摘要：以具體工程的計算模型為例，通過加強層設(shè)置與否、加強層設(shè)置數(shù)量及位置差異等方式，采用設(shè)計軟件SATWE對比分析結(jié)構(gòu)的自振周期、側(cè)向位移、剪力分布、柱軸力分布、核心筒傾覆彎矩分布等，探討剛性加強層設(shè)置對超高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能影響，所得結(jié)論可供同類超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：剛性加強層；超高層建筑結(jié)構(gòu)；受力性能

中圖分類號：TU972⁺.9

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422(2009)05-0198-03

1 引言

用剛臂來提高框架一核心簡體系的抗推能力的概念，最早由Barback提出，并于1962年應(yīng)用于加拿大蒙特利爾的一幢47層的鋼結(jié)構(gòu)大樓。1973年美國Milwaukee市建成的42層、高183m的威斯康星中心大樓，也采用帶剛臂的“斜撐心筒框架”體系。剛性加強層在國內(nèi)首先用于超高層鋼結(jié)構(gòu)，以提高抗側(cè)力剛度，改善內(nèi)支撐框架的受力狀況。近幾年來，加強層開始用于超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并日趨廣泛。

自Barkacki于1962年提出加強層的概念并首次應(yīng)用于實際工程中以來，國內(nèi)外的學(xué)者和工程師在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展和完善這種結(jié)構(gòu)形式。1975年，美國學(xué)者Taranath就將復(fù)雜的帶加強層框架核心筒結(jié)構(gòu)簡化為伸臂剛度為無窮大的簡單計算模型，考慮風(fēng)荷載作用下加強層的位置優(yōu)化問題，并得到此時加強層位置接近結(jié)構(gòu)中部，位于離頂層0.455倍全高位置的結(jié)論。同年，MC.Nabb和Mubdi證實了Taranath分析設(shè)置一道加強層的結(jié)構(gòu)所得的結(jié)論，并進一步求得帶兩道加強層的結(jié)構(gòu)的加強層最優(yōu)位置在離結(jié)構(gòu)頂部0.312和0.685倍全高處。1981年，加拿大B.Staffofd.Smith教授認為伸臂剛度是有限的，對這一模型進行了修正，提出了均勻加強層結(jié)構(gòu)的近似分析方法。1983年，Boggs和Gas-parini分析了核心筒和外圍框架柱截面沿結(jié)構(gòu)高度線性變化的帶單道加強層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，并給出這種條件下加強層的最優(yōu)位置。1985年，蘇格蘭學(xué)者Moudarres和Coull在簡化模型基礎(chǔ)上，認為加強層的最優(yōu)位置在離底層0.5～0.55結(jié)構(gòu)全高之間。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和國內(nèi)高層、超高層建筑的不斷增加，國內(nèi)學(xué)者也在帶加強層的框筒結(jié)構(gòu)體系方面做了大量的分析和研究。

本文以具體工程的計算模型為例，通過加強層設(shè)置與否、加強層設(shè)置數(shù)量及位置差異等方式，采用設(shè)計軟件SATWE對比分析結(jié)構(gòu)的自振周期、側(cè)向位移、剪力分布、柱軸力分布、核心筒傾覆彎矩分布等，探討剛性加強層設(shè)置對超高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能影響，所得結(jié)論可供同類超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2 工程簡介

某工程總建筑面積約18.3萬m²，總建筑高度為286.80m，整棟建筑高寬比為6.4；塔樓地上共58層，裙房地上6層；地下室共6層。塔樓主體結(jié)構(gòu)高度269.65m，地下室深度30.8m。地下室主要為設(shè)備用房、車庫等，其中地下四層和地下五層為3.1 m層高的板柱結(jié)構(gòu)停車庫。地上部分裙房七層以下為賓館大堂、商業(yè)、會議等，層高為6m；塔樓八層至二十八層為標準客房區(qū)，層高3.7m；三十層以上為辦公區(qū)，層高4.5m；二十九層和四十四層為避難層，層高6m。塔樓主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架一核心筒結(jié)構(gòu)，核芯筒高寬比為15，屋面構(gòu)架采用鋼結(jié)構(gòu)；裙房采用鋼筋混凝土框架。

