摘要:通過一高層混合結(jié)構(gòu)的算例，改變外鋼框架與混凝土核心筒之間的剛度比以及在不同的層高設(shè)置加強層，對高層鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的受力和變形性能進行分析比較。結(jié)果表明，增加剪力墻厚度可以顯著的增大剪力墻承擔的總軸力，并有效的減小樓層豎向位移;加強層對結(jié)構(gòu)豎向變形的影響很大，合理的設(shè)置加強層可有效的減小結(jié)構(gòu)的豎向變形差。

關(guān)鍵詞:高層 混合結(jié)構(gòu) 剛度比 加強層

0 引言

高層混合結(jié)構(gòu)在豎向荷載下的受力性能與豎向荷載的大小、施工過程以及混凝土的收縮、徐變等因素有關(guān)。在這篇文章中，我們只討論豎向荷載一次加載下的受力性能，其他因素將在以后進行討論。下面以一個高層混合結(jié)構(gòu)為對象，分別按不同的鋼框架與混凝土剪力墻剛度比以及不同位置設(shè)置加強層時的受力和變形情況進行計算和比較，提出了此類結(jié)構(gòu)合理剛度比及合理加強層位置的建議。

1 計算分析

1.1 算例概況

結(jié)構(gòu)為二十三層外鋼框架-內(nèi)混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高為78.3m，1到2層層高為4.5m，3到23層層高為3.3m。在結(jié)構(gòu)的1、2層抽柱形成大空間，外鋼框架柱、梁均采用方鋼管。全部柱及加強層梁尺寸為800mm×800mm×55mm;其余的梁尺寸均為600mm×600mm×55mm;芯筒為鋼筋混凝土，墻厚根據(jù)計算方案不同從200mm到600mm變化;標準層鋼筋混凝土樓板厚150mm，加強層及抽柱處樓板厚200mm。鋼材采用Q235，混凝土為C40?；詈奢d取值為3kN/m2。

1.2 計算方案

計算程序采用大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元程序ANSYS6.1，采用梁、殼單元進行分析。為了探尋剪力墻與鋼框架不同剛度比以及不同位置設(shè)加強層對結(jié)構(gòu)豎向受力性能的影響，采用如下幾個方案進行分析計算:方案一(w2):剪力墻厚度為200mm;方案二(w3):剪力墻厚度為300mm;方案三(w4):剪力墻厚度為400mm;方案四(w6):剪力墻厚度為600mm;每種方案里面又分5種情況:①不設(shè)加強層(s0);②第3層加強(s3);③第3、14層加強(s3-14);④第3、23層加強(s3-23);⑤第3、11、23層加強(s3-11-23)。

1.3 計算結(jié)果

1.3.1 變剪力墻厚度時剪力墻承擔的總軸力比較

隨著剪力墻厚度的增加，剪力墻承擔的總軸力均大幅增加，大于20%，增加百分數(shù)逐漸減小。不設(shè)加強層時，剪力墻厚度增加100mm，承擔的軸力平均增加22.05%;厚度增加200mm，承擔的軸力平均增加39.17%;厚度增加400mm，承擔的軸力平均增加63.55%。第3層設(shè)加強層后，剪力墻承擔的軸力隨墻厚增加的變化情況和不設(shè)加強層時的變化相差不大，分別增加1.3%、2.67%和4.95%，加強層以下墻的軸力隨墻厚的增加影響逐漸減小。設(shè)第2、3道加強層與設(shè)1道加強層時相比的平均增長幅度變化不大于2%。第3層和頂層加強時，頂層剪力墻承擔的軸力隨墻厚的增加變化不大，當墻厚增加100mm、200mm和400mm時，軸力分別增加2.3%、1.88%和1.96%。

