的跨层单斜杆中心支撑连接。角筒的外侧墙肢厚度沿高度从 1 350mm 变化至 600mm，内侧墙肢厚度从 650mm 缩小至 450mm。1. 3 组合式核心筒布置特点相比整体式的核心筒，组合式核心筒布置有以下特点: 1) 核心筒名义高宽比小。组合式核心筒内含开阔的中庭，核心筒的总宽度为角筒的宽度与中间拉结大梁跨度之和，达 30m，总宽度比普通核心筒大，核心筒名义高宽比小，约为 6. 1，常规核心筒高宽比约大于 10; 2) 核心筒周边墙肢总长度少。组合式核心筒的周边墙肢主要是角筒的外围墙肢，为保证较高面积利用率，核心筒的总宽度往往有严格控制，由于墙肢只能布置在四周角筒上，因此组合式核心筒周边墙肢总长度较少，工程周边墙肢( 不含拉结大梁) 总长度约 60m; 3) 外围墙肢开洞率高。核心筒内主要为设备和竖向交通用房，有许多设备管道会进出核心筒，加上建筑所需的门洞，核心筒的外围往往有大量的开洞。对组合式核心筒，这些开洞就集中在角筒外围的墙肢上，由于角筒外围墙肢总长度较少，因此墙肢的开洞率较高，工程的外围墙肢开洞总宽度( 不含拉结大梁) 约 21m，外围墙肢开洞率高达 35% 。大量的开洞还导致墙肢被分成较短的墙段，形成大量短肢剪力墙。
&&&&&&& 2 组合式核心筒拉结大梁模拟
&&&&&&& 我国规范对跨高比不同的连梁设计给出了具体的规定和要求，而实际上，计算分析中特殊连梁的模拟方法对计算结果也有很大影响。采用通用 ETABS 软件进行模型对比分析。分析对象为通过拉结大梁联系的两个角筒，角筒的墙肢和连梁用壳单元模拟，拉结大梁分别采用壳单元和梁单元来模拟，见图 3。墙肢底部为固接。材料均为钢筋混凝土，混凝土强度等级为 C60。分析中比较不同高宽比时模型的抗侧刚度 K，K= F / &D，&D 为顶部单位水平力 F 作用下的顶部水平位移。不同高宽比模型的抗侧刚度见表 1，拉结大梁采用壳单元模拟时，结构刚度明显大于采用梁元模拟的结果。不同高宽比的拉结大梁采用不同的单元模拟时，两者比值 KA/ KB约在 2. 1 ～ 3. 1。其中，KA为壳单元模拟下模型的抗侧刚度，KB为梁单元模拟下模型的抗侧刚度。&
&&&&&&& 图 3 不同单元模拟拉结大梁的墙体变形比较
&&&&&&& 不同单元模拟拉结大梁的结构抗侧刚度比较 表 1&
&&&&&&& 从墙体变形的局部放大图( 图 3) 可以看出，采用壳单元模拟拉结大梁时，拉结大梁可以有效约束墙肢的转动，协调两端剪力墙的变形，使拉结大梁两端的墙体形成更好的共同工作。
&&&&&&& 分别采用壳单元和梁单元模拟本工程的拉结大梁，整体结构前 3 阶振型比较见表 2。拉结大梁用梁单元模拟时，结构刚度明显变弱，抗扭刚度下降更为明显，第 1 阶振型变为结构扭转。
&&&&&&& 本工程的拉结大梁跨高比为 6，一般情况此类跨高比的连梁可用梁单元模拟，但由于组合式核心不同单元模拟拉结大梁的结构前 3 阶振型比较 表 2&
&&&&&&& 筒的拉结大梁，梁高较高，接近层高的 1 /2，拉结大梁对墙肢的变形有很大的约束作用，是 4 个角筒共同形成整体工作的主要构件，采用梁单元模拟拉结大梁会严重弱化这种约束，带来较大的误差，因此必须用壳单元模拟。
&&&&&&& 3 组合式核心筒的刚度分析
&&&&&&& 3． 1 抗侧刚度
