虛擬伸臂在混合高層建筑中的分析和運用

彭寧

摘 要：以某超限混合高層建筑為例，對由環(huán)帶桁架、核心筒、外圍型鋼混凝土框架柱及組合樓板共同形成的的虛擬伸臂桁架進(jìn)行分析，介紹了虛擬伸臂的基本原理，比較了不同樓板厚度、環(huán)帶桁架設(shè)置的位置對結(jié)構(gòu)整體性能的影響。此外介紹了虛擬伸臂在本項目設(shè)計中所采取的措施及性能目標(biāo)的選取，為虛擬伸臂在實際工程中的運用提供案例參考。

關(guān)鍵詞：虛擬伸臂；環(huán)帶桁架；加強(qiáng)層

1、工程概況

本項目位于寧波市江北核心區(qū)，其中四號地塊主要由一幢48層的超高層辦公樓和附屬5層商業(yè)裙房組成，該樓地上48層，結(jié)構(gòu)大屋面標(biāo)高為220m，屋面上有鋼結(jié)構(gòu)幕墻圍護(hù)造型，頂標(biāo)高為240m，地上部分辦公塔樓與裙房之間設(shè)縫脫離。塔樓采用型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核芯筒結(jié)構(gòu)+加強(qiáng)層（環(huán)帶桁架）結(jié)構(gòu)體系，以抵抗風(fēng)和地震產(chǎn)生的水平作用。主樓在±0.000以下部分地下室連為整體，地下室共三層，主樓位于地下室部分周邊設(shè)置沉降后澆帶。主體結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1.1。

2、虛擬伸臂的基本原理

當(dāng)加強(qiáng)層僅設(shè)置環(huán)帶桁架時，環(huán)帶桁架通過樓層板與核心筒共同形成虛擬伸臂作用。虛擬伸臂基本原理是利用加強(qiáng)層樓板的面內(nèi)抗剪剛度。核心筒的彎曲變形在加強(qiáng)層上下層的樓板形成水平力偶，以樓板面內(nèi)剪力形式傳遞給環(huán)帶桁架，最終在外框柱中形成豎向抵抗力偶。虛擬伸臂的作用機(jī)理與實際伸臂桁架相似，樓板和環(huán)帶桁架共同起到了伸臂的作用。由于虛擬伸臂的傳力路徑長，抗側(cè)效果不如伸臂桁架，但剛度突變較小。樓板起到聯(lián)系作用，分配側(cè)向力和協(xié)調(diào)變形，因此虛擬伸臂作用的發(fā)揮效果主要取決于在兩個因素：1）外框剛度；2）加強(qiáng)層樓板面內(nèi)抗剪剛度。其虛擬伸臂傳力的基本原理如下圖2.1。

3、選擇環(huán)帶桁架加強(qiáng)層的原因

本項目在中部28層沿外圍框架柱設(shè)置一圈環(huán)帶桁架，未布置實伸臂桁架，主要有以下幾個方面的原因：

（1）避難層樓層外圍周邊布置環(huán)帶桁架，相對于布置水平實伸臂構(gòu)件對建筑使用功能的影響明顯減小；

（2）實伸臂桁架的設(shè)置使得核心筒的施工速度延緩，影響整個項目的工期；其貫通核心筒內(nèi)部的節(jié)點構(gòu)造較為復(fù)雜；

（3）環(huán)帶桁架能有效減弱剪力滯后效應(yīng)，使周邊框架柱底軸力趨向均勻，受力更合理；

（4）設(shè)置環(huán)帶桁架的加強(qiáng)屬于一種“有限剛度”的加強(qiáng)，其對結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)力突變的影響相對于布置水平伸臂構(gòu)件要小一些。而如采用實伸臂桁架的方式，由于水平伸臂構(gòu)件的剛度相對外圍框架柱較強(qiáng)，地震作用下將首先在與水平伸臂構(gòu)件相連接的外圍框架柱柱端形成塑性鉸，從而形成薄弱位置；

4、樓板在虛擬伸臂桁架中對結(jié)構(gòu)整體性的影響分析

樓板采用膜單元模擬，其剛度主要體現(xiàn)在平面內(nèi)，可取不同的板厚來對比樓板厚度對結(jié)構(gòu)整體的影響。當(dāng)樓板厚度TSlab取不同值時，結(jié)構(gòu)周期、位移和層間位移角見表4.1和圖4.1。

