加強(qiáng)層對筒中筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的影響

汪義凡， 王澤云

(西華大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院， 四川成都 610039)

加強(qiáng)層對筒中筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的影響

汪義凡， 王澤云

(西華大學(xué)土木工程與環(huán)境學(xué)院， 四川成都 610039)

文章簡述了剪力滯后現(xiàn)象，總結(jié)了剪力滯后的影響因素，并通過有限元軟件計算算例，分析了多種水平加強(qiáng)層的布置方案對筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后的影響，揭示了水平加強(qiáng)層對筒中筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的影響。結(jié)果表明，設(shè)置水平加強(qiáng)層可以有效減小剪力滯后效應(yīng)，使中下層各柱軸力分布更加均勻。

加強(qiáng)層； 筒體結(jié)構(gòu)； 剪力滯后； 剪力滯后值

用框筒作為外筒，將樓電梯間、豎井等服務(wù)設(shè)施集中在建筑平面中心，形成內(nèi)筒，就形成了筒中筒結(jié)構(gòu)。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，一般外筒采用框筒，內(nèi)筒為剪力墻圍成的井筒。

筒中筒結(jié)構(gòu)是雙重抗側(cè)力體系，在水平力作用下，內(nèi)外筒協(xié)同工作，其結(jié)構(gòu)具有較大的抵抗水平剪力的能力。但是在水平作用下，外筒會產(chǎn)生剪力滯后。

1 剪力滯后現(xiàn)象

在水平荷載作用下，框筒結(jié)構(gòu)可視為箱形截面懸臂柱。在水平荷載作用下翼緣框架柱主要受軸力，而腹板框架柱主要受拉力，其截面應(yīng)力圖如圖1所示。可以看出，框筒的腹板和翼緣的應(yīng)力分布是曲線，不符合初等梁理論的平面假定，這個現(xiàn)象被稱為剪力滯后現(xiàn)象。

圖1 框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后現(xiàn)象

剪力滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為框筒中各柱之間存在剪力，剪力使聯(lián)系柱子的窗裙梁產(chǎn)生了剪切變形，而使柱之間的軸力傳遞減弱，使得在框筒的翼緣框架中，遠(yuǎn)離腹板框架各柱軸力越來越小。在框筒的腹板框架中，遠(yuǎn)離翼緣框架各柱軸力的遞減速度比按直線規(guī)律的快。

剪力滯后分為正剪力滯后和負(fù)剪力滯后。正剪力滯后一般出現(xiàn)在框筒的中下部，負(fù)剪力滯后一般出現(xiàn)在框筒的上部。

2 剪力滯后的影響因素

國內(nèi)外研究者的研究成果表明，剪力滯后的影響因素有很多，主要有以下幾點：

(1)鄭之義[2]認(rèn)為去除角柱能大大降低角柱的軸力不均勻系數(shù)，同時有效減小剪力滯后效應(yīng)。在設(shè)計時可優(yōu)先考慮采用。

(2)劉中輝[3]認(rèn)為在框筒任何高度處，剪力滯后現(xiàn)象隨長寬比增大而增大；在長寬比相同時，剪力滯后現(xiàn)象隨z的增加在底部逐漸減小，在頂部無相同變化規(guī)律。

(3)沈蒲生[4]認(rèn)為在高度較大的混合結(jié)構(gòu)建筑中，增大樓板剛度能減少剪力滯后效應(yīng)。

(4)高雁[5]認(rèn)為結(jié)構(gòu)平面剛度布置不均勻是引起筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后的最重要的一個原因。

3 設(shè)置水平加強(qiáng)層對剪力滯后的影響

為了分析設(shè)置水平加強(qiáng)層對剪力滯后現(xiàn)象的影響，本文采用Midas/Gen有限元軟件對常見筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，探討水平加強(qiáng)層對外框筒剪力滯后現(xiàn)象的影響。

3.1 Midas/Gen有限元模型介紹

某工程采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)，35層，層高為3.2m，總高度為112m，結(jié)構(gòu)平面見圖2。取角柱截面為600mm×600mm，邊柱截面為500mm×600mm，柱距3m，窗裙梁截面400mm×800mm，內(nèi)筒剪力墻厚度為400mm，混凝土強(qiáng)度均為C40。由于剪力滯后現(xiàn)象是在水平力單獨作用下產(chǎn)生，所以該模型僅在X向布置了水平風(fēng)荷載，其基本風(fēng)壓為0.55kN/m2，場地粗糙程度類別為C類。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)平面布置

