帶加強層的框架－核心筒結構體系的抗震性能探討

張麗 蒲爽 曹輝 雷陽

（重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

1 研究背景

近年來，國內、國外高層建筑發展迅速，現代高層建筑越建越高、越建越大，其建筑向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展。隨著高度的增加，結構的側向位移和彎矩將迅速增大，結構的側移成為超高層結構設計的關鍵問題。在結構適當位置設置剛度很大的加強層是一種有效控制結構側移的方法，為了使結構設置加強層后能夠滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求，必須對加強層的數量、位置和剛度進行優化調整，并要對設置加強層后對結構的不利影響進行分析，特別是地震作用下的薄弱層問題。因此研究帶加強層的框架—核心筒結構體系的抗震性能有著非常重要的現實意義。

2 高層建筑加強層的基本知識

2.1 高層建筑加強層的概念

高層建筑加強層是在高層建筑中某幾個部位，通常是利用設備層或避難層空間設置剛度較大的水平外伸構件加強核心筒與框架柱的聯系，必要時可設置剛度較大的周邊環帶構件，加強外周框架角柱與翼緣柱的聯系。加強層構件有三種類型，一是伸臂，二是腰桁架和帽桁架，三是環向構件。帶加強層的高層建筑屬于復雜的高層建筑結構體系。

2.2 高層建筑加強層的作用機理

在水平荷載作用下，框架－核心筒結構的內筒和框架共同承擔抵抗水平剪力。由于筒體的抗側剛度遠遠大于框架，因此，大量的水平剪力由混凝土核心筒來承擔。通常，核心筒所承受的剪力占全部水平剪力的80%以上，而結構水平荷載所產生的彎矩則由以下三種力矩來平衡：A混凝土內筒的彎矩；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。在設計中，由于側向水平荷載的作用使得建筑物發生整體彎曲效應，產生了力偶矩，沒有設置水平加強層的時，內筒與外框架間連系梁及裙梁的剛度決定了內外筒承擔力偶矩的大小。當設置水平加強層時，將引起框架核心筒結構構件內力的重分布，使得內筒、剪力墻、框架柱和梁的內力大小及方向發生重大的顯著變化，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，在外柱中產生較大壓應力和拉應力，柱的軸向剛度又很大，較小的軸向變形就會在柱中產生很大的軸向拉(壓)力。因此，設置剛性加強層后就會使加強層下面的外柱的軸向拉(壓)力(T或N)增大許多，剛性加強層上下外柱的壓力差 (即加強層端部剪力)就對結構形成了一個數值較大的力偶矩M，而這個力偶矩與水平外載產生的傾覆力矩方向正好相反，這使剪力墻產生一個反方向的彎曲轉動亦即減小剪力墻的傾覆彎矩，使結構產生反方向的彎曲，從而使結構側移減小。此外，設置水平加強層后，由于加強層自身剛度很大，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件。這樣以整個建筑寬度抗側力，自然大大提高了結構抗側剛度和抗傾覆能力，從而減小了結構的側移。

3 帶加強層高層建筑加強層的剛度選擇和結構布置

帶加強層高層建筑結構屬于結構剛度沿豎向發生突變的結構，在重力、水平荷載作用下加強層及其相鄰層內力變化較大，應力集中，地震響應復雜，地震區采用時需采取專門有效的措施，9度抗震設防地區不應采用。

高層建筑加強層的剛度選擇和結構布置

（1）在地震作用下，框架－核心筒結構宜采用“有限剛度”的加強層。框架－核心筒結構，在地震作用下，若結構整體剛度不能滿足設計要求時，可用以下兩種途徑提高結構整體剛度：一種采用剛度很大的所謂“剛性”加強層；另一種在調整增強原結構剛度的基礎上，設置“有限剛度”加強層。

（2）水平伸臂構件剛度的選擇。設置“有限剛度”加強層將涉及剛度的選擇問題。圖3.1所示為水平伸臂構件剛度變化與結構頂點位移，加強層上、下外框柱彎矩、核心剪力墻彎矩的關系曲線。

圖3.1 水平伸臂構件剛度變化的影響

由圖3.1可見，水平伸臂構件剛度當大于某一值J2后，如繼續增加其剛度，則對結構頂點位移及柱和墻的內力影響均很小；當水平伸臂構件剛度小于某一值J1時，其剛度的減少將比較明顯地影響結構位移和內力。水平伸臂構件的“有限剛度”將盡可能選擇在小于J1的范圍內，以減少整體結構剛度突變和內力劇增。

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

4 帶加強層框架-核心筒結構的抗震性能探討及需要注意的幾個問題

在超高層建筑中，側移控制往往是結構設計中所面臨的一個主要問題。

4.1 鋼框架-混凝土混合結構發展和研究狀況

從二十世紀八十年代初，美國率先在傳統的鋼筋混凝土框架結構、鋼結構及后來的鋼骨混凝土（SRC）復合框架結構的基礎上成功地開發研制了一種充分利用和發揮鋼構件和鋼筋混凝土構件各自在抗彎或抗壓強度、剛度、延性及建筑功能適用性方面優勢的新型混合式框架結構體系，即由鋼筋混凝土柱與鋼梁組成的RCS混合框架結構體系，并已成功地應用在中高層建筑中。在國內，高層鋼-混凝土混合結構體系近年來發展十分迅猛，是符合我國國情的較好的高層建筑結構形式之一，被建設部列為推廣應用新技術。

4.2 帶加強層框架-核心筒結構抗震性能需要注意的幾個問題

4.2.1 在地震作用下，框架－核心筒結構設置剛度很大的“剛性”加強層宜慎重。因為這種加強層雖可減少整體結構位移，但將會引起結構剛度突變、加強層附近結構內力劇增，并易形成薄弱層。

4.2.2 設置加強層后，一定要注意加強層上、下外圍框架柱的強度和延性設計，可采用勁性鋼筋混凝土并加復合螺旋箍筋；加強層上下的樓板宜加厚一些，配筋設計中應當考慮樓板的翹曲影響，同時，應當在板的上、下配置雙層、雙向構造筋。

4.2.3 在地震作用下，框架－核心筒結構宜采用“有限剛度”加強層，從抗震設計概念上強調盡可能調整增加原結構的剛度，對結構整體剛度只要求其滿足規范的最低值，“有限剛度”加強層只是彌補整體剛度之不足，以減少非結構構件的破損。

結語

當今社會，復雜高層結構中越來越廣泛的應用加強層，隨著科技的不斷進步，各種智能材料如納米材料的不斷發展，必將為加強層提供更為廣闊的空間。

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