(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045)

一、前言

隨著國(guó)家的快速城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市土地資源急劇減少，高層建筑具有良好的空間利用率和較小占地面積等優(yōu)勢(shì)，可以有針對(duì)性地緩解土地危機(jī)，是城市未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但也有一個(gè)突出的問(wèn)題，高層建筑的樓層高度較大，其受到水平作用的影響較大，側(cè)向位移也較大。而在框架—核心筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置加強(qiáng)層是一個(gè)十分有效的方法。

二、加強(qiáng)層概述

(一)加強(qiáng)層概念

在框架-核心筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置由核心筒或剪力墻伸出并與外框柱連接在一起的水平構(gòu)件，用來(lái)加強(qiáng)核芯筒跟框架柱的協(xié)同作用，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。設(shè)置了水平構(gòu)件的樓層就稱(chēng)為加強(qiáng)層。

(二)加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)形式

加強(qiáng)層的分類(lèi)按照水平外伸構(gòu)件的截面形式可分為實(shí)體梁、斜腹桿桁架和空腹桁架三種，如圖1所示[1]。水平環(huán)帶構(gòu)件分為開(kāi)孔梁、斜腹桿桁架和空腹桁架三種基本形式，如圖2所示。

圖1 水平外伸構(gòu)件

圖2 水平環(huán)帶構(gòu)件

(三)加強(qiáng)層力學(xué)作用機(jī)理

在框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩主要由以下三部分組成:(1)核心筒的筒體彎矩;(2)外框柱的柱中彎矩;(3)外框柱的軸向拉壓力形成的整體力偶矩。由于核芯筒的剛度很大，大部分的水平力由核芯筒承擔(dān)，核芯筒主要表現(xiàn)為彎曲變形，從而高層建筑物頂點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大側(cè)移。水平加強(qiáng)層通過(guò)加強(qiáng)核芯筒與外框架柱的連接，使外框架柱參與結(jié)構(gòu)整體工作，從而提高整體抗側(cè)移剛度，在抵抗結(jié)構(gòu)整體傾覆方面發(fā)揮很大作用，結(jié)構(gòu)的總側(cè)移明顯減小。

(四)加強(qiáng)層使用的優(yōu)點(diǎn)

加強(qiáng)層不僅能有效減少結(jié)構(gòu)側(cè)移還能加強(qiáng)周邊翼緣柱與框架角柱的連接，緩解剪力滯后效應(yīng)。同時(shí)，設(shè)置加強(qiáng)層能減少主要抗側(cè)構(gòu)件的截面尺寸，增加建筑使用面積，而且節(jié)省材料，獲得較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

三、帶加強(qiáng)層高層建筑研究現(xiàn)狀

(一)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

著名學(xué)者Taranath[2]將設(shè)置加強(qiáng)層的框架—核心筒復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面分析模型。這種方法有缺點(diǎn)，那就是它的基本假定(結(jié)構(gòu)處于線彈性范圍、伸臂剛度無(wú)限大、伸臂與外框架柱鉸接且框架柱僅受軸力、結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件截面沿豎向不變，樓蓋剛度的影響忽略)與建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況不相符，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差。

加拿大B.Standford.Smith[3]教授基于前者的研究提出了均勻伸臂(加強(qiáng)層)結(jié)構(gòu)的近似分析方法。利用協(xié)調(diào)條件伸臂層處筒體與對(duì)應(yīng)伸臂的轉(zhuǎn)角相同，建立方程求出加強(qiáng)層的最優(yōu)位置和最佳數(shù)量。該方法考慮了伸臂的實(shí)際剛度。但是這種方法仍有他的不足：忽略了樓層梁的剛度以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)高度方向剛度的變化，結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用的荷載(均布荷載)與實(shí)際的倒三角荷載不符。

