超限高層建筑結(jié)構(gòu)加強層設(shè)置方案比選
——以某54層商住樓為例

汪方羲

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中已經(jīng)廣泛應(yīng)用帶加強層的現(xiàn)澆混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。設(shè)置加強層會引起結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，位移和應(yīng)力易向加強層附近集中，形成結(jié)構(gòu)薄弱層，因此設(shè)計中一般從概念上強調(diào)調(diào)整原建筑結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)適當，設(shè)置“有限剛度”加強層僅用來彌補原結(jié)構(gòu)整體剛度不足，使結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范的最低要求，以減少水平作用下建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。從類型上分，常見的加強層有水平伸臂加強層及周邊環(huán)帶構(gòu)件加強層兩種。在框筒結(jié)構(gòu)中，水平伸臂加強層與環(huán)帶加強層一同設(shè)置，能進一步增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，同時將與水平伸臂相連少數(shù)柱子上產(chǎn)生的附加軸力分散到其他框架柱，使外圈框架柱所受軸力二次調(diào)整均勻。

現(xiàn)行設(shè)計標準《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.3節(jié)，僅對設(shè)置加強層的高層結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置給出建議性意見，對加強層及上下樓層區(qū)域抗震構(gòu)造加強措施上給出基本要求，應(yīng)用于具體的加強層實際工程設(shè)計時存在指導(dǎo)性、約束性不強以及無具體量化界定的問題。具體工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)加強層設(shè)置的類型、位置及數(shù)量怎樣確定、水平伸臂加強層是否應(yīng)和環(huán)帶加強層一同設(shè)置等問題，一般均由設(shè)計人員依據(jù)類似工程設(shè)計經(jīng)驗確定，缺乏詳細的、明確的指導(dǎo)性意見[1-2]。

為探索出合理的帶加強層超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，本論文以安徽蚌埠S6地塊商住樓筒體-稀柱框架結(jié)構(gòu)為研究對象，以結(jié)構(gòu)位移角為控制指標，比較不同位置、數(shù)量、類型的水平剛層加強層對結(jié)構(gòu)的作用，通過加設(shè)結(jié)構(gòu)加強層、改變加強層的位置和數(shù)量分別得到了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并基此比較不同方案對整體結(jié)構(gòu)的周期、整體側(cè)向位移以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，為結(jié)構(gòu)工程師更好地把握混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)安全度，使類似結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更加經(jīng)濟合理提供應(yīng)用參考。

1 工程概況

安徽蚌埠S6地塊商住樓，位于鳳陽西路北側(cè)、中山街東側(cè)、圈堤西路南側(cè)，總建筑面積約67 000m2，地下2層，為地下停車庫。地上54層，1～2層為大堂，局部為商業(yè)；第15、30及45層為避難層，其他為公寓。主要屋面高度為180m，超過7度區(qū)框筒結(jié)構(gòu)130m的A級高度限值。項目效果圖及平面圖如圖1所示。

(a)建筑效果圖

(b)標準層平面圖圖1 建筑效果圖及平面布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

未設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層時，分析結(jié)果表明：該高樓樓層剪重比偏小，不符合《抗規(guī)》5.2.5條要求；同時，在地震作用及風(fēng)荷載作用下，X向多處樓層位移過大，于36層處出現(xiàn)最大層間位移角1/731，多處樓層層間側(cè)移角不滿足規(guī)范要求，因此應(yīng)適當加大X向抗側(cè)力剛度。

2 設(shè)置方案

參照《高規(guī)》10.3.2條建議及相關(guān)文獻理論分析，加強層的位置宜：布置一個加強層時，位置可位在建筑高度0.6倍附近；兩個加強層時，可布置在建筑頂層和建筑高度0.5倍處?！陡咭?guī)》第10.3.2條僅對加強層設(shè)置辦法給出概念性的建議，具體至該工程，第15層、第30層及第45層具有設(shè)置加強層條件。

該工程結(jié)合相關(guān)文獻研究成果及建筑條件，擬在第30層及第45層設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層。按“有限剛度”設(shè)置原則，通過設(shè)置不同位置加強層以及單獨設(shè)置水平伸臂加強層、單獨設(shè)置環(huán)帶加強層與同時設(shè)置水平伸臂及環(huán)帶加強層，對其進行樓層結(jié)構(gòu)彈性位移敏感性分析比較。方案比較時，加強層水平伸臂構(gòu)件采用工字鋼500×1000×100，在核心筒與外圍框架柱間呈人字型設(shè)置，各層沿X向布置兩道與核心筒轉(zhuǎn)角節(jié)點剛接相連，周邊環(huán)帶加強層采用工字鋼400×600×80，在外圍框架柱間人字型設(shè)置?；炷亮杭咏徊嫘苯罴訌?，保證梁抗剪承載力大于抗彎承載力。