由于本工程核心筒呈橢圓形，兩個方向剛度差別較大，短軸方向結(jié)構(gòu)剛度較小，短軸方向結(jié)構(gòu)總高與核心筒寬度之比較大，因此在二十九層和四十四層利用建筑設(shè)備層(避難層)設(shè)置結(jié)構(gòu)加強層，采用鋼結(jié)構(gòu)水平伸臂桁架增大結(jié)構(gòu)剛度。斜腹桿采用寬翼緣的H型鋼，上下弦桿采用型鋼混凝土構(gòu)件。

本工程地震作用基本參數(shù)為：抗震設(shè)防類別為丙類；抗震設(shè)防烈度為6度；設(shè)計基本地震加速度值為0.05g；建筑場地類別：I類：場地勘探深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)崩塌、斷層、滑坡、軟弱帶及巖溶等不良地質(zhì)作用，是穩(wěn)定的場地；設(shè)計地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)抗震等級如下：二十九層加強層及其相鄰層、四十四層加強層及其相鄰層的框架柱和核心筒剪力墻的抗震等級：一級?？蛑е稗D(zhuǎn)換桁架抗震等級一級。地下二層及以上的其余框架和核心筒剪力墻抗震等級：二級，考慮到結(jié)構(gòu)高度超限，抗震措施中構(gòu)件內(nèi)力放大系數(shù)提高為一級。地下三層抗震等級：三級。地下四層及以下抗震等級：四級。

3 加強層的設(shè)置對結(jié)構(gòu)受力性能的影響

為探討加強層設(shè)置與否、加強層數(shù)量及位置為結(jié)構(gòu)受力性能的影響，設(shè)置如下四種方案，方案1：各層均不設(shè)置加強層；方案2：在29層處設(shè)一道加強層，樓層標高為119.70m；方案3：在44層處設(shè)一道加強層，樓層標高為188.70m；方案4：在29，44層處設(shè)二道加強層。以具體工程的計算模型為例，對比分析結(jié)構(gòu)的自振周期、側(cè)向位移、剪力分布、柱軸力分布、核心筒傾覆彎矩分布等。

3.1 對結(jié)構(gòu)自振周期的影響

水平加強層能夠增強結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)移效果，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度得到一定的提高，從而影響到結(jié)構(gòu)的自振周期，加強層設(shè)置對結(jié)構(gòu)自振周期的影響見表1。

由表1可知，加強層的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的整體剛度有明顯增強的作用，從而使結(jié)構(gòu)的低階自振周期明顯變短。在29層處設(shè)置的一道加強層使結(jié)構(gòu)的第一周期減小0.3331秒，減小4.1％：在44層處設(shè)置的一道加強層使結(jié)構(gòu)的第一周期減小0.2231秒，減小2.8％；在29，44層處設(shè)置的二道加強層使結(jié)構(gòu)的第一周期減小0.4913秒，減小6.0‰

結(jié)構(gòu)自振周期的減小程度還與加強層的具體設(shè)置位置及數(shù)量有關(guān)。結(jié)構(gòu)自振周期的減小效果隨著加強層數(shù)目的增多這種效果而有所增加，但增加的幅度變緩。另外，當(dāng)僅設(shè)置一道加強層時，設(shè)置在29層處的一道加強層(位于整棟樓高的0.417高度處)對結(jié)構(gòu)的低階自振周期要明顯優(yōu)于設(shè)置在44層處的一道加強層(位于整棟樓高的0.66高度處)。

對于高階振型，一般來說，結(jié)構(gòu)自振周期對于加強層的設(shè)置并不敏感，加強層的效果得不到有效發(fā)揮。因此，加強層的設(shè)置對某高階的振動周期有失效的情況，如表中的T4，四種方案的自振周期幾乎沒有變化，而這種失效的程度，也將與加強層在結(jié)構(gòu)中所處的位置及結(jié)構(gòu)本身剛度分布有關(guān)。但是，對于某些高階振型，當(dāng)加強層的設(shè)置在該階振型的拐點處時，結(jié)構(gòu)自振周期對于加強層的設(shè)置又十分敏感，加強層的效果能有較好發(fā)揮，如表中的T8另一方面對于結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)及豎向振動，加強層的設(shè)置作用不明顯，其原因是僅設(shè)置伸臂加強層的平面外剛度并不大，從而也就不會對扭轉(zhuǎn)及豎向振動產(chǎn)生較大的影響，如表中的T3、T6、T9。