張良鐸、龔曉燕、丁潔明等[4]通過(guò)Taranath教授的簡(jiǎn)化分析模型進(jìn)行了相關(guān)的研究，得到結(jié)構(gòu)體系在加強(qiáng)層處核心筒與外框架柱的軸向應(yīng)變值非常接近的時(shí)候內(nèi)力分布比較均勻，并且此時(shí)結(jié)構(gòu)抵抗水平力作用的能力較強(qiáng)，但是其缺點(diǎn)也很明顯，那就是沿用了加強(qiáng)層剛度無(wú)限大的假定，與建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況不相符。

英國(guó)Alex.Coull[5]教授在連續(xù)化分析方法的基礎(chǔ)上，沿結(jié)構(gòu)高度方向?qū)⒓訌?qiáng)層看作是均勻分布的連續(xù)構(gòu)件，建立二階微分方程，并畫(huà)出加強(qiáng)層最優(yōu)位置隨加強(qiáng)層剛度變化的曲線，這種方法的不足之處就是設(shè)置的方案是加強(qiáng)層剛度相同的情況，沒(méi)有考慮到加強(qiáng)層剛度不同的實(shí)際情況。

Rutenberg等[6]分析了芯筒墻截面變化時(shí)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的變化情況，其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，那就是沒(méi)有考慮樓層梁和結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿高度變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度影響。

在模型假定中，樓層梁的作用是被忽略不計(jì)的，張正國(guó)、傅學(xué)怡等[7]通過(guò)設(shè)置不同樓層梁剛度不同情況下的帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同方案的頂點(diǎn)側(cè)移誤差較大達(dá)20%，樓層梁的影響較大，不可忽視。

由于計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的革新，三維有限元模型被越來(lái)越多地應(yīng)用，三維有限元模型能綜合考慮伸臂剛度和樓蓋剛度等因素，真實(shí)模擬構(gòu)件間的連接，并進(jìn)行較為精確的處理。然而平面簡(jiǎn)化模型也有可取之處，其模型簡(jiǎn)單，計(jì)算量較小，可用于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，兩者各有所長(zhǎng)。

(二)加強(qiáng)層的位置及數(shù)量

著名學(xué)者Taranath[2]考慮了布置一道加強(qiáng)層時(shí)的情況，并且在風(fēng)載作用下對(duì)其進(jìn)行頂點(diǎn)位移目標(biāo)優(yōu)化分析，得到的結(jié)果是在采用一道加強(qiáng)層時(shí)，其最佳布置位置在距頂部0.455倍高度的位置。McNabb、Muvdi[8]在前者的簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究，驗(yàn)證了兩道加強(qiáng)層的最優(yōu)位置，在距頂部0.312倍和0.685倍高度的位置。但是這種方法有不足，那就是假定伸臂剛度無(wú)限大，與建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況不相符。

熊軍等[9]通過(guò)建立帶加強(qiáng)層的框-筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向均布荷載下的協(xié)調(diào)變形方程，得出布置三道加強(qiáng)層的最佳位置在0.243H、0.533H、0.776H(H為建筑高度)處，其考慮了水平加強(qiáng)層的彎曲變形，但是其不足之處在于其只考慮了側(cè)向均布荷載的情況，沒(méi)有考慮實(shí)際倒三角荷載的情況。

朱杰江等[10]建立了考慮普通樓層梁剛度、剛臂剛度影響的靜力計(jì)算模型，應(yīng)用變分原理和Ritz法的聯(lián)合確定房屋側(cè)移，得到加強(qiáng)層最優(yōu)位置與剛度參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而確定加強(qiáng)層的最佳位置。但是其不足之處是將普通樓層梁簡(jiǎn)化為均布在整個(gè)樓層高度上的連續(xù)連桿并且假定材料處于線彈性范圍,不考慮結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng)，同一樓層標(biāo)高處各點(diǎn)的水平側(cè)移相等同時(shí)芯筒不考慮剪切變形的影響。