對比設(shè)置方案如下：方案一于建筑第30層設(shè)置一道水平伸臂加強層；方案二于建筑第45層設(shè)置一道水平伸臂加強層；方案三于建筑第30層及第45層設(shè)置兩道水平伸臂加強層；方案四于建筑第30層及第45層設(shè)置兩道周邊環(huán)帶加強層；方案五于建筑第30層設(shè)置一道水平伸臂加周邊環(huán)帶加強層。

水平伸臂加強層與周邊環(huán)帶加強層三維示意圖如圖3所示。

圖3 水平伸臂加強層與周邊環(huán)帶加強層三維示意圖

3 對比結(jié)果

設(shè)置加強層后，各加強層方案在常遇地震及風(fēng)荷載作用下層間位移角如圖4～圖8所示(圖中豎向坐標為樓層，如56代表56樓層處)。

圖4 方案一層間位移角曲線圖

圖5 方案二層間位移角曲線圖

圖6 方案三層間位移角曲線圖

圖7 方案四層間位移角曲線圖

圖8 方案五層間位移角曲線圖

當前，關(guān)于加強層優(yōu)化布置的研究很多，但研究時采用的工程計算簡圖、分析對比指標各有差異，考慮的影響因素也有所不同。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，從控制樓層彈性位移角度來說，主要結(jié)構(gòu)特性對比如表1所示。

表1 加強層設(shè)置方案主要結(jié)構(gòu)特性對比

由計算結(jié)果，對比分析各加強層設(shè)置方案綜合如下：

(1)對比方案一與二，當只設(shè)置一道加強層時，于第30層設(shè)置控側(cè)移效果優(yōu)于在第45層處設(shè)置，兩樓層分別在底部固定端以上0.56H及0.83H處(H為結(jié)構(gòu)總高度)，結(jié)合初算模型最大層間位移角出現(xiàn)于第36層約0.65H處，從一定角度上驗證了《高規(guī)》第10.3.2條單道加強層0.6H設(shè)置的合理性；

(2)對比方案一與三，因建筑條件限制，無法按《高規(guī)》10.3.2-1條建議于建筑頂層和0.5倍總高度設(shè)置加強層，兩道加強層距離不足，設(shè)置兩道水平伸臂加強層剛度提高數(shù)值有限，對結(jié)構(gòu)底部的傾覆彎矩和剪力基本沒有影響，控側(cè)移效率不如設(shè)置一道加強層，因此設(shè)置兩個加強層沒有明顯的意義；

(3)對比方案一、三及四，于第30層及第45層處設(shè)置兩道環(huán)帶加強層后，外圍框架柱形成兩道“加強箍”，整體側(cè)向剛度有所增加，能夠減少結(jié)構(gòu)頂點側(cè)移和前兩階自振周期[5-6]。加設(shè)環(huán)帶加強層后，在風(fēng)荷載作用下，對結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制效果好于設(shè)置一道水平伸臂加強層，在地震作用下,設(shè)置兩層環(huán)帶對結(jié)構(gòu)側(cè)移及結(jié)構(gòu)自振周期的影響效果與設(shè)置一道水平伸臂加強層時基本相同。單獨設(shè)置兩道環(huán)帶加強層所增加的支撐斜梁數(shù)量遠多于兩道水平伸臂加強層，成本增加較大，且提高結(jié)構(gòu)整體剛度效果卻不如兩道水平伸臂加強層的明顯。

(4)根據(jù)相關(guān)資料[7]研究，對于帶有剛度很大的水平伸臂加強層的現(xiàn)澆混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體傾覆力矩可以利用水平伸臂下框架柱的拉壓力形成的反向彎矩來平衡，產(chǎn)生的額外拉壓力使水平伸臂下框架柱的軸力遠大于其它外圍框架柱，外圍框架柱軸力分布極不均勻。加設(shè)環(huán)帶構(gòu)件后，剛度很大的環(huán)帶迫使外圍框架的翼緣柱共同變形，使得各外圍框架柱軸力差異變小，各柱軸力趨向均勻，同時可以改善加強層樓板的受力狀態(tài)。比較方案一與無加強層模型，地震作用下層間最大位移角減少約3%，小于資料[8]所統(tǒng)計的加強層位移控制減少值，即所加水平伸臂加強層剛度有限。加設(shè)剛度有限的水平伸臂加強層后，水平伸臂下框架柱與其它外圍框架柱軸力差別不大，因此附加環(huán)帶加強層作用有限。

綜上分析，該工程最終按“有限剛度”設(shè)置原則，于第30層處設(shè)置水平伸臂加強層為相對最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

在高層框筒結(jié)構(gòu)中利用避難層及設(shè)備層設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層，能進一步發(fā)揮周邊框架柱的軸向剛度作用，有效提高整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。就減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移量來說，水平伸臂加強層效果好于環(huán)帶加強層；當只設(shè)置一道加強層時，“最佳位置”為建筑高度0.6H附近，與規(guī)范推薦位置一致。

同時，對照在地震作用下的位移及內(nèi)力曲線，設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變及結(jié)構(gòu)整體傳力途徑的改變。因此，設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層必須予以專門的計算分析，并采用有效的加強措施。