張 法 新

(天津濱海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設投資有限公司建設管理分公司，天津 300457)

·結構·抗震·

帶加強層高層結構探討

張 法 新

(天津濱海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設投資有限公司建設管理分公司，天津 300457)

簡要介紹了帶加強層高層結構的發(fā)展，對帶加強層高層結構的受力、變形及抗震性能的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)分析和總結，指出目前這一研究領域存在的主要問題和發(fā)展方向，以供相關研究人員參考借鑒。

帶加強層高層結構，變形，抗震，問題

在超高層框架—核心筒結構中，在設備層或避難層設置剛度較大的水平伸臂構件，加強核心筒與外圍框架的聯(lián)系，調(diào)動周邊框架柱軸力抵抗更多的整體傾覆力矩，構成抗側效率更高的帶加強層框架—核心筒結構。Barkacki提出了加強層的概念，并與 1962年在加拿大蒙特利爾一幢47層高的鋼結構大樓應用以來，各國學者和工程師對這種結構體系進行了大量研究。近年來，帶加強層高層結構在國內(nèi)得到了應用，并日趨廣泛，例如上海金茂大廈(421 m)和中國臺北101塔(508 m)。

1 帶加強層高層結構的受力與變形研究

帶加強層高層結構起初的研究主要集中在加強層的位置、數(shù)量和剛度等優(yōu)化問題上，隨后結合實際工程對結構的受力性能開展了深入研究。

1.1 分析模型

建立力學概念明確、假定合理的分析模型是研究帶加強層高層結構受力與變形性能的關鍵，目前為止，分析模型主要分為兩大類：二維簡化模型和有限元模型。

1)二維簡化模型。根據(jù)模型的假定和分析方法的不同，二維簡化模型主要有：變形協(xié)調(diào)模型和連續(xù)化模型。變形協(xié)調(diào)模型最早由Taranath提出，該模型力學概念明確，反映加強層的工作機理與變形模式。但在實際情況中，伸臂的剛度并不是無窮大，需考慮伸臂的彎曲和剪切變形影響以及核心筒截面、框架柱的變化，才能減小與實際結構的誤差。Smith采用連續(xù)化模型研究帶加強層結構體系，其與變形協(xié)調(diào)模型的主要區(qū)別在于將框架近似為1個剪切型懸臂構件，框架與核心筒之間連續(xù)地采用剛性鏈桿連接，剛性鏈桿只傳遞水平荷載。連續(xù)化模型抓住了結構的主要影響因素，忽略局部差異，能較準確反映結構的受力與變形規(guī)律，但伸臂鏈桿數(shù)量較少，其分析精度較差，隨著伸臂鏈桿數(shù)量的增多，其分析精度將提高。2)有限元模型。二維簡化模型屬于平面模型，能基本反映帶加強層結構的受力與變形性能，但其基本假定與實際結構存在較大誤差，分析精度有限，且研究工作大多停留在靜力分析層次，對于大型、復雜的實際工程，必須建立三維有限元模型進行靜力或動力彈塑性分析，才能準確、全面掌握帶加強層高層結構的抗震性能。二維簡化模型便于快速掌握帶加強層結構的受力特性，但分析精度有限；有限元模型的分析結果更接近實際結構，但其建模時間和計算工作量非常大，不利于進行參數(shù)分析和快速估算，實際分析中可綜合兩類模型的優(yōu)缺點予以考慮。

1.2 加強層位置、數(shù)量和剛度的優(yōu)化研究

國內(nèi)外學者采用簡化計算模型對加強層的優(yōu)化位置與數(shù)量進行了分析，Taranath得出單道加強層宜設置在結構0.545倍高度的位置，Moudarres和Coull應用傳遞函數(shù)矩陣法求得了加強層的最優(yōu)位置，但該模型加強層的剛度假設為無窮大，與實際結構的誤差較大。加拿大的Smith提出了考慮加強層有限剛度的均勻伸臂結構的近似分析方法，Hoenderkamp進一步考慮加強層的彎曲和剪切變形影響；張杰考慮了伸臂的實際剛度，研究了伸臂位置對結構的側移與內(nèi)力的變化規(guī)律，但沒有明確伸臂實際剛度的取值范圍。楊克家對伸臂剛度取值進行了優(yōu)化，但采用的伸臂構件為實體梁，且沒有考慮地震作用對伸臂剛度的影響。童根樹推導了雙伸臂巨型結構整體失穩(wěn)的臨界方程，揭示了伸臂巨型結構在本質(zhì)上更加接近于框架結構的性質(zhì)。Malekinejad把伸臂桁架及其所在的核心筒集中為一個剪切核心區(qū)統(tǒng)一處理，把整個結構作連續(xù)化分析，并用matlab編程分析了結構的動力特性。

1.3 受力性能研究

由于實際工程的大量需求，使得國內(nèi)外學者和工程師對帶加強層高層結構受力性能展開了深入地研究，雖然二維簡化模型力學概念明確，初步設計階段較好，但簡化模型的假定與實際結構往往不一致，結構要獲得詳細的彈塑性受力性能，需要進行三維有限元分析。張正國用ETABS和SAP有限元軟件對比分析了某加強層結構的變形和內(nèi)力規(guī)律，結果表明簡化模型與實際模型的分析結果有較大出入。徐培福等人應用多種有限元分析程序(TBSAP，SATWE，SAP)，揭示了該體系的一些諸如內(nèi)力突變、薄弱層及難以實現(xiàn)延性屈服機制等對抗震不利的動力性能。王元清等采用兩個以上的不同力學模型對武漢國際證券大廈結構進行性能分析，計算可見結構剛度突變的樓層為薄弱層。蘇原提出采用較小剛度伸臂的同時加大伸臂截面高度的設計概念以減小結構內(nèi)力的突變。徐培福認為應設置“有限剛度”加強層，以減少結構構件的破損。