&&&&&&& 抗侧力体系由组合式核心筒和外框架组成，其中组合式核心筒的刚度由支撑和角筒及拉结大梁组成的芯筒提供，芯筒、支撑和框架对整体刚度的贡献见图 4。三部分中，外框架承担 8% ～ 20% 的水平力，芯筒承担约 75% 的水平力，支撑承担 5% ～ 20%的水平力。若不考虑支撑对组合式核心筒的贡献，和核心筒高宽比相同的常规框架-核心筒结构相比，组合式核心筒对结构提供抗侧刚度的比例偏低约10% ，说明组合式核心筒的抗侧刚度相对较弱。 在角筒之间增设支撑之后，组合式核心筒约承担 80%～ 90% 的水平力，与常规框架-核心筒基本相似。
&&&&&&& 在相同大小和分布的风荷载作用下，组合式和整体式核心筒结构( 核心筒宽度相同，但角筒之间也有完整的墙肢，见图 5) 大屋面的水平位移分别为94. 7mm 和 42. 3mm，整体式核心筒结构的抗侧刚度是组合式核心筒结构的 2. 24 倍。&
&&&&&&& 图 4 抗侧刚度组成&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&& 图 5 整体式核心筒
&&&&&&& 3． 2 抗扭刚度
&&&&&&& 框架-核心筒结构中结构抗扭刚度主要来源于核心筒，组合式核心筒结构由于核心筒本身不闭合，抗扭刚度也较差。组合式核心筒结构和整体式核心筒结构的扭转周期比分别为 0． 85 和 0． 52，说明组合式核心筒结构的抗扭刚度远弱于整体式核心筒结构。结构分析需采用考虑扭转耦联的双向地震计算方法，控制扭转位移比，对角部构件进行加强。
&&&&&&& 4 组合式核心筒关键构件受力分析
&&&&&&& 4. 1 角筒
&&&&&&& 与整体式核心筒结构不同，组合式核心筒结构的倾覆力矩由两部分提供，一部分为组合筒体，即靠角筒之间拉、压来抵抗倾覆力矩; 另一部分为角筒本身提供，即角筒内部墙肢的拉、压来抵抗倾覆力矩。图 6( a) 表明组合式核心筒结构 84% 的倾覆力矩由组合筒体来承担，说明角筒之间还是形成整体来抵抗倾覆力矩。水平力作用下，角筒的墙段轴力同样来源于两个部分，分别为整体抗弯引起的轴力和角筒局部抗弯引起的轴力。图 6 说明，虽然角筒局部抗弯才提供 16% 的倾覆力矩，但却在墙肢内产生约56% 的轴力。因此，与普通核心筒结构相比，水平力作用下，组合式筒体墙肢内的拉力明显偏大，有必要提高墙肢尤其是角部墙肢的抗拉承载力。&
&&&&&&& 图 6 组合式核心筒倾覆力矩及墙肢轴力比例
&&&&&&& 4． 2 拉结大梁
&&&&&&& 角筒之间的拉结大梁起到传递竖向和水平荷载的作用。角筒之间间距较大，拉结大梁承担核心筒外部的楼面荷载。而且，上述分析表明，组合式核心筒要求角筒之间有足够强的联系，将角筒拉结起来形成整体，因此，拉结大梁也是连梁，能协调角筒间的变形，将水平力引起的倾覆力矩转化成角筒的轴力，利用角筒的拉、压来抵抗倾覆力矩。
&&&&&&& 拉结大梁承担大量的竖向荷载和水平力，因此在地震作用下，拉结大梁的支座及跨中的弯矩都比较大，梁端的剪力也较大。
&&&&&&& 4． 3 楼板
&&&&&&& 图 7 为地震作用下楼板的应力分布，其中 S11表示与 X 轴方向平行的正应力，S22 表示与 Y 轴方向平行的正应力。在多遇地震作用下，楼板在拉结大梁的端部周围应力特别大，楼板最大拉应力约3. 4MPa，而在其他区域，楼板应力很小。 引起这种应力分布的主要原因是: 在水平力作用下，高 2. 5m大梁承受较大的弯矩，对大梁的上表面，一端受压，一端受拉，且应力较大，相应应变也较大，与大梁相连的周围楼板也因此产生相应的应变，导致在大梁两端周围的楼板出现一拉一压的应力分布现象。&
