第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 8度区B级高度框架-核心筒结构 抗震设计探讨 董卫青 （云南省设计院集团，昆明650228） 提要本文通过多栋抗震设防烈度为8度的B级高度框架-核心筒结构超高层设计实例分析，探讨核心筒底部 拉力较大时的时斜截面抗剪和正截面承载力的相关间题，总结此类结构抗震设计存在的问题，给出此类型结构抗震 设计的建议.
指出此类建筑在中大震时核心筒底部拉力可能较大，规范对小震设计的相关要求和调整系数，不能确 保中大震时结构抗震性能，需采取必要分析手段和加强措施.
关键词框架-核心筒结构8度区B级高度抗震设计 1引言 框架-核心筒结构因抗侧移刚度较大，可适应较高的建筑，因此在超高层建筑中被广泛采用.
根据《高 时，钢筋混凝土框架-核心简结构A级高度限值为100mm，B级高度限值为140m，B级高度限值是A级高度 的1.4倍，若建筑高度在B级高度上限值时，已超过了A级高度40%，而规范对于此种结构体系在按A级 高度和B级高度设计时，主要区别为剪力墙抗震等级由一级提高为特一级.
规范根据抗震等级不同，小震设计时对剪力墙及框架柱的弯矩和剪力设计值进行了调整，并对底部加 强部位规定了不同的调整系数，对于特一级剪力墙、筒体墙：底部加强部位弯矩设计值乘以1.1的增大系 数，其他部位的弯矩设计值乘以1.3（一级为1.2）的增大系数：底部加强部位剪力设计值按考虑地震组 合的剪力设计值的1.9（一级为1.6）倍采用，其他部位的剪力设计值按考虑地震组合的剪力设计值的1.4 （一级为1.3）倍采用，另对边缘构件和墙身最小配筋率有所提高.
对于墙肢受拉的情况，规范7.2.4条 对小震时剪力墙受拉作了规定：抗震设计的双肢剪力墙，其墙肢不宜出现小偏心受拉，当任一墙肢为偏心 受拉时，另一墙肢的弯矩设计值和剪力设计值应乘以增大系数1.25.
对于8度区B级高度的框架-核心简结构，因规范无更多规定，不同设计单位处理措施和分析手段存 在不同，抗震超限审查时不同专家把控也有出入.
此类建筑仅按规范要求设计，能达到规范要求的抗震性 能吗.
本文通过工程实例，对此类结构抗震设计相关问题进行了探讨.
2工程实例1 某建筑为地上37层、地下2层的超高层建筑，塔楼平面呈矩形，平面尺寸36.mx35.9m，建筑总高度 136.90m，建筑高宽比4.06，建筑抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第二组， 建筑场地类别II类，结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，核心筒尺寸12.45x12.85m，核心筒高宽 比11.0.
框架抗震等级一级，剪力墙抗震等级特一级，底部加强部位为底部3层.
根据结构计算结果，结 构较为规则，各项指标均可较好满足规范要求.
为节省篇幅，常规分析不再赞述.
作者美介：董卫青（1975一），男，高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 8200 5600 6150 DO08 8000 2800 5600 5600 2800 8000 32800 图2.1某建筑标准层结构平面图 2.1底部拉力分析 框架柱和核心筒剪力墙在小震下各层均未出现拉力.
按中震弹性分析时，核心筒剪力墙出现了较大的拉力，最大拉应力出现在底层：核心筒旁的6根框架 柱底部几层出现了拉力，但数值不大.
在“1.0恒0.5活土1.0水平地震”的X、Y、-X、-Y方向最大底部拉应力如下图（取各方向拉应力 较大值）： 7.60 6) 00221 5 （5 9.73 11700 图2.2按中震弹性计算底层核心筒最大拉应力（IPa)
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 根据上图，中震弹性计算的最大拉应力为7.45~11.3MPa，约为2.6~3.9倍f&，拉应力较大.
设计时， 在8层以下的核心筒边角处加设型钢，以抵抗地震作用下的拉应力.
若采用在墙体中部开洞的方法可减小 剪力墙拉应力，但减小幅度不大，核心筒刚度下降较大，结构抗侧移刚度不能满足规范要求.
对于核心筒旁的6根框在5层以下也加设了型钢，确保结构抗震性能.
2.2小震设计与中震弹性计算的剪力墙斜截面抗剪承载力对比分析 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第7.2.10，对于偏心受压剪力墙地震设计状况 的斜截面受剪承载力按下式计算： V≤- x-0.5 0.4f b_ 0.1N 式中：N-剪力墙截面轴向压力设计值，V大于0.2fbh_时，应取0.2fbh 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）“第7.2.11，对于偏心受拉剪力墙地震设计状况 的斜截面受剪承载力按下式计算： -0.5 0.4f b_h.
