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多筒体支承的大跨空间结构
筒体协同效应解析
近年来有很多建筑师在做方案时要求整个建筑底层架空，柱不落地，只保留核心筒落地，形成底部大空间，达到高绿化、完全通透、底部公共属性的建筑效果。这样的项目有万科大梅沙总部大厦、广东省新博物馆、前海法制大厦、海口科技馆等项目。这类项目的特点：
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核心筒剪力墙不仅承担全部水平力，还承担了全部的重力荷载;
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筒体间距较远，一般达30~60m；
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上部结构有较大悬挑；
显然，核心筒作用极其重要。但是抵抗水平力是靠单个筒体的叠加，还是靠整体结构的空间协同作用？此类结构的抗震性能如何？未见有此方面的论述。近期，本人参与了深圳简上体育综合体项目，对此有些体会，以供参考。深圳简上体育综合体项目整个结构支承在6个钢筋混凝土核心筒上，详见下图1、2。
图1 现场施工图
图2 建筑剖面图
1结构体系
结构体系采用多筒体支承的大跨空间桁架结构。核心筒间最大净跨46.8m，5层及屋面层西侧、北侧最大悬挑长度19.5m。2层及以下为钢筋混凝土结构，柱网11.7m×7.8m，3层及以上竖向构件为6个钢筋混凝土核心筒，核心筒的尺寸为7.8m×7.8m及7.8m×15.6m，核心筒外墙厚600mm，混凝土强度等级C50。为确保核心筒完整性，设置250mm厚内隔墙。楼盖采用双向正交桁架，3~5层桁架高度为2.9，3.3m，屋面桁架高2m，4，5层核心筒间存在部分夹层，夹层部分桁架高9.3m。大悬挑处采用整层高的桁架，桁架高15.3m。桁架杆件采用箱形截面口350×500×35，口350×350×14，口250×250×12等，钢材牌号Q420GJC，Q345B。楼板采用钢筋桁架楼承板，板厚120mm。
图3 结构抗侧体系构成
图4 3层结构平面图
筒体4个角部及支承桁架的墙体内设型钢，桁架杆件与核心筒内型钢刚性连接，以确保传力直接，增加结构延性。图4为3层结构平面层，图5典型主桁架剖面图。
(a) 5轴结构剖面图
(b) 6轴结构剖面图
（c) 11轴结构剖面图
(d) 12轴结构剖面图
(e)14轴结构剖面图
(f) 15轴结构剖面图
(g)F轴结构剖面图
(h)G轴结构剖面图
(i)L轴结构剖面图
(j)M轴结构剖面图
图5结构典型剖面图
本工程1,2层有较大开洞；5层整体收进，核心筒由6个收为4个；地下1层篮球馆、游泳馆层高较高，此位置框架柱两层通高；5层及屋面主体结构存在大于15m的悬挑，属抗震超限结构。
2筒体协同效应分析
若筒体间的主桁架与核心筒采用上承式或下承式桁架，整个结构类似排架结构，在水平力作用下，各个筒体产生倾覆弯矩；若筒体间的主桁架两端与核心筒采用刚接连接，整个结构类似框架结构，那么在水平力作用下，水平力产生的倾覆弯矩将一部分由筒体产生的轴力来抵抗，一部分由筒体自身的倾覆弯矩承担，主桁架能够起到很好的协调各筒体的作用，如下图6、7示意，
图6 图7
图8模型1，2构成示意
在模型1和模型2相同楼层位置施加相同的等效地震水平力，不考虑楼板的平面内刚度，对比两个模型各筒体底部的内力以及筒体的节点位移，计算结果见图9和表1。
(a)X向
(b)Y向
图9 水平力作用下模型1和模型2的筒体节点位移曲线
由图9可知，在相同的X向水平力作用下，模型1最大顶点位移为20.7mm，模型2最大顶点位移为26.0mm，模型2比模型1的顶点位移增大了25.6%；在Y向水平力作用下模型1最大顶点位移为15.0mm，模型2最大顶点位移为26.8mm，模型2比模型1的顶点位移增大了78.7%。两个模型下各筒体的基底内力结果见表1，筒体编号详见图4。
表1筒体内力计算结果
由表1可知：模型1、模型2中筒体在X，Y向的水平剪力变化较小，模型2中筒体的轴力较模型1大幅减小，除筒二在X向、筒三在Y向轴力减少较小外，整体筒体轴力约减小85%，模型2底部弯矩比模型1底部弯矩大，X向底部弯矩最大增长约28%， Y向底部弯矩最大增长约42%。在水平力作用下，模型1中某一主轴上筒体间主桁架的轴力结果见图10。
图10 模型1中筒体间主桁架杆件轴力示意图
从图10可知，核心筒间主桁架上弦杆件轴力在左右两侧正好相反，一端为拉力，一端为压力，下弦杆正好与上弦杆相反，上弦杆轴力为拉力时，下弦杆轴力为压力，符合框架结构中框架梁在水平力作用下的受力特点。因此，本结构中核心筒间主桁架对协调核心筒内力起到较大的作用。
由上述计算结果可知，6个核心筒在核心筒间主桁架的作用下能够很好的协同工作，形成整体结构的抗侧体系。
3如何判别协同作用？
4进一步思考：抗震设计时如何实现更好的耗能及增加结构延性？
4.1设计时为确保结构延性，参考高规第6.2.1，6.2.3条关于柱内力的调整的原则，对核心筒弯矩及剪力分别乘以弯矩放大系数1.2，剪力放大系数1.3, 以实现强筒体弱桁架的设计原则。
4.2 与核心筒相连接的主桁架根部下弦杆采用屈曲约束支撑（BRB）。剪力墙内设有较多型钢，延性较高。由于桁架上下弦杆与核心筒铰接，如果核心筒相连接的主桁架根部下弦杆去除，采用屈曲约束支撑（BRB）代替，可以增加结构的耗能能力。中大震作用下，BRB利用低屈服点芯材在轴向拉压力下的塑性变形来增加结构的延性及耗能能力。
4.3 由于层高较高，核心筒采用双连梁或布置斜向暗柱。