可見，樓板厚度對結(jié)構(gòu)整體性能有所影響，對加強(qiáng)層附近樓層的層間位移影響較大。加強(qiáng)層樓板協(xié)調(diào)框架與核心筒之間的變形，其自身受到較大的面內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)予以加強(qiáng)。加強(qiáng)加強(qiáng)層樓板還可減小內(nèi)外兩種抗側(cè)體系傳力路徑上的變形損失，更大程度發(fā)揮虛擬伸臂的作用。

5、虛擬伸臂桁架布置樓層的敏感性分析

在不改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的前提下，探討了是否需要增設(shè)加強(qiáng)層以及加強(qiáng)層不同的設(shè)置位置，以期得到更合理的結(jié)構(gòu)方案。下表5.1為設(shè)置加強(qiáng)層（環(huán)帶桁架）和不設(shè)置加強(qiáng)層的對比結(jié)果：

從上表可見不設(shè)置加強(qiáng)層的情況下，在風(fēng)荷載控制作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不滿足規(guī)范的要求。設(shè)置加強(qiáng)層（環(huán)帶桁架），能夠增大整體結(jié)構(gòu)剛度，而且加強(qiáng)層設(shè)置在中部比設(shè)置在下部更優(yōu)。

6、虛擬伸臂桁架的計算分析及構(gòu)造

一、環(huán)帶桁架抗震目標(biāo)為中震彈性，驗算準(zhǔn)則如下：

（1）加強(qiáng)層上下弦桿所在樓層樓板厚度增加至180mm（電算考慮壓型鋼板肋對樓板平面內(nèi)剛度的削弱，取160mm），內(nèi)力計算時按彈性樓板。

（2）中震彈性驗算時，為避免樓板承擔(dān)水平力造成弦桿內(nèi)力削弱的影響，驗算桁架受力時，桁架附近樓板分別取實際板厚和取10mm的板厚，對計算內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)作為最終的內(nèi)力。

（3）風(fēng)荷載和小震彈性驗算時，為避免樓板承擔(dān)水平力造成弦桿內(nèi)力削弱的影響，驗算桁架受力時，桁架附近樓板板厚分別取完全剛性、實際板厚和取10mm的板厚，對計算內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)作為最終的內(nèi)力。

二、加強(qiáng)層的構(gòu)造加強(qiáng)措施如下：

（1）對有虛擬伸臂作用的加強(qiáng)層樓板，平面內(nèi)主要承受剪力作用，在設(shè)計中對此處的樓板作詳細(xì)的分析，在構(gòu)造中采取相應(yīng)的措施（桁架附近樓板中部布置水平交叉鋼筋、桁架弦桿采用寬翼緣H型鋼以在樓面鋼梁布置多列加強(qiáng)栓釘、對栓釘?shù)拈g距和長度提出了較高的要求等），并應(yīng)在其與外框架及核心筒的連接節(jié)點部位保證剪力的可靠傳遞。

（2）加強(qiáng)層及其上下相鄰一層的筒體剪力墻按照抗彎中震不屈服，抗剪中震彈性進(jìn)行設(shè)計，和環(huán)帶桁架相連的加強(qiáng)層及其上下相鄰一層的框架柱按照中震彈性進(jìn)行設(shè)計。

（3）加強(qiáng)層環(huán)帶桁架與核心筒剪力墻需要通過樓板起到協(xié)同工作，要求樓板鋼筋錨入剪力墻暗梁足夠的錨固長度，并且要求樓板混凝土與混凝土墻體同時澆筑、不留有施工縫。

7、結(jié)論

（1）虛擬伸臂桁架能減小結(jié)構(gòu)的層間位移及頂點位移，但由于其是通過樓板進(jìn)行間接傳力，樓板剛度對虛擬伸臂桁架所起到的作用大小有一定的制約作用，所以在實際工程中需加強(qiáng)與環(huán)帶桁架相連樓層的樓板剛度及分析，加強(qiáng)節(jié)點的連接，確保力的有效傳遞。

（2）虛擬伸臂桁架設(shè)置的位置對其作用影響較大，通過本項目分析可知，在實際工程中桁架設(shè)置在中部效果較好。

（3）虛擬伸臂桁架能提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，但比傳統(tǒng)伸臂桁架小，對結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)（周期，位移，位移比）的影響程度有限，需根據(jù)實際工程情況進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]施維，李光哲.虛伸臂的適用性研究.佳木斯大學(xué)學(xué)報，2013，31（2）：186-193

[2]高劍平，周方超，羅丹.虛擬伸臂混合高層建筑受力性能研究.華東交通大學(xué)學(xué)報，2013，30（3）：21-25