0.1N A 上式右端方括号内的计算值小于0.8f A h时，应取等于0.8f A S 根据上述计算公式，当在小震下N为压力时，抗剪计算考虑了剪力墙轴压力的有利作用，轴压力越大， 其抗剪承载力越高：当轴力为拉力时，剪力墙轴拉力对抗剪承载力为不利作用.
较大的轴拉力的大大降低 了剪力墙的抗剪承载力.
本建筑结构底部加强部位为1~3层，根据规范要求，对于特一级剪力墙，小震设计时底部加强部位剪 力设计值按考虑地震组合的剪力设计值的1.9倍采用，其他部位按考虑地震组合的剪力设计值的1.4倍采 用，表2.1和表2.2对别对底部加强区的一层和非底部加强区的四层剪力墙抗剪承载力进行了对比，表中 “中震抗剪承载力”按小震配筋计算，其墙体轴力采用中震弹性计算值：表中“中震剪力/抗剪承载力” 的比值已考虑了承载力抗震调整系数.
表2.1一层剪力墙抗剪验算 墙 墙 小震内力（kN） 中震内力（kN) 小震抗剪承裁力 中震抗剪承载力 小震剪力/抗剪承 中震剪力/抗 厚 剪力 轴力 剪力 轴力 (kN) (kx) 载力 剪承载力 750 15819 3588 22210 45687 14097.0 9276.7 1.05 0.491 2 750 4943 3649 6632 35574 4723. 7 3044. 5 1.12 0.540 3 750 16048 4229 22552 45174 14297. 6 9413.2 1.05 0.491 4 750 4812 2984 6392 34114 4631. 4 2885.8 1.13 0.531 5 650 21886 2470 31039 86961 19551.2 13611. 1 1. 05 0.516 6 650 22343 5429 31733 63375 19919. 5 13189. 5 1.05 0. 489 表2.2四层剪力墙抗剪验算 墙肢 墙厚 小震内力（kN） 中震内力（kN） 小震抗剪承 中震抗剪承 小震剪力/ 中震剪力/ 剪力 轴力 剪力 轴力 载力（kN） 载力（kN） 抗剪承载力 抗剪承载力 1 750 13603 -6052 25466 37955 12108.5 7041. 8 1.05 0.325 2 750 4177 803 7623 19734 4649. 4 2595. 7 1.31 0.401 3 750 13872 6528 26053 37718 12346.1 7921.5 1.05 0.358 4 750 4026 1248 7474 20645 4693. 9 2525. 0 1.37 0. 397 5 650 17608 12370. 33881 45739 15660. 0 9849. 1 1. 05 0. 342
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 66502108953852344743624219821.610812.2 1. 11 0.369 在中震抗剪承载力计算时，因轴拉力N较大，按公式计算的抗剪承载力基本均小于0.8fAsh/s，按 0.8fAh/s取值，即已不能考虑混凝土部分的抗剪承载力.
从上表可以看出，当按小震设计的剪力墙水平分布筋进行验算筋时，底部加强区的一层，剪力墙承载 力仅为中震所需承载力的0.491~0.540：非底部加强区的四层，剪力墙承载力仅为中震所需承载力的 0.325~0.401.
上述剪力墙包含了核心筒主要墙肢，核心筒承担了楼层大部分剪力，因此这也表明楼层抗 剪承载力严重不足.
上述分析说明，当地震力较大时，当剪力墙轴拉力较大时，剪力墙抗剪承载力降低较多，仅按小震所 需水平分布筋不能满足结构所需抗剪承载力，需对核心筒抗剪强度进行加强，宜按中震弹性复核其抗剪承 载力.
2.3小震设计与中震弹性计算的剪力墙正截面承载力对比分析 当剪力墙不出现拉力时，设计时其压力主要靠混凝土承担，所需纵向钢筋很小，一般为构造配筋： 而当剪力墙拉力较大时，拉力均由钢筋或型钢承担，所需纵筋或型钢大幅增加.
下表为一层剪力墙按 小震计算配筋与按中震不屈服对比（不考虑所加型钢时）.
