框架—核心筒結(jié)構(gòu)中關(guān)于水平加強(qiáng)層的若干問題與研究

衛(wèi)磊 潘天久

摘要：在高層結(jié)構(gòu)中，側(cè)向位移的控制成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來越重要的問題。本文分析了在結(jié)構(gòu)中布置水平加強(qiáng)層的形式、作用形式以及力學(xué)性能，通過對比和分析可知：在地震作用下， 框架一核心筒結(jié)構(gòu)宜采用“有限剛度”的加強(qiáng)層。

關(guān)鍵詞：側(cè)向位移 水平加強(qiáng)層 有限剛度

在高層結(jié)構(gòu)、尤其是超高層結(jié)構(gòu)中， 側(cè)向位移的控制常常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的主要問題之一。在超高層結(jié)構(gòu)中， 由于地震荷載、風(fēng)荷載比一般的結(jié)構(gòu)要大得多， 使得側(cè)向位移控制的矛盾突出。這時(shí)， 常?？梢钥紤]利用建筑設(shè)備層及避難層的空間， 在結(jié)構(gòu)中布置水平加強(qiáng)層。通常在核心筒與外圍框架之間設(shè)置適宜剛度的伸臂構(gòu)件加強(qiáng)核心筒與框架柱間的連系，必要時(shí)可設(shè)置剛度較大的周邊環(huán)帶構(gòu)件，進(jìn)一步加強(qiáng)外周框架角柱與翼緣柱間的連系。

1.加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)形式

加強(qiáng)層構(gòu)件有兩種類型，一是伸臂，二是環(huán)帶構(gòu)件。兩者的功能不同，不一定同時(shí)設(shè)置，但如果設(shè)置，它們一般在同一層。加強(qiáng)層的高度往往是一層樓高，其剛度很大，一般比其它水平構(gòu)件大數(shù)十倍。

1.1伸臂

伸臂都布置在在外柱和核心筒之間。在平面上，伸臂宜對稱布置，伸臂要與核心筒的剪力墻對齊，以便剪力墻承受伸臂傳來的反彎矩。沿高度，應(yīng)考慮布置在有效的樓層，但往往由于建筑上的要求，而不能做到這一點(diǎn)。與伸臂相連的外柱往往承受很大的軸力，通常采用較大的截面，其余柱可以采用較小的截面，在設(shè)計(jì)時(shí)僅承擔(dān)樓面的豎向荷載。

1.2環(huán)帶構(gòu)件

環(huán)帶構(gòu)件是指沿結(jié)構(gòu)周圈布置一層（或二層）樓高的桁架，其結(jié)構(gòu)形式一般可歸納為開孔梁、斜腹桿桁架和空腹桁架三種。考慮到建筑外圍需要有窗洞采光，此外加強(qiáng)層常常與設(shè)備層、避難層結(jié)合在一起，更需要對外開敞以便遇到意外災(zāi)難時(shí)的救援。因此環(huán)向構(gòu)件很少采用實(shí)腹梁，多數(shù)情況下采用斜腹桿桁架或空腹桁架[1]。

2.水平加強(qiáng)層的作用機(jī)理

在水平荷載F作用下，框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系中的核心筒各截面引起的彎矩M，使加強(qiáng)層伴隨著核心筒發(fā)生彎曲，與此同時(shí)，與加強(qiáng)層相連的外柱發(fā)生軸向變形，一側(cè)外柱受壓，一側(cè)外柱受拉，壓力C和拉力r形成一個(gè)反彎矩M，作用于核心筒的頂部。這一反向彎矩M部分抵消了核心筒各水平截面所受到的水平荷載彎矩，改善了核心筒和框架的樓層剪力的豎向分布狀況，使它進(jìn)一步均勻化，因此結(jié)構(gòu)的側(cè)移也得到減小。

3.力學(xué)性能分析

在文獻(xiàn)[2]中，作者對帶有若干道水平加強(qiáng)層的鋼框架一混凝土核心筒超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元動力響應(yīng)計(jì)算分析，并進(jìn)行多種不同結(jié)構(gòu)布置下的比較、分析。總結(jié)出水平加強(qiáng)層對鋼框架一混凝土核心筒超高層結(jié)構(gòu)幾個(gè)力學(xué)方面性能的影響程度。主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

1） 水平加強(qiáng)層的設(shè)置能有效地增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力， 使側(cè)向位移明顯減小，同時(shí)，可以降低結(jié)構(gòu)的自振周期，并以第一個(gè)加強(qiáng)層的設(shè)置最為顯著，隨著加強(qiáng)層數(shù)量的增加，這種效果逐漸減弱。

2） 對于鋼框架和混凝土核心筒間的不同連接形式，加強(qiáng)層的設(shè)置在很大程度上弱化剛接形式與鉸接形式的不同對結(jié)構(gòu)整體的影響。在水平加強(qiáng)層的作用下，結(jié)構(gòu)會在加強(qiáng)層的位置出現(xiàn)剛度突變和內(nèi)力突變的現(xiàn)象，這種突變會隨著加強(qiáng)層剛度的增加而增加，并且，在加強(qiáng)層處的內(nèi)力突變程度會隨著加強(qiáng)層設(shè)置數(shù)目的增加而趨于緩和。因此，設(shè)計(jì)過程中，在可能的情況下，應(yīng)多強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)層的數(shù)量，而淡化單個(gè)加強(qiáng)層的剛性。

