加強層對筒中筒結構剪力滯后的影響

汪義凡， 王澤云

(西華大學土木工程與環境學院， 四川成都 610039)

加強層對筒中筒結構剪力滯后的影響

汪義凡， 王澤云

(西華大學土木工程與環境學院， 四川成都 610039)

文章簡述了剪力滯后現象，總結了剪力滯后的影響因素，并通過有限元軟件計算算例，分析了多種水平加強層的布置方案對筒體結構剪力滯后的影響，揭示了水平加強層對筒中筒結構剪力滯后的影響。結果表明，設置水平加強層可以有效減小剪力滯后效應，使中下層各柱軸力分布更加均勻。

加強層； 筒體結構； 剪力滯后； 剪力滯后值

用框筒作為外筒，將樓電梯間、豎井等服務設施集中在建筑平面中心，形成內筒，就形成了筒中筒結構。采用鋼筋混凝土結構時，一般外筒采用框筒，內筒為剪力墻圍成的井筒。

筒中筒結構是雙重抗側力體系，在水平力作用下，內外筒協同工作，其結構具有較大的抵抗水平剪力的能力。但是在水平作用下，外筒會產生剪力滯后。

1 剪力滯后現象

在水平荷載作用下，框筒結構可視為箱形截面懸臂柱。在水平荷載作用下翼緣框架柱主要受軸力，而腹板框架柱主要受拉力，其截面應力圖如圖1所示。可以看出，框筒的腹板和翼緣的應力分布是曲線，不符合初等梁理論的平面假定，這個現象被稱為剪力滯后現象。

圖1 框筒結構剪力滯后現象

剪力滯后現象的產生，是因為框筒中各柱之間存在剪力，剪力使聯系柱子的窗裙梁產生了剪切變形，而使柱之間的軸力傳遞減弱，使得在框筒的翼緣框架中，遠離腹板框架各柱軸力越來越小。在框筒的腹板框架中，遠離翼緣框架各柱軸力的遞減速度比按直線規律的快。

剪力滯后分為正剪力滯后和負剪力滯后。正剪力滯后一般出現在框筒的中下部，負剪力滯后一般出現在框筒的上部。

2 剪力滯后的影響因素

國內外研究者的研究成果表明，剪力滯后的影響因素有很多，主要有以下幾點：

(1)鄭之義[2]認為去除角柱能大大降低角柱的軸力不均勻系數，同時有效減小剪力滯后效應。在設計時可優先考慮采用。

(2)劉中輝[3]認為在框筒任何高度處，剪力滯后現象隨長寬比增大而增大；在長寬比相同時，剪力滯后現象隨z的增加在底部逐漸減小，在頂部無相同變化規律。

(3)沈蒲生[4]認為在高度較大的混合結構建筑中，增大樓板剛度能減少剪力滯后效應。

(4)高雁[5]認為結構平面剛度布置不均勻是引起筒體結構剪力滯后的最重要的一個原因。

3 設置水平加強層對剪力滯后的影響

為了分析設置水平加強層對剪力滯后現象的影響，本文采用Midas/Gen有限元軟件對常見筒中筒結構進行有限元分析，探討水平加強層對外框筒剪力滯后現象的影響。

3.1 Midas/Gen有限元模型介紹

某工程采用鋼筋混凝土筒中筒結構，35層，層高為3.2m，總高度為112m，結構平面見圖2。取角柱截面為600mm×600mm，邊柱截面為500mm×600mm，柱距3m，窗裙梁截面400mm×800mm，內筒剪力墻厚度為400mm，混凝土強度均為C40。由于剪力滯后現象是在水平力單獨作用下產生，所以該模型僅在X向布置了水平風荷載，其基本風壓為0.55kN/m2，場地粗糙程度類別為C類。

圖2 建筑結構平面布置

加強層布置方案見表1。

表1 加強層設置方案 mm

3.2 剪力滯后程度的量化指標

為了能通過數值反映剪力滯后效應的強弱，從而定量分析加強層對剪力滯后的影響，我們在此定義“剪力滯后值”γ為：

其中：Fg表示角柱的軸力；Fp表示各柱軸力的算術平均值。γ值越大說明各柱的軸力分布越不均勻剪力滯后效應越大。

3.3 加強層構件設置對剪力滯后的影響

圖3繪制了方案1～4的底10層的剪力滯后值。

圖3 方案1～4剪力滯后值

可以看出，設置水平伸臂可以有效降低底層的剪力滯后現象。而在水平伸臂的情況下再在外筒四周加上一圈圈梁，可以提高外框筒的豎向抗剪剛度，進一步削弱底層的剪力滯后效應。

3.4 加強層設置位置對剪力滯后的影響

圖4繪制了方案1、4、8、9、10的底10層剪力滯后值。

圖4 方案1、4、8、9、10剪力滯后值

可以看出，加強層設置的位置不同，筒中筒結構底部剪力滯后的效應程度也不同，其中在0.5H和0.6H處布置加強層，對剪力滯后的抑制效果最好。

3.5 加強層數量對剪力滯后的影響

圖5繪制了方案1、9、11、12的底10層剪力滯后值。可以看出，隨著水平加強層數量的增加，剪力滯后效應顯著減小。

3.6 加強層剛度對剪力滯后的影響

表2對比了方案4～7四個方案的分析結果。可以看出，只在頂層設置一道加強層的情況下，增加加強層伸臂梁的剛度在一定程度上能改善剪力滯后效應。

表2 方案4～7分析結果對比

4 結論

本文通過對算例的Midas/Gen有限元分析，對比分析了不同加強層設置方案，研究了水平加強層對筒中筒結構中下部剪力滯后效應的影響，得出了以下結論：

(1)設置伸臂后，可以有效減小剪力滯后效應。而再在外框筒布置一圈圈梁，可以提高外框筒的豎向抗剪剛度，進一步抑制剪力滯后效應。

(2)在僅設置一道水平加強層的情況下，加強層設置的位置不同，對剪力滯后的抑制效果也不同。在JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.3.2條中規定，當布置一個加強層時，可設置在0.6倍房屋高度附近。分析結果表明，加強層布置在0.5倍或0.6倍房屋高度附近，對剪力滯后的抑制效果最佳。

(3)僅在結構頂層布置加強層時，加強層伸臂梁的剛度對剪力滯后效應有一定影響，但是僅僅加大加強層抗彎剛度，對剪力滯后效應的減小作用并不明顯。

(4)按照JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.3.2條規定的加強層設置方式，設置兩道或者三道加強層時，剪力滯后效應的減小效果十分顯著。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] 鄭之義，林金樾.剪力滯后效應的產生及其影響因素[C]//第十六屆全國現代結構工程學術研討會論文集.2016.

[3] 劉中輝，王全鳳.框筒結構長寬比對剪力滯后的影響及其分析[J].華僑大學學報：自然科學版，2005,26(3):331-332.

[4] 沈蒲生，孟煥陵.高層混合結構中樓蓋剛度——對結構受力性能的影響分析[J].建筑鋼結構進展，2006,8(3):1-6.

[5] 高雁.筒體結構剪力滯后效應研究及其簡化分析[D].重慶：重慶大學，2006.

TU311

A

[定稿日期]2017-05-22

汪義凡(1993～)，男，在讀研究生，研究方向為結構工程。