朱杰江、王穎、江蓓等[11]提出了帶加強(qiáng)層框筒結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)內(nèi)力分析方法，對(duì)其進(jìn)行研究，并給出框筒結(jié)構(gòu)布置加強(qiáng)層的合理數(shù)量以及最佳布置位置，同時(shí)又提出了通過(guò)改變剛臂端部截面以達(dá)到減緩“強(qiáng)梁弱柱”的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于充分考慮了各種形式荷載(頂點(diǎn)荷載、均布荷載和倒三角荷載)的作用，而且其提出的非線性桿系模型推覆分析法既沒(méi)有巨大的計(jì)算量，又能表征結(jié)構(gòu)的真實(shí)性能，是一個(gè)比較切合實(shí)際的方法。

劉建新[12]采用水平加強(qiáng)層子結(jié)構(gòu)技術(shù)和精確的計(jì)算模型，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)水平加強(qiáng)層最佳布置位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法—MHW法，該法的基本假定較少，模型精度高，可用于任意形式的外荷載作用，實(shí)用性強(qiáng)。但是其不足之處在于其所假定的頂點(diǎn)位移限值并沒(méi)有相關(guān)規(guī)范依據(jù)，而是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出，同時(shí)其控制指標(biāo)只有頂點(diǎn)位移，而沒(méi)有更具參考性的層間位移角。

J.C.D.Hoenderkamp和H.H.Snijder[13]根據(jù)前者的研究提出了簡(jiǎn)化分析方法，其采用的方法考慮加強(qiáng)層的彎曲和剪切變形影響的模型。同時(shí)該方法的不足之處是沒(méi)考慮樓板和樓層梁剛度的影響并假設(shè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸沿高度不變。

阮永輝、呂西林[14]運(yùn)用有限元軟件對(duì)特定的超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案的計(jì)算對(duì)比分析，不同的方案之間加強(qiáng)層數(shù)量與節(jié)點(diǎn)形式都是各不相同的，指出加強(qiáng)層的布置對(duì)結(jié)構(gòu)周期、頂點(diǎn)側(cè)移及筒體內(nèi)力分布等產(chǎn)生有利的作用，并對(duì)加強(qiáng)層與內(nèi)筒的節(jié)點(diǎn)形式不同做了分析，其不足之處在于內(nèi)筒和加強(qiáng)層的不同節(jié)點(diǎn)形式通過(guò)軟件很難完全模擬出來(lái)了，且只做了定性的分析。

陳林之、李政章[15]運(yùn)用空間有限元軟件結(jié)合實(shí)際工程背景和算例對(duì)不同的加強(qiáng)層布置方案進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究分析了加強(qiáng)層的數(shù)量、布置的位置以及抗彎剛度對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響，并給出了加強(qiáng)層優(yōu)化布置的建議，其不足之處在于只進(jìn)行了彈性分析，而沒(méi)有進(jìn)一步深入進(jìn)行彈塑性分析。

黃怡、王元清等[16]運(yùn)用有限元軟件建模，對(duì)6種不同的加強(qiáng)層布置方案進(jìn)行地震作用下的響應(yīng)分析，研究了當(dāng)加強(qiáng)層布置數(shù)量變化對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度、構(gòu)件內(nèi)力以及內(nèi)外筒剪力的影響，提出加強(qiáng)層的“有限剛度”的設(shè)計(jì)理念，其不足之處在于只分析了多遇地震作用下的情況，而沒(méi)有考慮罕遇地震作用下的情況。

張建勛[17]采用三維有限元軟件對(duì)設(shè)不同數(shù)量加強(qiáng)層的鋼框架核心筒超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，得出筒體的內(nèi)力突變程度在加強(qiáng)層處隨數(shù)量的增多而趨于平緩，其不足之處在于沒(méi)有考慮到工程實(shí)際施工中多增加幾道加強(qiáng)層帶來(lái)的較多的工程量和材料耗費(fèi)，同時(shí)沒(méi)有對(duì)加強(qiáng)層不同剛度和數(shù)量方的案設(shè)置一個(gè)固定的優(yōu)化目標(biāo)。