1.3.2 不同位置設(shè)置加強層時剪力墻承擔的軸力比較

剪力墻厚為200mm時，第1道加強層設(shè)在第3層時，豎向荷載下剪力墻承擔的軸力，在加強層突然增大14.8%;加強層以下剪力墻軸力增大，但增大百分比顯著減小(<1.9%);加強層向上至頂層剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。在第14層設(shè)第2道加強層時，第3層以下與只設(shè)1道加強層時相比剪力墻軸力增加小于1.0%;從第1道加強層以上到第2道加強層之間，剪力墻承擔的軸力比不設(shè)加強層時的減小，減小百分比逐漸減小，但減小量低于只設(shè)1道加強層時的減小量;第2道加強層處剪力墻軸力則突然增大7.66%;第2道加強層以上至頂層，剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。第2道加強層設(shè)在頂層時，第3層以下與第2道加強層設(shè)在第14層時的相比，變化小于0.5%;第3層以上墻軸力的變化與不設(shè)加強層時相比從減小9.96%向上逐漸變化到頂層的增加100.52%。在第3、11、23層處設(shè)置共3道加強層時，剪力墻承擔的軸力與不設(shè)加強層時相比，加強層處均突然增大，從下向上增大的百分比分別為15.76%、6.12%和75.33%;第3層以上到第10層軸力減小，減小百分比逐漸減小;第11層以上到第22層，軸力從減小10.57%逐漸變化到增大25.50%。

1.3.3 頂點豎向位移的比較

剪力墻厚為200mm時，第3層設(shè)加強層，各點位的頂點豎向位移顯著減小，最大減小12.51%，最小減小4.95%，變形差由2.5mm減少為2.15mm;第3、11和23層設(shè)加強層，點5豎向位移減小9.57%，點7豎向位移增大8.92%，變形差減小為1.18mm。

剪力墻厚為300mm時，不設(shè)加強層時，與墻厚為200mm時相比，頂層各點的豎向位移顯著減小，最大減小14.1%，平均減小11.05%，但頂層的豎向變形差增大了17.2%;頂點豎向位移隨加強層的變化規(guī)律和墻厚為200mm時的相同，兩者相差不大(<1.0%)。

1.4 計算結(jié)果分析

剪力墻的厚度增加100mm、200mm和300mm后，墻軸力分別增加22%、39%和64%左右;由于該結(jié)構(gòu)高78.3m，剪力墻厚度不會達到600mm，所以可以說剪力墻厚度每增加100mm，其承擔的總軸力將增加20%左右。這說明增大剪力墻的厚度可以明顯的增大其豎向剛度，“脊柱”作用明顯加強，可以承擔更多的豎向荷載。同時，隨著剪力墻厚度的增加，頂層各點的豎向位移也明顯減小。墻厚減小100mm、200mm、400mm時，頂層各點的豎向位移差分別減小17.2%、23.6%和33.6%，這說明剪力墻厚度的減小，使豎向變形更為均勻。

第3層設(shè)置為加強層后，豎向荷載下剪力墻承擔的軸力，在加強層突然增大(7.75～14.8%);加強層至底層剪力墻軸力增大，增大百分比顯著減小;加強層至頂層剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。第2道加強層設(shè)在第14層時，2道加強層之間從下至上軸力減小，減小百分比逐漸減小，但減小量低于只設(shè)1道加強層時的減小量。頂層設(shè)有加強層時，對頂層的墻軸力影響最大，最大可增大100.52%?？傮w來看，剪力墻軸力在加強層及其附近幾層變化最大。在加強層處顯著增大;在加強層以下，軸力增大，但增大幅度較小，且增大百分比逐漸減小;在加強層以上，軸力減小，減小百分比也逐漸減小。

2 結(jié)論

通過以上分析，對于高層外鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載一次加載下的受力性能，可以得出以下結(jié)論:

2.1 增加剪力墻的厚度，可以顯著的增加剪力墻承擔的總軸力、減小樓層的平均豎向位移;減小剪力墻厚度可減小樓層的豎向位移差;

2.2 設(shè)加強層僅對加強層及其附近幾層的受力影響較大:加強層處剪力墻軸力突然增大;加強層以下軸力增大，增大百分比逐漸減小;加強層以上軸力減小，減小百分比逐漸減小;

2.3 設(shè)加強層可以減小柱子的豎向變形，增大剪力墻的豎向變形，從而顯著減小樓層的豎向變形差;但隨加強層道數(shù)增加，豎向位移差的減小幅度減弱，故加強層不宜多設(shè);

2.4 改善結(jié)構(gòu)的豎向受力性能和變形性能，應(yīng)適當?shù)脑黾蛹袅Φ暮穸群驮O(shè)置加強層;

2.5 加強層附近幾層內(nèi)力發(fā)生突變，設(shè)計時應(yīng)對加強層相連接的構(gòu)件予以加強。