&&&&&&& 图 7 地震作用下楼板应力分布 /MPa
&&&&&&& 4． 4 支撑
&&&&&&& 连接 4 个角筒的竖向支撑的作用主要是使 4 个角筒形成整体抗侧结构，提高结构抗侧刚度，而不是作为竖向荷载传力体系。但竖向荷载作用下，由于压缩变形，支撑中将引起附加轴力，对于底部支撑，其最大轴力为 1 402kN，约为小震作用下支撑轴力( 5 736kN) 的 1 /4。由于支撑为跨层，长度较长，为减小截面，应尽量减少竖向荷载引起的附加轴力。
&&&&&&& 5 组合式核心筒设计要点
&&&&&&& 结合组合式核心筒的布置特点和受力分析结果，设计中组合式核心筒应采取特殊的措施以提高整体结构的受力性能: 1) 组合式核心筒的角筒承担主要的竖向和水平荷载，组合式核心筒外围墙肢长度较短，开洞率较高，外围墙肢形成短肢剪力墙，设计中有必要适当提高核心筒墙肢的抗震等级，提高角筒的延性; 2) 核心筒外围墙肢开洞率高，墙肢在水平荷载作用下承担大量的轴力，角部墙肢更容易受拉，设计中应根据分析结果，增大外围墙肢，尤其是角部墙肢的配筋，必要时可在洞口处和墙肢角部设置型钢; 3) 拉结大梁是发挥组合式筒体整体作用的关键构件，其截面高度需足够以保证必要刚度。拉结大梁在竖向和水平荷载作用时，都承受较大剪力和弯矩，应采取有效措施，如设置型钢等，以提高其抗弯和抗剪承载力; 4) 组合式核心筒周边的楼板在地震作用下应力分布复杂，尤其是拉结大梁两端的楼板，可能出现较大的拉应力，设计中需对该区域楼板进行适当加强; 5) 竖向支撑主要用于提供抗侧刚度，应延迟安装，如在大部分结构自重基本完成( 结构封顶) 后再安装，尽量减小竖向荷载引起的附加轴力。
&&&&&&& 6 结语
&&&&&&& 结合实际工程，对新型组合式核心筒结构的布置、受力和设计进行分析和探讨，得到如下结论: 1)组合式核心筒中拉结大梁高度较大，需采用墙单元模拟; 2) 组合式核心筒结构布置与普通核心筒有较大差异，具有核心筒名义高宽比小、外围墙肢短和开洞率高的特点; 3) 组合式核心筒的抗侧刚度、抗扭刚度弱于整体式核心筒; 4) 地震作用下，组合式核心筒角部墙肢承担较大轴力，设计中需采取有效措施提高角筒的抗拉承载力; 5) 拉结大梁应具有足够刚度和抗弯、抗剪承载力; 6) 拉结大梁端部的楼板应力较大，应进行适当加强; 7) 竖向支撑应延迟安装，以减小支撑的内力。
参 考 文 献
［1］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院． ETABS 中文版使用指南［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2004．
［2］徐培福，傅学怡，王翠坤，等． 复杂高层建筑结构设计［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2005．
［3］JGJ 3&2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北京:中国建筑工业出版社，2011．
作者简介：
季元，男，69、2出生，国家一级注册结构师
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