张昀
悉地国际设计顾问（深圳）有限公司518057
摘要：完善超高层钢构架-核心筒的结构设计工作，有助于提升建筑结构的稳定性，对提升建筑企业的口碑具有重要价值。本文将沈阳某超高层建筑作为主要案例，在对计算模型进行分析的基础上，重点分析了布设方案和地震弹塑性时程，结果显示，不同水平加强层的设置方法毒地建筑的内力和位移产生了不同影响，因此，建筑企业应注重加强对附件楼层内力和位移的测量，为核心筒设计合理性的提升提供保障。
关键词：加强层；核心筒；计算模型；应力条件
一、工程概况
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。调查统计显示，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，实现了对城市天际线的美化，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。同时在超高层建筑的设计过程中，需要在综合考虑风荷载以及地震因素的基础上，完善结构设计工作，以实现对建筑物位移的有效控制。现阶段，为了有效控制超高层建筑的位移现象，通常在对避难层的设计要求进行综合分析的基础上，做好加强层的设计工作，将其作为防控位移的重点。但设置加强层容易导致建筑结构的刚度发生变化，进而影响到楼层的内部应力。
本次研究选取沈阳某超高层办公楼作为主要研究对象，该楼层地下2层为停车场，地上共计70个楼层，总高度为320m，主塔楼的使用年限为100年，阻尼比为0.06.该建筑物的标准层设计情况见图1。
图1该建筑的标准层设计概况
二、计算模型分析
（一）基本假定
在对该建筑工程的设计图纸进行深入分析的基础上，为了给模型计算工作提供方便，笔者简化了建筑物的实际结构，假定如下：（1）水平加强层的带状桁架采用刚性连接的方式与内筒体以及外柱连接，在外柱上具备轴向力。（2）核心筒结构处于线弹性时期。（3）在水平加强层的核心筒结构中，使用弹性板将外柱楼板与剪力墙相连。
（二）水平加强层布设
本次研究选取的建筑工程采用下方大底盘和上部斜角的设计形式，并设计有加强层，在加强层中设计有带状桁架和水平桁架。尽管在设置加强层的过程中会在一定程度上产生集中应力，但由于本次研究选用的建筑属于超高层，建筑结构所受到的应力作用会随着楼层的升高而逐渐变缓。在控制侧移的过程中，由于加强层的作用力会随着楼层的升高依次递减，因此，设计人员应注重完善加强层的数量设置。在对《高层建筑物混凝土设计规范》的相关规定进行综合分析的基础上，应基于经济性和实用性两个层面对加强层的数量选择进行审视，本次研究的建筑物在15层、28层和43层各布设一个加强层。
三、布设方案分析
（一）模态分析
本次研究通过对三维有限元分析法的充分运用，实现对加强层布设方案的精确分析，探明核心筒结构的不同方案对振型产生的不同影响。为了完善核心筒的设计工作，本次研究共计制作了7个设计方案，通过将各个设计方案进行对比分析可知，第一周期为Y方向平动周期，第一周期大约变化3.7％，第二周期为X方向平动周期，第二周期大约变化3.5％，当第三周期为扭转周期，第三周期的变化幅度约为1.9％。通过对上述规律进行推算可知，随着周期数的不断降低，加强层对核心筒结构的作用力呈现逐渐降低的发展趋势。本工程最终设计结果，第一扭转周期/第一平动周期=0.64，能够满足建设需求。
（二）位移对比
实现对结构位移的有效控制是超高层建筑物建设的基础和前提，在设计核心筒之前，设计人员应明确加强层的布设方案，明确在地震等因素作用下位移角的最大值。通过计算分析可知，该建筑结构设计方案的最大位移角为1/535，而我国JCJ3-2010中规定的超高层建筑最大位移角应小于1/500，由此可见，本次核心筒结构设计具有较高的科学性，充分符合国家相关规定的要求。同时，笔者还发现，随着加强层数量的增加，侧向位移距离呈现明显的减小趋势，因此，在设计加强层的过程中，应尽量将其高度维持在10层以上，避免将其设在建筑地层。此外，位移角最大值会随着加强层位置的变化而变化，在设计过程中，设计人员应充分考虑到上述因素[1]。
（三）内力对比
本工程的总高度达到300m，属于超高层建筑，在设计核心筒结构的过程中应充分考虑到地震的作用，确保其具备良好的弹性力，分别计算设置加强层前后的结构应力，以明确建筑建构的倾覆力矩以及基底剪力，实现对地震状态下建筑结构的弹性内力的了解。研究结果显示，加强层的不同设计方案对剪力墙产生了不同的作用，且不同周期的振型存在明显差别。考虑到原因可能为在建筑中设置加强层引起了结构刚度的改变，进而对基底剪力产生了影响。因此，在设计核心筒的过程中，应引起设计人员的关注度。通过对不同振型的基底剪力进行分析可知，设置加强层也直接影响到了倾覆力矩，受加强层的影响，使得剪力墙的力矩呈现明显的重分配趋势，其内力主要由核心筒承担[2]。
四、地震弹塑性时程分析
（一）弹塑性时程
由于本建筑工程的高度为300m，属于超高层建筑，因此，有必要对核心筒设计相关规范进行分析，为了实现对罕遇地震形势下建筑结构弹塑性的分析，确保建筑结构的强度，本次研究将ABAQUS软件作为主要计算软件进行计算分析。由于本建筑工程采用8度设防，地面加速度为4m/s2,塑性应变为0.025。由于不同地震波对基底剪力的影响具有显著差异性，因此，相关研究人员在探讨地震波和基底剪力之间关系的过程中，应重视利用ABAQUS软件导出计算模型，探明X轴、Y轴的基底剪力值。本次计算数据显示，在3组不同地震波的作用下，X轴的基底剪力值为13200KN，剪重比为11.4％，Y轴的基底剪力值为109800KN，剪重比为8.9％。
（二）弹塑性位移时程
基于不同地震波作用下，结构位移角会呈现明显的变化趋势。通过对本次研究结果进行分析可以发现，核心筒结构在X轴的层间弹塑性位移角为1/131，在Y轴的位移角最大值为1/137，这是在第三层测量获得的最大值，且该核心筒结构在平常楼层的弹塑性位移角不超过1/100，在加强层处的位移角明显降低，表明完善加强层的设计，能够实现对侧面位移现象的有效抵抗，提升核心筒结构设计的科学性。
（三）顶点位移时程
通过计算分析可知，在不同地震波的作用下，顶点在X轴的位移最大值为1.27m，在Y轴位移的最大值为1.37m，符合相关规范的标准要求。
结论
综上所述，为了充分提升核心筒设计的合理性，应重视采用钢框架设计，完善加强层的数量选择工作，实现对位移现象的有效防控。同时，应充分认识到地震的因素，实现对弹塑性的合理评估，并考虑到加强层设计对周围建筑楼层产生的盈利，探析建筑结构的周期，为社会民众的居住安全性提供有力保障。
参考文献：
[1]林宝新,石楷锋,陈文杰.合肥某超限框架-核心筒结构外框柱设计[J].建筑结构,2017,47(23):37-42+91.
[2]揭英撰.试析超高层办公建筑核心筒设计[J].江西建材,2017(19):43+46.
[3]吴晓勇.论超高层建筑核心筒的设计[J].建筑知识,2017,37(16):19-20.
[4]李海峰.超高层办公建筑核心筒设计探讨[J].住宅与房地产,2017(09):129.