帶加強(qiáng)層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

周 超

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 研究背景

高層建筑以空間利用率高、占地面積小、可緩解土地緊張和住房困難等優(yōu)點，得以迅速發(fā)展。但是不可忽視的是，隨著樓層高度的增加，相應(yīng)的水平作用的影響也在加大，側(cè)向位移也在迅速增加，如何使高層建筑的側(cè)向位移符合規(guī)范的要求，成為結(jié)構(gòu)師們迫切需要解決的重要課題。設(shè)置加強(qiáng)層對框架—核心筒結(jié)構(gòu)來說是一種既可以減小結(jié)構(gòu)側(cè)移又可以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的有效方法。

2 加強(qiáng)層布置原則

加強(qiáng)層一般是在結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一層或幾層設(shè)置，通常是利用結(jié)構(gòu)的設(shè)備層或者避難層設(shè)置剛度較大的伸臂構(gòu)件聯(lián)系核心筒和外圍框架柱，也可在外圍框架設(shè)置周邊環(huán)向構(gòu)件以加強(qiáng)聯(lián)系，使之均勻受力。加強(qiáng)層包括伸臂、環(huán)向構(gòu)件、腰桁架和帽桁架等加強(qiáng)構(gòu)件，這些構(gòu)件的功能各不相同，不一定需要同時設(shè)置，但如果設(shè)置，它們通常被布置在同一層，凡是具有三者之一時，都可簡稱為加強(qiáng)層或剛性層。

3 從力學(xué)角度分析加強(qiáng)層

在水平荷載的作用下，框架—核心筒結(jié)構(gòu)的核心筒和外圍框架共同承擔(dān)水平剪力。基于框架的抗側(cè)剛度是遠(yuǎn)小于核心筒的，這就決定了主要是由核心筒承擔(dān)水平方向的剪力。由水平方向荷載產(chǎn)生的彎矩通過下面3種力矩可以達(dá)到平衡：①外圍框架柱的彎矩，②核心筒的彎矩，③外圍框架柱通過軸向拉壓力形成的整體力偶矩。如果不設(shè)置加強(qiáng)層，整體力偶矩的大小在整體彎曲效應(yīng)的影響下會由核心筒與外圍框架間聯(lián)系梁及框架間裙梁的剛度決定。但是，如果設(shè)置水平加強(qiáng)層的話，結(jié)果就會完全不同。在加強(qiáng)層的作用下，可以使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分配，使核心筒、框架柱以及梁的內(nèi)力大小及方向朝著減小結(jié)構(gòu)位移的方向發(fā)生變化。加強(qiáng)層通過伸臂和周邊環(huán)向構(gòu)件使外圍框架柱參與整體抗彎，由于伸臂自身的剛度就非常大，在結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向位移時，外圍框架柱就會產(chǎn)生拉伸或者壓縮，因為框架柱的軸向剛度大、變形大，所以會承受很大的軸向力。因此，加強(qiáng)層的設(shè)置會使加強(qiáng)層下面的外圍框架柱產(chǎn)生很大的軸向拉壓應(yīng)力，外圍框架柱就會產(chǎn)生一個很大的力偶矩，而這個力偶矩的方向正好與傾覆力矩的方向相反，加強(qiáng)層就會在核心筒上產(chǎn)生一個反方向的約束彎矩，核心筒的彎矩圖就會發(fā)生改變，使核心筒的彎矩減小，核心筒反彎的同時也就減小了側(cè)向位移。通過加強(qiáng)層豎向剪力得以有效地從剪力墻向外圍框架柱傳遞，可以有效地把核心筒和外圍框架柱連成一個整體的抗彎構(gòu)件，使外圍框架柱與核心筒按近似于平截面假定的方式共同工作，這樣結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗傾覆能力自然就大大提高了，結(jié)構(gòu)的側(cè)移也就隨之得到有效減小。