1.4 伸臂斜腹桿桁架常見的形式

為了實現(xiàn)“有限剛度”加強層的概念，加強層伸臂宜采用斜腹桿桁架形式，既能適當提高結構的整體剛度，又能盡量減小構件的內(nèi)力突變。統(tǒng)計相關工程案例，常見的伸臂斜腹桿桁架的形式有：1)單斜桿桁架；2)人字形桁架；3)V字形桁架；4)三折線形桁架；5)兩跨人字形桁架；6)兩跨V字形桁架；7)單層X形桁架；8)跨層X形桁架；9)跨層K形桁架。其中，第7)和第8)桁架形式中斜腹桿在交叉點處連接。

2 帶加強層高層結構抗震性能試驗研究

2.1 節(jié)點或局部結構試驗

為有效加強外圍框架柱與內(nèi)部核心筒的聯(lián)系，伸臂桁架需傳遞巨大的內(nèi)力，導致節(jié)點區(qū)內(nèi)力、構造復雜，通常要滿足“強節(jié)點弱構件”“節(jié)點保持彈性”等設計要求，且在不同結構中節(jié)點的設計指標也有所差異，節(jié)點的設計難度較大。國內(nèi)外學者對伸臂桁架的節(jié)點連接進行了試驗研究，Shahrooz等對采用預埋螺釘連接方式的節(jié)點進行了6個1/3比例模型的抗拔試驗研究，得出節(jié)點承載能力不同計算方法會對試驗結果產(chǎn)生較大誤差的初步結論；而后又制作了帶樓板和不帶樓板的2個典型節(jié)點連接構件，通過低周反復試驗得出樓板對試件抗震性能影響不大，并修正了連接部位的設計公式。鄒昀對采用鋼骨鋼筋混凝土形式的節(jié)點試驗表明，該節(jié)點構造形式能保證鋼骨不發(fā)生平面外失穩(wěn)，破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為節(jié)點區(qū)混凝土的開裂。聶建國對伸臂桁架—核心筒剪力墻節(jié)點進行了較為系統(tǒng)的擬靜力試驗，對比采用外包鋼板構造明顯優(yōu)于內(nèi)嵌鋼板構造，并針對外包鋼板節(jié)點形式提出全桿系簡化模型和設計方法。陳以一設計了三種不同的反復加載路徑，考察不同加載方式下伸臂桁架節(jié)點的滯回特性和耗能能力的差別。

2.2 整體結構試驗

沈朝勇等對一座帶鋼骨混凝土桁架及鋼桁架轉(zhuǎn)換層的高層結構模型進行了振動臺試驗，在罕遇地震試驗階段，下部轉(zhuǎn)換層及附近樓層產(chǎn)生一定的破壞后，地震能量轉(zhuǎn)嫁到了結構中部的加強層，使該處加強層的內(nèi)力和變形突變顯著從而產(chǎn)生破壞。由文獻[3]的振動臺試驗現(xiàn)象可知，核心筒裂縫多出現(xiàn)于結構的底部和加強層及其附近樓層，有彎曲型和剪切型的裂縫；伸臂桁架、環(huán)帶架桿件出現(xiàn)壓曲現(xiàn)象也較多，伸臂斜撐節(jié)點出現(xiàn)開裂現(xiàn)象較少；部分試驗中加強層上、下層外框柱開裂或者出現(xiàn)壓酥喪失承載力。振動臺試驗結果表明，由于結構剛度在伸臂樓層出現(xiàn)了突變，傳力途徑發(fā)生改變，易使結構在加強層伸臂及其附近樓層形成薄弱層。

3 存在問題與展望

上述研究成果表明，當高層結構側移過大時，設置加強層能有效增加結構的抗側剛度、減小結構的變形，但在地震作用下，加強層會使結構的豎向剛度、內(nèi)力產(chǎn)生較大突變，易使結構的破壞集中在加強層及其附近樓層，存在薄弱層等不利于結構抗震的問題。如何實現(xiàn)多道設防，改善加強層結構的抗震性能是科研工作者和工程師們需要解決的問題。以上帶加強層結構關于靜力和動力方面的性能研究，目前雖然在伸臂數(shù)量設置、位置優(yōu)化以及伸臂剛度的確定方面有了一定的成果，但也存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在：1)理論研究主要還是處于彈性階段；2)平面簡化分析模型采用了較多的假定，與實際結構存在較大誤差；3)指出了帶加強層結構的薄弱部位，但僅從構造上進行彌補，沒有提出有效的方法，不能從根本上解決其存在薄弱層和不利于抗震的問題。

[1] Smith B S,Slalim I.Parameter study of outrigger-braced tall building structures[J].Journal of the Structure Division,ASCE,1981(6):2001-2014.

[2] 張 杰,張仲先,趙文光,等.伸臂剛度對加強層設置位置的影響分析[J].建筑科學,2007,23(5):19-22.

[3] 蔣歡軍,和留生,呂西林,等.上海中心大廈抗震性能分析和振動臺試驗研究[J].建筑結構學報,2011,32(11):55-63.

Discussion on high-rise structure with strengthened stories

Zhang Faxin

(ConstructionManagementBranchCompany,TianjinNewCoastalPublicIndustryConstructionInvestmentCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

The paper briefly introduces the development of high-rise structure with strengthened stories, systematical analyzes and summarizes its stress, deformation and seismic resisting performance, and points out major problems and development tendency in the research field, with a view to provide some guidance for relevant researchers.

high-rise structure with strengthened stories, deformation, seismic resistance, problems

2015-03-06

張法新(1975- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)14-0022-03

TU973

A