徐培福、黃吉鋒、史建鑫[18]對(duì)帶加強(qiáng)層框架—核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，在加強(qiáng)層伸臂接近剛性且立面均勻時(shí)，推導(dǎo)出了在結(jié)構(gòu)上受水平力作用下，核心筒達(dá)到指定彎矩比例時(shí)相應(yīng)的加強(qiáng)層布置位置的理論公式，不足之處是剛性伸臂和立面均勻的情況不符合實(shí)際。

現(xiàn)階段的研究中,建立空間三維模型,設(shè)置數(shù)量不同或位置不同的加強(qiáng)層布置方案并對(duì)這些方案的處理結(jié)果進(jìn)行研究分析找出最優(yōu)方案，加強(qiáng)層的適宜數(shù)量為3道，在結(jié)構(gòu)超過(guò)150米的時(shí)候可以適當(dāng)增加1-2道，加強(qiáng)層的位置為沿結(jié)構(gòu)高度等分布置。

(三)加強(qiáng)層剛度

在框架核心筒結(jié)構(gòu)中布置加強(qiáng)層，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和結(jié)構(gòu)內(nèi)力在加強(qiáng)層附近產(chǎn)生突變，導(dǎo)致形成薄弱層，不利于結(jié)構(gòu)的抗震。虞睿[19]以實(shí)際工程為背景，采用多遇地震用下的振型分解反應(yīng)譜法對(duì)不同方案進(jìn)行分析，不同方案之間的區(qū)別在于不帶加強(qiáng)層、帶剛性加強(qiáng)層和有限剛度加強(qiáng)層，通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比分析得出了有限剛度加強(qiáng)層的方案在頂點(diǎn)位移較小的前提下能夠減小內(nèi)力突變，相對(duì)于其他方案具有一定的優(yōu)越性。

謝濤[20]運(yùn)用有限元分析軟件建立模型并對(duì)不同方案進(jìn)行研究分析，不同方案之間加強(qiáng)層數(shù)目與加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)形式各不相同，通過(guò)對(duì)比使用剛性加強(qiáng)層與使用“有限剛度”加強(qiáng)層方案的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)得出各方案中結(jié)構(gòu)周期、側(cè)移和內(nèi)力受加強(qiáng)層剛度的影響程度，并且給出了在高烈度地區(qū)的加強(qiáng)層抗震構(gòu)造措施。

張杰等[21]對(duì)帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析加強(qiáng)層布設(shè)位置的不同與結(jié)構(gòu)側(cè)移與內(nèi)力突變之間的聯(lián)系，通過(guò)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，在設(shè)置兩道加強(qiáng)層的高層建筑中，靠近底部的加強(qiáng)層伸臂剛度宜小于靠近頂部加強(qiáng)層伸臂的剛度。其考慮加強(qiáng)層伸臂的實(shí)際剛度，但不足之處在于其沒(méi)有對(duì)水平伸臂的實(shí)際剛度取值進(jìn)行進(jìn)一步的量化處理。

鄧志恒、萬(wàn)云芳等[22]對(duì)帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行了研究，現(xiàn)階段許多設(shè)計(jì)師在加強(qiáng)層設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采取加厚加強(qiáng)層或相鄰樓層樓板厚度的措施來(lái)應(yīng)對(duì)內(nèi)力突變現(xiàn)象，但是通過(guò)對(duì)相應(yīng)情況的內(nèi)力突變進(jìn)行動(dòng)力分析，并比較不同的結(jié)構(gòu)方案可以得出相關(guān)結(jié)論，加厚加強(qiáng)層或相鄰樓層樓板厚度的做法不能減小加強(qiáng)層引起的剪力突變，而且相應(yīng)的結(jié)構(gòu)自振周期和底部彎矩都在增大，對(duì)結(jié)構(gòu)是十分不利的。