4 加強(qiáng)層帶來的問題及相關(guān)措施

設(shè)置加強(qiáng)層雖然在減小側(cè)向位移方面有很好效果，但是在地震區(qū)，它會引起結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)力的突變。如果沒有有效的措施，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱層的產(chǎn)生，導(dǎo)致“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的延性屈服機(jī)制難以呈現(xiàn)。因此在地震區(qū)是否設(shè)置加強(qiáng)層應(yīng)持慎重態(tài)度，如需設(shè)置應(yīng)同時采取有效的措施以減小其所引起的不利方面。

加強(qiáng)層的剛度較其他層要大很多，因此在某一層中設(shè)置加強(qiáng)層勢必會使這層和上下幾層的剛度差距非常大，必然會引起這層的內(nèi)力突變非常嚴(yán)重。采用“變剛度”設(shè)置加強(qiáng)層的方法可以有效地降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變，它是在加強(qiáng)層的上下幾層內(nèi)設(shè)置剛度逐步減小的伸臂或環(huán)向桁架，這樣加強(qiáng)層的設(shè)置就不至于很突兀，內(nèi)力突變將明顯減小。相關(guān)研究表明，在加強(qiáng)層處層間位移角突變值采用變剛度加強(qiáng)層可以減小到等剛度加強(qiáng)層的80%，柱子的剪力可以減小到60%，證明這樣做效果還是很好的。

在地震的作用下，也可以采用“有限剛度”設(shè)置加強(qiáng)層，使高層建筑滿足規(guī)范對整體剛度的最低要求，不造成因設(shè)置加強(qiáng)層而使整體剛度過大，減小了結(jié)構(gòu)破壞的可能性?！坝邢迍偠取奔訌?qiáng)層通過設(shè)置多道剛度盡量小的加強(qiáng)層，避免結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)力突變的發(fā)生，避免薄弱層的形成，希望“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”的延性屈服機(jī)制在遭遇罕見地震時還能呈現(xiàn)出來。

在外圍框架設(shè)置周邊環(huán)向構(gòu)件也可以提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，只是提高的幅度較設(shè)置水平伸臂低，但是所引起的內(nèi)力突變也比設(shè)置水平伸臂要小，屬于“有限剛度”設(shè)置加強(qiáng)層的一種方法?？梢栽趲讓釉O(shè)置，也可以隔幾層設(shè)置，最極限的情況是每層都設(shè)置周邊環(huán)向構(gòu)件，這種情況就類似于筒中筒結(jié)構(gòu)了。通過一個6度區(qū)209m的框架核心筒作對比分析，原模型頂點位移324 mm，在0.6H處設(shè)置一道周邊環(huán)向構(gòu)件后，頂點位移為272 mm，沿全長等高設(shè)置四道周邊環(huán)向構(gòu)件后，頂點位移降為225 mm，位移的減小效果還是很明顯的。因此可以認(rèn)為，在位移值沒有超出規(guī)范要求的情況下，通過設(shè)置周邊環(huán)向構(gòu)件來滿足規(guī)范的要求也是一個很好的措施。

5 結(jié)束語

如果能把建筑看成是一棵竹子的話，那么加強(qiáng)層就像是當(dāng)中的一個個竹節(jié)。設(shè)置加強(qiáng)層能有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，達(dá)到使結(jié)構(gòu)頂點位移減小的效果，同時又無法避免地會造成結(jié)構(gòu)剛度的突變，導(dǎo)致內(nèi)力在加強(qiáng)層附近急劇地增長，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的薄弱層。因此在中等或強(qiáng)震地區(qū)，對設(shè)置剛性加強(qiáng)層要持慎重態(tài)度。如果必須通過設(shè)置加強(qiáng)層來達(dá)到規(guī)范要求的話，可采用“變剛度”或者“有限剛度”的方法來設(shè)置加強(qiáng)層。

[1]徐培福，黃吉鋒，肖從真，等.帶加強(qiáng)層的框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的幾個問題[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1999，20（4）.

[2]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]潘法超，李杰，劉宏欣.設(shè)置變剛度加強(qiáng)層的框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].江西科學(xué)，2012，30（3）.

[4]劉喜平.框架—核心筒高層結(jié)構(gòu)設(shè)置加強(qiáng)層問題的探討[J].西北水利發(fā)電，2005，21（3）.

[5]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.