加強(qiáng)層布置方案見表1。

表1 加強(qiáng)層設(shè)置方案 mm

3.2 剪力滯后程度的量化指標(biāo)

為了能通過數(shù)值反映剪力滯后效應(yīng)的強(qiáng)弱，從而定量分析加強(qiáng)層對剪力滯后的影響，我們在此定義“剪力滯后值”γ為：

其中：Fg表示角柱的軸力；Fp表示各柱軸力的算術(shù)平均值。γ值越大說明各柱的軸力分布越不均勻剪力滯后效應(yīng)越大。

3.3 加強(qiáng)層構(gòu)件設(shè)置對剪力滯后的影響

圖3繪制了方案1～4的底10層的剪力滯后值。

圖3 方案1～4剪力滯后值

可以看出，設(shè)置水平伸臂可以有效降低底層的剪力滯后現(xiàn)象。而在水平伸臂的情況下再在外筒四周加上一圈圈梁，可以提高外框筒的豎向抗剪剛度，進(jìn)一步削弱底層的剪力滯后效應(yīng)。

3.4 加強(qiáng)層設(shè)置位置對剪力滯后的影響

圖4繪制了方案1、4、8、9、10的底10層剪力滯后值。

圖4 方案1、4、8、9、10剪力滯后值

可以看出，加強(qiáng)層設(shè)置的位置不同，筒中筒結(jié)構(gòu)底部剪力滯后的效應(yīng)程度也不同，其中在0.5H和0.6H處布置加強(qiáng)層，對剪力滯后的抑制效果最好。

3.5 加強(qiáng)層數(shù)量對剪力滯后的影響

圖5繪制了方案1、9、11、12的底10層剪力滯后值?？梢钥闯?，隨著水平加強(qiáng)層數(shù)量的增加，剪力滯后效應(yīng)顯著減小。

3.6 加強(qiáng)層剛度對剪力滯后的影響

表2對比了方案4～7四個方案的分析結(jié)果。可以看出，只在頂層設(shè)置一道加強(qiáng)層的情況下，增加加強(qiáng)層伸臂梁的剛度在一定程度上能改善剪力滯后效應(yīng)。

表2 方案4～7分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文通過對算例的Midas/Gen有限元分析，對比分析了不同加強(qiáng)層設(shè)置方案，研究了水平加強(qiáng)層對筒中筒結(jié)構(gòu)中下部剪力滯后效應(yīng)的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)設(shè)置伸臂后，可以有效減小剪力滯后效應(yīng)。而再在外框筒布置一圈圈梁，可以提高外框筒的豎向抗剪剛度，進(jìn)一步抑制剪力滯后效應(yīng)。

(2)在僅設(shè)置一道水平加強(qiáng)層的情況下，加強(qiáng)層設(shè)置的位置不同，對剪力滯后的抑制效果也不同。在JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.3.2條中規(guī)定，當(dāng)布置一個加強(qiáng)層時，可設(shè)置在0.6倍房屋高度附近。分析結(jié)果表明，加強(qiáng)層布置在0.5倍或0.6倍房屋高度附近，對剪力滯后的抑制效果最佳。

(3)僅在結(jié)構(gòu)頂層布置加強(qiáng)層時，加強(qiáng)層伸臂梁的剛度對剪力滯后效應(yīng)有一定影響，但是僅僅加大加強(qiáng)層抗彎剛度，對剪力滯后效應(yīng)的減小作用并不明顯。

(4)按照J(rèn)GJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.3.2條規(guī)定的加強(qiáng)層設(shè)置方式，設(shè)置兩道或者三道加強(qiáng)層時，剪力滯后效應(yīng)的減小效果十分顯著。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] 鄭之義，林金樾.剪力滯后效應(yīng)的產(chǎn)生及其影響因素[C]//第十六屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集.2016.

[3] 劉中輝，王全鳳.框筒結(jié)構(gòu)長寬比對剪力滯后的影響及其分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005,26(3):331-332.

[4] 沈蒲生，孟煥陵.高層混合結(jié)構(gòu)中樓蓋剛度——對結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006,8(3):1-6.

[5] 高雁.筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)研究及其簡化分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

TU311

A

[定稿日期]2017-05-22

汪義凡(1993～)，男，在讀研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。