框架-核心筒結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層布置研究綜述

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045)

一、前言

隨著國家的快速城鎮(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，可以有針對性地緩解土地危機(jī)，是城市未來的發(fā)展趨勢。但也有一個突出的問題，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，用來加強(qiáng)核芯筒跟框架柱的協(xié)同作用，同時增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。設(shè)置了水平構(gòu)件的樓層就稱為加強(qiáng)層。

(二)加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)形式

加強(qiáng)層的分類按照水平外伸構(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)會產(chǎn)生很大側(cè)移。水平加強(qiáng)層通過加強(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，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、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Taranath教授的簡化分析模型進(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)變值非常接近的時候內(nèi)力分布比較均勻，并且此時結(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結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的變化情況，其缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是沒有考慮樓層梁和結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿高度變化對結(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、傅學(xué)怡等[7]通過設(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。然而平面簡化模型也有可取之處，其模型簡單，計(jì)算量較小，可用于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，兩者各有所長。

(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)層時的情況，并且在風(fēng)載作用下對其進(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，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化為均布在整個樓層高度上的連續(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，同時又提出了通過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，同時其控制指標(biāo)只有頂點(diǎn)位移，而沒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。同時該方法的不足之處是沒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)用有限元軟件對特定的超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種方案的計(jì)算對比分析，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)形式通過軟件很難完全模擬出來了，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不同的加強(qiáng)層布置方案進(jìn)行分析，通過對計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，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，其不足之處在于沒有考慮到工程實(shí)際施工中多增加幾道加強(qiáng)層帶來的較多的工程量和材料耗費(fèi)，同時沒有對加強(qiáng)層不同剛度和數(shù)量方的案設(shè)置一個固定的優(yōu)化目標(biāo)。

徐培福、黃吉鋒、史建鑫[18]對帶加強(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，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150米的時候可以適當(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，通過對計(jì)算數(shù)據(jù)的對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，通過對比使用剛性加強(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有對水平伸臂的實(shí)際剛度取值進(jìn)行進(jìn)一步的量化處理。

鄧志恒、萬云芳等[22]對帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的問題進(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)時經(jīng)常采取加厚加強(qiáng)層或相鄰樓層樓板厚度的措施來應(yīng)對內(nèi)力突變現(xiàn)象，但是通過對相應(yīng)情況的內(nèi)力突變進(jìn)行動力分析，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才會對控制結(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

在加強(qiáng)層研究的發(fā)展歷程中涌現(xiàn)出許多的簡化模型，這些簡化模型對帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，有利于進(jìn)行快速分析。但是這些簡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)際的研究過程中可以先用簡化模型做定性分析。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較少，需要進(jìn)一步拓展。

加強(qiáng)層的剛度研究中學(xué)者專家們主要是分析加強(qiáng)層伸臂相對剛度與結(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)層伸臂相對剛度對結(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)層伸臂的相對剛度在一定范圍時對控制結(jié)構(gòu)側(cè)移有明顯的作用；而當(dāng)加強(qiáng)層伸臂相對剛度超出這個合理范圍后，則對結(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)層的時候可采用“變剛度”或者“有限剛度”的概念。

隨著時間的發(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。