張麗 蒲爽 曹輝 雷陽

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

1 研究背景

近年來，國內(nèi)、國外高層建筑發(fā)展迅速，現(xiàn)代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。隨著高度的增加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和彎矩將迅速增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)移成為超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。在結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置設(shè)置剛度很大的加強(qiáng)層是一種有效控制結(jié)構(gòu)側(cè)移的方法，為了使結(jié)構(gòu)設(shè)置加強(qiáng)層后能夠滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，必須對加強(qiáng)層的數(shù)量、位置和剛度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并要對設(shè)置加強(qiáng)層后對結(jié)構(gòu)的不利影響進(jìn)行分析，特別是地震作用下的薄弱層問題。因此研究帶加強(qiáng)層的框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系的抗震性能有著非常重要的現(xiàn)實意義。

2 高層建筑加強(qiáng)層的基本知識

2.1 高層建筑加強(qiáng)層的概念

高層建筑加強(qiáng)層是在高層建筑中某幾個部位，通常是利用設(shè)備層或避難層空間設(shè)置剛度較大的水平外伸構(gòu)件加強(qiáng)核心筒與框架柱的聯(lián)系，必要時可設(shè)置剛度較大的周邊環(huán)帶構(gòu)件，加強(qiáng)外周框架角柱與翼緣柱的聯(lián)系。加強(qiáng)層構(gòu)件有三種類型，一是伸臂，二是腰桁架和帽桁架，三是環(huán)向構(gòu)件。帶加強(qiáng)層的高層建筑屬于復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。

2.2 高層建筑加強(qiáng)層的作用機(jī)理

在水平荷載作用下，框架－核心筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒和框架共同承擔(dān)抵抗水平剪力。由于筒體的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于框架，因此，大量的水平剪力由混凝土核心筒來承擔(dān)。通常，核心筒所承受的剪力占全部水平剪力的80%以上，而結(jié)構(gòu)水平荷載所產(chǎn)生的彎矩則由以下三種力矩來平衡：A混凝土內(nèi)筒的彎矩；B外框架柱的彎矩；C外框柱(含外框翼緣柱和腹板柱)中的軸向拉壓力形成的整體力偶矩。在設(shè)計中，由于側(cè)向水平荷載的作用使得建筑物發(fā)生整體彎曲效應(yīng)，產(chǎn)生了力偶矩，沒有設(shè)置水平加強(qiáng)層的時，內(nèi)筒與外框架間連系梁及裙梁的剛度決定了內(nèi)外筒承擔(dān)力偶矩的大小。當(dāng)設(shè)置水平加強(qiáng)層時，將引起框架核心筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的重分布，使得內(nèi)筒、剪力墻、框架柱和梁的內(nèi)力大小及方向發(fā)生重大的顯著變化，若讓所有外柱均參與整體抗彎，使外柱產(chǎn)生拉伸或壓縮，由于外柱離中和軸的距離比芯筒翼緣離中和軸的距離要大，在外柱中產(chǎn)生較大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，柱的軸向剛度又很大，較小的軸向變形就會在柱中產(chǎn)生很大的軸向拉(壓)力。因此，設(shè)置剛性加強(qiáng)層后就會使加強(qiáng)層下面的外柱的軸向拉(壓)力(T或N)增大許多，剛性加強(qiáng)層上下外柱的壓力差 (即加強(qiáng)層端部剪力)就對結(jié)構(gòu)形成了一個數(shù)值較大的力偶矩M，而這個力偶矩與水平外載產(chǎn)生的傾覆力矩方向正好相反，這使剪力墻產(chǎn)生一個反方向的彎曲轉(zhuǎn)動亦即減小剪力墻的傾覆彎矩，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反方向的彎曲，從而使結(jié)構(gòu)側(cè)移減小。此外，設(shè)置水平加強(qiáng)層后，由于加強(qiáng)層自身剛度很大，彎曲變形非常小，可以有效地從剪力墻向外框柱傳遞豎向剪力，避免豎向剪力墻和外框架不能共同形成一個整體抗彎構(gòu)件。這樣以整個建筑寬度抗側(cè)力，自然大大提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗傾覆能力，從而減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)移。

3 帶加強(qiáng)層高層建筑加強(qiáng)層的剛度選擇和結(jié)構(gòu)布置

帶加強(qiáng)層高層建筑結(jié)構(gòu)屬于結(jié)構(gòu)剛度沿豎向發(fā)生突變的結(jié)構(gòu)，在重力、水平荷載作用下加強(qiáng)層及其相鄰層內(nèi)力變化較大，應(yīng)力集中，地震響應(yīng)復(fù)雜，地震區(qū)采用時需采取專門有效的措施，9度抗震設(shè)防地區(qū)不應(yīng)采用。