3.2 對結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響

超高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)置了水平加強層后，由于剛性水平伸臂使得外圍框架柱產(chǎn)生軸向拉壓力，從而形成整體力偶矩，平衡了一部分由水平外荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，從而大大減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。風(fēng)荷載及地震荷載作用下加強層設(shè)置對結(jié)構(gòu)側(cè)移動的影響分別見表2。

由表2可知，(1)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)頂層點的位移值大大超過地震荷載下結(jié)構(gòu)頂層點的位移值；(2)風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角大大超過地震荷載下結(jié)構(gòu)最大層間位移角。也就是說，在此超高層結(jié)構(gòu)中，風(fēng)荷載作用效應(yīng)是起主要控制作用的：(3)加強層的設(shè)置對減小結(jié)構(gòu)位移的作用是非常明顯：29層處設(shè)置的一道加強層使位移值減小了6.35％(風(fēng)荷載)和6.38％(地震)，44層處設(shè)置的一道加強層使位移值減小了5.49％(風(fēng)荷載)和5.05％(地震)，而當(dāng)結(jié)構(gòu)于29，44層處設(shè)置二道加強層時則分別減小了10.59％(風(fēng)荷載)和9.92％(地震)。這就說明，在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平加強層的設(shè)置對減小結(jié)構(gòu)的位移的效果是明顯的。(4)另一方面，由于設(shè)置了水平加強層，超高層結(jié)構(gòu)的最大層間位移角所在的樓層位置發(fā)生了明顯的變化，一般水平加強層的剛度都很大，明顯強于其它樓層，它的設(shè)置常常使結(jié)構(gòu)原來的層間剛度發(fā)生了變化，從而也導(dǎo)致了內(nèi)力分布的變化，這一點對于抗震來說是非常不利的，所以應(yīng)該采用設(shè)置“有效剛度”加強層，既能調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度以滿足規(guī)范的最低要求，減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損，又能盡量減少結(jié)構(gòu)剛度突變和內(nèi)力劇增，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄弱層。

3.3 對結(jié)構(gòu)剪力分布的影響

水平加強層的設(shè)置對基底總剪力值的影響一般不大，它并不會改變底部剪力在兩者間的分配率。然而加強層的設(shè)置將對鋼筋混凝土框架和核心筒的剪力豎向分布產(chǎn)生作用，它會引起結(jié)構(gòu)剪力在局部產(chǎn)生突變。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平荷載的作用時，在結(jié)構(gòu)設(shè)置水平加強層的地方。由于斜撐的存在，它會在加強層間的筒體上下部加給核心筒結(jié)構(gòu)一對近似等值反向的水平力，這對水平力會使混凝土核心筒在加強層處產(chǎn)生剪力突變。選取設(shè)置加強層附近的樓層，地震荷載作用下加強層設(shè)置對結(jié)構(gòu)部分樓層剪力的影響。

(1)僅設(shè)置一道加強層時，該樓層的剪力值急劇增大。在本工程項目中，其剪力值增加到了未曾設(shè)置加強層時的4.1倍左右：(2)僅設(shè)置一道加強層時，該樓層的剪力值主要增大的是該層的核心筒部分，在本工程項目中，核心筒部分的剪力值增加到了未曾設(shè)置加強層時的4.7倍左右；(3)僅設(shè)置一道加強層時，相鄰樓層的樓層剪力值變化不大，但相鄰樓層的核心筒部分的剪力值將略有下降；(4)當(dāng)設(shè)置二道加強層的時候，樓層剪力值突變的情況有所緩解，在本工程項目中，其剪力值的增值下降為僅設(shè)置一道加強層時的80％；核心筒部分的剪力值下降為僅設(shè)置一道加強層時的80％：其相鄰樓層的核心筒部分的剪力值變化不大。

從結(jié)構(gòu)抗剪的角度上看，抗震設(shè)計中由于加強層的設(shè)置，會在結(jié)構(gòu)中造成剪力突變，尤其是對于混凝土核心筒，從而形成薄弱層。另一方面，從改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)而言，不應(yīng)該采用剛度很大的加強層。一般來說，加強層的剛度越大，引起的結(jié)構(gòu)剪力突變程度也就越大。從目前的一些相關(guān)文獻可以看出，類似用鋼筋混凝土實腹梁或空腹梁作為加強層的伸臂構(gòu)件，其引起的內(nèi)力突變程度比一般桁架式加強層更大，而當(dāng)選用桁架式的加強層結(jié)構(gòu)，也并不是越剛越好。在能保證了結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移后，在條件允許下，適當(dāng)?shù)卦黾蛹訌妼訑?shù)目能緩解剪力在整體結(jié)構(gòu)中的突變程度，是有好處的。