4.抗震構(gòu)造措施

在風(fēng)荷載作用下，設(shè)置加強(qiáng)層是一種減少結(jié)構(gòu)水平位移的有效方法； 但在地震作用下，加強(qiáng)層的設(shè)置將會引起結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力突變，并易形成薄弱層，結(jié)構(gòu)的損壞機(jī)理難以呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的延性屈服機(jī)制。因此在地震區(qū)采用帶加強(qiáng)層的框架一核心筒結(jié)構(gòu)宜慎重，并需采取有效措施。

4.1加強(qiáng)層的剛度選擇和結(jié)構(gòu)布置

在地震作用下， 框架一核心筒結(jié)構(gòu)宜采用“有限剛度”的加強(qiáng)層[3]。

在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)從概念設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)盡可能調(diào)整增加原結(jié)構(gòu)的剛度，對結(jié)構(gòu)整體剛度只要求其滿足規(guī)范的最低值，“有限剛度”加強(qiáng)層只是彌補(bǔ)整體剛度之不足，以減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損。盡量減少加強(qiáng)層的剛度，減少結(jié)構(gòu)剛度突變和內(nèi)力的劇增，避免結(jié)構(gòu)在加強(qiáng)層附近形成薄弱層，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下能呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”的延性屈服機(jī)制。

4.2 水平伸臂構(gòu)件剛度的選擇

文獻(xiàn)[4]通過采用底部剪力法計(jì)算在地震作用下，帶加強(qiáng)層框架核心筒結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)水平位移，通過計(jì)算不同加強(qiáng)層廣義剛度與核心筒廣義剛度比下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移，來研究加強(qiáng)層廣義剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，結(jié)果表明：只有當(dāng)水平伸臂桁架廣義剛度與核心筒廣義剛度比在一定范圍內(nèi)，才會對結(jié)構(gòu)側(cè)移減小產(chǎn)生明顯效果； 而當(dāng)桁架廣義剛度與核心筒廣義剛度比增大到一定值后，則對減小結(jié)構(gòu)側(cè)移影響不顯著。

4.3 “有限剛度”加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)布置

在地震作用下，沿整個(gè)結(jié)構(gòu)高度加強(qiáng)層的設(shè)置部位不需強(qiáng)調(diào)最有效之部位，如建筑上允許，沿高度可多設(shè)幾道（2-3道）加強(qiáng)層，而每道加強(qiáng)層的剛度盡量小，這是比較有利的。

加強(qiáng)層內(nèi)析架或?qū)嶓w梁宜布置在核心筒墻與外圍框架柱之間， 形成水平伸臂構(gòu)件。這種布置比沿加強(qiáng)層外圍框架設(shè)置周邊環(huán)帶要有利一些。如在布置水平伸臂構(gòu)件的同時(shí)再加上周邊環(huán)帶， 則對減少結(jié)構(gòu)整體位移的作用不明顯，但可使水平伸臂構(gòu)件所受剪力和彎矩減少， 加強(qiáng)層上下樓板的翹曲影響減少。加強(qiáng)層宜采用桁架形式，可通過調(diào)整析架腹桿的剛度， 使加強(qiáng)層既能適當(dāng)彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)整體剛度的不足，又能盡量減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)力突變。在罕遇地震作用下， 宜使加強(qiáng)層析架腹桿先屈服破壞，避免加強(qiáng)層附近的外框架柱和核心筒墻肢發(fā)生破壞。

設(shè)置加強(qiáng)層后， 必須注意加強(qiáng)層上、下外圍框架柱的強(qiáng)度和延性設(shè)計(jì)，可采用勁性鋼筋混凝土并加復(fù)合螺旋箍筋； 加強(qiáng)層附近的核心筒墻肢應(yīng)按底部加強(qiáng)部位的要求設(shè)計(jì)；“有限剛度”加強(qiáng)層的水平伸臂構(gòu)件及周邊環(huán)帶宜采用析架形式，如采用梁式，則要保證梁抗剪承載能力大于抗彎極限承載能力，梁可加交叉斜筋加強(qiáng)；加強(qiáng)層上下的樓板宜加厚一些，配筋設(shè)計(jì)中要考慮樓板的翹曲影響，宜在板的上、下配置雙層、雙向構(gòu)造筋。

參考文獻(xiàn)：

[1]張仲先，趙娜.環(huán)帶對帶水平伸臂的高層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響[J].2007-03.

[2]阮永輝，呂西林.帶水平加強(qiáng)層的超高層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析[J].2007-05.

[3]徐培福，黃吉鋒，肖真.帶加強(qiáng)層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].2009-03.

[4]楊克家，梁興文，李波.帶加強(qiáng)層高層建筑中加強(qiáng)層剛度的合理取值[J].2011-08.