高層建筑加強(qiáng)層的剛度選擇和結(jié)構(gòu)布置

（1）在地震作用下，框架－核心筒結(jié)構(gòu)宜采用“有限剛度”的加強(qiáng)層?？蚣埽诵耐步Y(jié)構(gòu)，在地震作用下，若結(jié)構(gòu)整體剛度不能滿足設(shè)計要求時，可用以下兩種途徑提高結(jié)構(gòu)整體剛度：一種采用剛度很大的所謂“剛性”加強(qiáng)層；另一種在調(diào)整增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上，設(shè)置“有限剛度”加強(qiáng)層。

（2）水平伸臂構(gòu)件剛度的選擇。設(shè)置“有限剛度”加強(qiáng)層將涉及剛度的選擇問題。圖3.1所示為水平伸臂構(gòu)件剛度變化與結(jié)構(gòu)頂點位移，加強(qiáng)層上、下外框柱彎矩、核心剪力墻彎矩的關(guān)系曲線。

圖3.1 水平伸臂構(gòu)件剛度變化的影響

由圖3.1可見，水平伸臂構(gòu)件剛度當(dāng)大于某一值J2后，如繼續(xù)增加其剛度，則對結(jié)構(gòu)頂點位移及柱和墻的內(nèi)力影響均很??；當(dāng)水平伸臂構(gòu)件剛度小于某一值J1時，其剛度的減少將比較明顯地影響結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力。水平伸臂構(gòu)件的“有限剛度”將盡可能選擇在小于J1的范圍內(nèi)，以減少整體結(jié)構(gòu)剛度突變和內(nèi)力劇增。

（3）“有限剛度”加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)布置。在地震作用下，沿整個結(jié)構(gòu)高度加強(qiáng)層的設(shè)置部位不需強(qiáng)調(diào)最有效之部位，如建筑上允許，沿高度可多設(shè)幾道2－3道加強(qiáng)層，而每道加強(qiáng)層的剛度盡量小，這是比較有利的。這種布置比沿加強(qiáng)層外圍框架設(shè)置周邊環(huán)帶要有利一些。用加強(qiáng)層若采用實體梁式，僅僅通過改變梁的厚度以調(diào)整加強(qiáng)層的剛度，其調(diào)整幅度比較少，而且實體梁很難做到“強(qiáng)剪弱彎”。

4 帶加強(qiáng)層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能探討及需要注意的幾個問題

在超高層建筑中，側(cè)移控制往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計中所面臨的一個主要問題。

4.1 鋼框架-混凝土混合結(jié)構(gòu)發(fā)展和研究狀況

從二十世紀(jì)八十年代初，美國率先在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及后來的鋼骨混凝土（SRC）復(fù)合框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上成功地開發(fā)研制了一種充分利用和發(fā)揮鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件各自在抗彎或抗壓強(qiáng)度、剛度、延性及建筑功能適用性方面優(yōu)勢的新型混合式框架結(jié)構(gòu)體系，即由鋼筋混凝土柱與鋼梁組成的RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系，并已成功地應(yīng)用在中高層建筑中。在國內(nèi)，高層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系近年來發(fā)展十分迅猛，是符合我國國情的較好的高層建筑結(jié)構(gòu)形式之一，被建設(shè)部列為推廣應(yīng)用新技術(shù)。

4.2 帶加強(qiáng)層框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能需要注意的幾個問題

4.2.1 在地震作用下，框架－核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)置剛度很大的“剛性”加強(qiáng)層宜慎重。因為這種加強(qiáng)層雖可減少整體結(jié)構(gòu)位移，但將會引起結(jié)構(gòu)剛度突變、加強(qiáng)層附近結(jié)構(gòu)內(nèi)力劇增，并易形成薄弱層。

4.2.2 設(shè)置加強(qiáng)層后，一定要注意加強(qiáng)層上、下外圍框架柱的強(qiáng)度和延性設(shè)計，可采用勁性鋼筋混凝土并加復(fù)合螺旋箍筋；加強(qiáng)層上下的樓板宜加厚一些，配筋設(shè)計中應(yīng)當(dāng)考慮樓板的翹曲影響，同時，應(yīng)當(dāng)在板的上、下配置雙層、雙向構(gòu)造筋。

4.2.3 在地震作用下，框架－核心筒結(jié)構(gòu)宜采用“有限剛度”加強(qiáng)層，從抗震設(shè)計概念上強(qiáng)調(diào)盡可能調(diào)整增加原結(jié)構(gòu)的剛度，對結(jié)構(gòu)整體剛度只要求其滿足規(guī)范的最低值，“有限剛度”加強(qiáng)層只是彌補(bǔ)整體剛度之不足，以減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破損。

結(jié)語

當(dāng)今社會，復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)中越來越廣泛的應(yīng)用加強(qiáng)層，隨著科技的不斷進(jìn)步，各種智能材料如納米材料的不斷發(fā)展，必將為加強(qiáng)層提供更為廣闊的空間。

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