表2.3一层剪力墙正截面承载力验算 小震内力 墙 中震内力 弯矩 轴力 弯矩 轴力 小震所需配筋（m） 中震不届服所需配 小震配筋/中震不 肢 厚 (kN. m) (kN) (kN. n) (kN) 筋(rnmn) 屈服所需配筋 1 750 61938 1227 115069 42857 13828 87461 0. 158 750 7249 16214 32360 11806 51954 0. 227 750 56944 2054 110216 42803 13011 85549 0. 152 750 9741 5859 17720 31195 11742 51933 0. 226 650 111359 14389 217916 82922 28268 141701 0. 199 6650 118056 4527 233207 61524 18127 118583 0.153 从上表可以看出，按小震计算的配筋时远小于按中震不屈服计算的所需配筋.
仅按小震设计时，在遭 受设防烈度地震作用时剪力墙正截面承载力将严重不足.
剪力墙在垂直于墙肢方向的地震力作用下，表现为全截面受拉，且拉应力沿墙肢分布基本均匀，若按 常规计算墙身竖向分布筋按构造配筋0.4%或0.35%，边缘构件按计算配筋时，会导致墙肢中部配筋不足以 抵抗所受拉力，特别是较长的墙肢，因此对于全截面受拉构件，其竖向分布筋应根据所受拉力情况提高其 配筋率.
根据规范对基于延性设计的剪力墙底部加强区设计理念，剪力墙底部设计为允许出现塑性铰的耗能区 域，并通过按“强剪弱弯”的设计原则提高抗剪切破坏能力及设置约束边缘构件等措施，确保剪力墙底部塑 性区域的延性.
但当剪力墙底部大面积出现较大拉应力时，其受力模式为小偏心受拉，破坏模式为受拉屈 服，变形模式为以Y向位移为主而非塑性较形式的转动：而且，当剪力墙出现大面积受拉破坏时，可能 造成完全丧失抗剪承载力.
这种破坏模式与塑性铰有实质区别，应采取措施避免.
2.4框架柱中震设计 本建筑框架柱在小震下轴压力较大，基本为构造配筋，并按规范进行0.2Q0调整.
按中震不屈服设计 时，大部分柱仍为受压，但因轴压力大幅减小，其配筋均比小震大的较多，特别是底部的柱因在地震力作 用下轴力很小或变为拉力，配筋明显增大.
为确保结构竖向构件可靠，设计时对底部框架柱抗弯按中震不 屈服进复核加强.
框架柱因承担剪力不大，且按0.2Q0调整大幅提高了其抗剪承载力，其抗剪承载力大部 分柱可较好满足中震弹性计算要求
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2.5大震弹塑性静力分析（Pushover） 当按小震计算配筋进行大震弹塑性静力分析时，本建筑结构底部核心筒剪力 墙较早出现开裂和屈服，并早于框架梁塑性较的出现（图2.3），制是6层以下， 且其大震弹塑性位移角不能满足规范要求.
对下部剪力墙加大墙身和边缘构件配 筋作加强处理后，底部剪力墙性能有所改善.
大震弹塑性静力分析时，局部框架柱可能发生塑性较.
对本建筑底部剪力墙按中震不屈服进行配筋后，底部剪力墙承载力明显提高， 结构整体抗震性能良好，大震弹塑性性能位移角可满足规范要求.
3实例工程2 某超高层公寓楼总高度139.9m，建筑平面尺寸32x32m，高宽比4.38，建筑层 数为地上37层、地下3层，建筑抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g， 设计地震分组第三组，建筑场地类别Ⅲ类.
结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒 结构，核心筒尺寸15x15m，核心筒高宽比9.33.
本建筑较为规则，根据分析结果，各项指标可较好满足规范要求.
图2.3大震弹塑性发展图 7800 0096 5250 9350 8600 7400 7400 8600 图3.1某建筑标准层结构平面图 小震设计时框架柱和剪力墙各层均未出现拉力：按中震弹性计算时，剪力墙边角处产生了很大的拉应 力，框架柱均未出现拉应力.
在“1.0恒0.5活土1.0水平地震”的X、Y、-X、-Y方向最大底部拉应力 （取各方向拉应力较大值）如图3.2.
根据图3.2，中震弹性计算的最大拉应力为6.32~13.5MPa，为2.24.8倍f，拉应力较大.
设计时在核心筒四角、墙中部与框架梁连接处布置型钢，以抵抗剪力墙拉力.
因底部剪力墙受拉较为严重， 本建筑核心筒中震斜截面抗剪承载力和正截面承载力与实例工程1情况基本类似，在按中震弹性或中震不 屈服计算时，其斜截面抗剪承载力和正截面承载力均严重不足.
设计时按对底部6层按中震弹性设计斜截