楊克家等[23]運(yùn)用空間三維有限元模型分析伸臂相對(duì)剛度與結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)力之間的關(guān)系，并且繪制了伸臂相對(duì)剛度與結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)力之間的聯(lián)系曲線，提出了實(shí)體梁伸臂剛度的合理取值范圍，其不足之處是在分析中未考慮地震作用工況，而且只考慮了實(shí)體梁伸臂形式，沒(méi)有進(jìn)一步考慮到其他伸臂形式(例如斜腹桿桁架)。

楊瑞欣、白良、楊曉東等[24]對(duì)帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)中由加強(qiáng)層引起的剛度突變產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明：當(dāng)加強(qiáng)層與核心筒廣義剛度比在一定范圍時(shí)才會(huì)對(duì)控制結(jié)構(gòu)側(cè)移有較大的作用；而當(dāng)比值增大到一定程度后，則對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移就不再起決定性作用了。

加強(qiáng)層首先應(yīng)確保結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的減小(即結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增大)，這是布置加強(qiáng)層的最主要目的，另一方面在結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移較小的前提下應(yīng)盡量減小加強(qiáng)層相較于其他普通樓層剛度較大帶來(lái)的剛度突變。所以加強(qiáng)層的設(shè)計(jì)要遵循“有限剛度”的設(shè)計(jì)理念。

四、結(jié)語(yǔ)

在加強(qiáng)層研究的發(fā)展歷程中涌現(xiàn)出許多的簡(jiǎn)化模型，這些簡(jiǎn)化模型對(duì)帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，有利于進(jìn)行快速分析。但是這些簡(jiǎn)化模型都有或多或少的基本假定，使得其與實(shí)際情況有較大誤差，不能講其作為計(jì)算依據(jù)。三維有限元模型可以綜合考慮伸臂剛度、周邊環(huán)帶剛度、樓蓋剛度等實(shí)際因素，并真實(shí)模擬各構(gòu)件間的連接情況，且三維有限元模型能夠通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行較為精確的分析處理。所以在實(shí)際的研究過(guò)程中可以先用簡(jiǎn)化模型做定性分析。然后用三維有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步分析。

加強(qiáng)層的最佳位置和數(shù)量收到不同的因素影響。主要因素包括：核芯筒與外柱(或外筒)剛度比值;外荷載的形式;加強(qiáng)層與核芯筒剛度比值等。水平加強(qiáng)層位置和數(shù)量的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)移有明顯的影響。當(dāng)前的研究主要集中在線彈性階段，而彈塑性及塑性階段的研究相對(duì)較少，需要進(jìn)一步拓展。

加強(qiáng)層的剛度研究中學(xué)者專(zhuān)家們主要是分析加強(qiáng)層伸臂相對(duì)剛度與結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)力等指標(biāo)之間的關(guān)系，并且也通過(guò)大量的數(shù)據(jù)和科學(xué)推導(dǎo)繪制了加強(qiáng)層伸臂相對(duì)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移和內(nèi)力等指標(biāo)的影響曲線，提出了加強(qiáng)層伸臂剛度的合理取值范圍，當(dāng)加強(qiáng)層伸臂的相對(duì)剛度在一定范圍時(shí)對(duì)控制結(jié)構(gòu)側(cè)移有明顯的作用；而當(dāng)加強(qiáng)層伸臂相對(duì)剛度超出這個(gè)合理范圍后，則對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移就不再起明顯作用了。設(shè)置加強(qiáng)層能有效地減小結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移，但也容易造成結(jié)構(gòu)的剛度突變，導(dǎo)致內(nèi)力急劇變化，從而產(chǎn)生薄弱層。因此在設(shè)置加強(qiáng)層的時(shí)候可采用“變剛度”或者“有限剛度”的概念。

隨著時(shí)間的發(fā)展，加強(qiáng)層在框架-核心筒結(jié)構(gòu)等高層結(jié)構(gòu)中的布置原則(例如最佳位置、數(shù)量、合理剛度等)的課題需要更加深入的研究。