3.4 對結(jié)構(gòu)柱軸力分布的影響

設(shè)置水平加強層的目的和作用機理是通過剛性水平加強層使得外圍框架柱產(chǎn)生軸向拉力和壓力，組成一個力偶平衡掉一部分由外部水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，從而減少了核心筒體承受的力矩，也大大減少水平側(cè)移。顯然，加強層的設(shè)置將會改變外框架柱的軸力大小和分布。

選取框架柱L4進行分析，X向風(fēng)荷載作用下加強層設(shè)置對框架柱軸力的影響見表4，由表可知，隨著加強層的設(shè)置，框架柱L4的軸力有所增加，幅度約為10％左右，且29層處設(shè)置的加強層作用更為明顯，超過44層處設(shè)置加強層的效果。

3.5 對核心筒傾覆彎矩分布的影響

在加強層設(shè)置對結(jié)構(gòu)剪力分布的影響中，我們注意到鋼筋混凝土框架和核心筒之間，混凝土核心筒體承擔(dān)了絕大部分的水平剪力，同時水平荷載在筒體內(nèi)產(chǎn)生的彎矩也較大。在抵抗結(jié)構(gòu)傾覆彎矩中，它起了主要的作用；另一方面，在設(shè)置了水平加強層后，核心筒體的彎矩分布規(guī)律也將發(fā)生巨大的變化，選取H軸的核心筒墻肢進行比較分析。

X向風(fēng)荷載作用下加強層設(shè)置對核心筒墻肢底部彎矩的影響見表5，由表可知，隨著加強層的設(shè)置，核心筒墻肢的底部彎矩值有所減小，二道加強層減小的幅度大于僅設(shè)置一道加強層減小的幅度；且設(shè)置在29層加強層的作用效果要優(yōu)于設(shè)置在44層的加強層。

4 結(jié)論

4.1 加強層的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的整體剛度有增強的作用，使結(jié)構(gòu)的低階自振周期明顯變短。對于高階振型，結(jié)構(gòu)自振周期對于加強層的設(shè)置并不敏感。結(jié)構(gòu)自振周期的減小效果隨著加強層數(shù)目的增多而增加，但增加的幅度變緩。另外，當(dāng)僅設(shè)置一道加強層時，設(shè)置在29層處的一道加強層(位于整棟樓高的0.417高度處)對結(jié)構(gòu)的自振周期和位移的減小幅度等均要明顯優(yōu)于設(shè)置在44層處的一道加強層(位于整棟樓高的0.66高度處)的作用。

4.2 在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，一方面水平加強層的設(shè)置對減小結(jié)構(gòu)的位移的效果明顯；另一方面，由于設(shè)置了水平加強層，超高層結(jié)構(gòu)的最大層間位移角所在的樓層位置發(fā)生了明顯的變化。一般水平加強層的剛度都很大，明顯強于其它樓層，它的設(shè)置常常使結(jié)構(gòu)原來的層間剛度發(fā)生了變化，從而也導(dǎo)致了內(nèi)力分布的變化，這一點對于抗震來說是非常不利的，所以應(yīng)該采用設(shè)置“有效剛度”加強層，既能調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度以滿足規(guī)范的最低要求，減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損，又能盡量減少結(jié)構(gòu)剛度突變和內(nèi)力劇增，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄弱層。

4.3 水平加強層的設(shè)置對基底總剪力值的影響不大，其主要影響的是鋼筋混凝土框架和核心筒的剪力豎向分布，它會引起結(jié)構(gòu)剪力在加強層附近樓層產(chǎn)生突變。在條件允許下，適當(dāng)?shù)卦黾蛹訌妼訑?shù)目，減少每一層加強層的剛度對結(jié)構(gòu)抗震有利的。

4.4 隨著加強層的設(shè)置，框架柱在加強層的軸力值大幅增加，且軸力增加的幅度與加強層與樓層豎向剛度比值的大小成正比；同時，核心筒墻肢在加強層的彎矩值發(fā)生反向突變。