帶加強層高層結(jié)構(gòu)探討

張 法 新

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

·結(jié)構(gòu)·抗震·

帶加強層高層結(jié)構(gòu)探討

張 法 新

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

簡要介紹了帶加強層高層結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對帶加強層高層結(jié)構(gòu)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(jié)，指出目前這一研究領(lǐng)域存在的主要問題和發(fā)展方向，以供相關(guān)研究人員參考借鑒。

帶加強層高層結(jié)構(gòu)，變形，抗震，問題

在超高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)中，在設(shè)備層或避難層設(shè)置剛度較大的水平伸臂構(gòu)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(gòu)成抗側(cè)效率更高的帶加強層框架—核心筒結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)大樓應(yīng)用以來，各國學(xué)者和工程師對這種結(jié)構(gòu)體系進行了大量研究。近年來，帶加強層高層結(jié)構(gòu)在國內(nèi)得到了應(yīng)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(jié)構(gòu)的受力與變形研究

帶加強層高層結(jié)構(gòu)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(jié)合實際工程對結(jié)構(gòu)的受力性能開展了深入研究。

1.1 分析模型

建立力學(xué)概念明確、假定合理的分析模型是研究帶加強層高層結(jié)構(gòu)受力與變形性能的關(guān)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(xué)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(jié)構(gòu)的誤差。Smith采用連續(xù)化模型研究帶加強層結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的主要影響因素，忽略局部差異，能較準確反映結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力與變形性能，但其基本假定與實際結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)的抗震性能。二維簡化模型便于快速掌握帶加強層結(jié)構(gòu)的受力特性，但分析精度有限；有限元模型的分析結(jié)果更接近實際結(jié)構(gòu)，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(xué)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(shè)置在結(jié)構(gòu)0.545倍高度的位置，Moudarres和Coull應(yīng)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(shè)為無窮大，與實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的側(cè)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(gòu)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(dǎo)了雙伸臂巨型結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的臨界方程，揭示了伸臂巨型結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上更加接近于框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作連續(xù)化分析，并用matlab編程分析了結(jié)構(gòu)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(xué)者和工程師對帶加強層高層結(jié)構(gòu)受力性能展開了深入地研究，雖然二維簡化模型力學(xué)概念明確，初步設(shè)計階段較好，但簡化模型的假定與實際結(jié)構(gòu)往往不一致，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力規(guī)律，結(jié)果表明簡化模型與實際模型的分析結(jié)果有較大出入。徐培福等人應(yīng)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(xué)模型對武漢國際證券大廈結(jié)構(gòu)進行性能分析，計算可見結(jié)構(gòu)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(shè)計概念以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變。徐培福認為應(yīng)設(shè)置“有限剛度”加強層，以減少結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體剛度，又能盡量減小構(gòu)件的內(nèi)力突變。統(tǒng)計相關(guān)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(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究

2.1 節(jié)點或局部結(jié)構(gòu)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(dǎo)致節(jié)點區(qū)內(nèi)力、構(gòu)造復(fù)雜，通常要滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”“節(jié)點保持彈性”等設(shè)計要求，且在不同結(jié)構(gòu)中節(jié)點的設(shè)計指標也有所差異，節(jié)點的設(shè)計難度較大。國內(nèi)外學(xué)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(yù)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(jié)果產(chǎn)生較大誤差的初步結(jié)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(gòu)件，通過低周反復(fù)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(shè)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(gòu)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(gòu)造明顯優(yōu)于內(nèi)嵌鋼板構(gòu)造，并針對外包鋼板節(jié)點形式提出全桿系簡化模型和設(shè)計方法。陳以一設(shè)計了三種不同的反復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)側(cè)移過大時，設(shè)置加強層能有效增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、減小結(jié)構(gòu)的變形，但在地震作用下，加強層會使結(jié)構(gòu)的豎向剛度、內(nèi)力產(chǎn)生較大突變，易使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震的問題。如何實現(xiàn)多道設(shè)防，改善加強層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)關(guān)于靜力和動力方面的性能研究，目前雖然在伸臂數(shù)量設(shè)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(jié)構(gòu)存在較大誤差；3)指出了帶加強層結(jié)構(gòu)的薄弱部位，但僅從構(gòu)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(shè)置位置的影響分析[J].建筑科學(xué),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(jié)構(gòu)學(xué)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