簡述框架—核心筒中水平加強(qiáng)層的作用

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510640)

一、引言

近年來我國高層建筑蓬勃發(fā)展，其特點(diǎn)是向高度更高、體形更復(fù)雜、功能更齊全、綜合性更強(qiáng)的方向發(fā)展。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響更大，結(jié)構(gòu)的側(cè)移成為設(shè)計(jì)中主要的控制指標(biāo)。近年來，我國建筑業(yè)采用水平加強(qiáng)層體系來減少高層結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)效果[1]。

在層數(shù)很多、高度很大的建筑結(jié)構(gòu)中，不可避免的要遇到兩個(gè)問題：(1)結(jié)構(gòu)在水平力作用下水平位移過大；(2)作為主要受力構(gòu)件的中心剪力墻或筒體承受的彎矩過大[2]。如果靠增大截面尺寸或增設(shè)抗側(cè)力構(gòu)件，必然影響到建筑的使用，這時(shí)就可考慮在一定高度位置設(shè)置加強(qiáng)層。盡管設(shè)置加強(qiáng)層在國內(nèi)的一些工程中已經(jīng)得到應(yīng)用，但是對(duì)于正確認(rèn)識(shí)設(shè)置水平加強(qiáng)層對(duì)減少結(jié)構(gòu)側(cè)移的作用機(jī)理和設(shè)置加強(qiáng)層的最佳位置的研究，在我國尚處在從理論到實(shí)踐的過渡階段，加強(qiáng)層設(shè)置數(shù)量和位置對(duì)于節(jié)省投資、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面有著重大的影響。

二、框架-核心筒結(jié)構(gòu)水平加強(qiáng)層的作用機(jī)理

加強(qiáng)層是超高層結(jié)構(gòu)中，設(shè)置于避難層或者裝備層，利用桁架、伸臂梁和環(huán)向構(gòu)件等對(duì)該樓層進(jìn)行加固，以達(dá)到加固建筑結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)抗震性能的一種結(jié)構(gòu)特殊樓層布置方式[3]。是一種有效減小結(jié)構(gòu)在荷載作用下側(cè)向變形、增加結(jié)構(gòu)整體剛度的方法。加強(qiáng)層在超高層結(jié)構(gòu)，尤其是超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分普遍。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵是剛臂層(加強(qiáng)層)沿房屋豎向的道數(shù)及其位置。在高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不能滿足要求時(shí)，為了有效地利用外框架的抗側(cè)力作用，可考慮布置水平加強(qiáng)層，即在某些樓層核心筒和外框架之前設(shè)置剛度較大的周邊環(huán)帶。加強(qiáng)層的設(shè)置可使外框架柱有效地發(fā)揮作用，以增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度[4]。

在框架-核心筒結(jié)構(gòu)的高層結(jié)構(gòu)如圖1.1中，抵抗水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩的來源有三個(gè)方面：(1)核心筒自身彎矩；(2)外框架柱產(chǎn)生的彎矩；(3)外框架柱軸力產(chǎn)生的整體力偶矩。但是由于核心筒的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)大于外框架，故水平力大部分都有它來承擔(dān)，核心筒在這種情況下主要體現(xiàn)為彎曲變形，這在超高層建筑結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生很大的頂點(diǎn)位移，而改善這種受力狀況的最有效途徑之一就是提高整體的力偶矩[5]。

這種整體力偶矩的有效形成取決于內(nèi)筒與外框架之間連系梁及裙梁的剛度，這是沒有設(shè)置水平加強(qiáng)層的情況。在設(shè)計(jì)中，框架與筒體的連接常常是采用一種介于剛接和鉸接之間的節(jié)點(diǎn)形式，其傳遞整體彎矩的能力比較差。而水平加強(qiáng)層的設(shè)置則能大大改善這種狀況[6]。當(dāng)設(shè)置水平加強(qiáng)層后，將引起高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的重分布，使得內(nèi)筒、剪力墻、框架柱和梁的內(nèi)力大小及方向發(fā)生顯著的變化，而這種內(nèi)力的變化則是朝著有利于減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的方向變化，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的目的[7,8]。研究表明，有了水平加強(qiáng)層后，結(jié)構(gòu)整體抗彎能力增強(qiáng)了許多，克服了剪力滯后效應(yīng)，進(jìn)一步有效地發(fā)揮周邊框架柱的軸向剛度作用，使之承擔(dān)更多水平荷載所產(chǎn)生的傾覆彎矩，從而進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，既能滿足建筑平面功能的要求，又能滿足結(jié)構(gòu)的位移、強(qiáng)度、穩(wěn)定、延性的要求。

三、加強(qiáng)層優(yōu)點(diǎn)的分析

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)置水平加強(qiáng)層控制結(jié)構(gòu)側(cè)移有突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)置水平加強(qiáng)層后將引起結(jié)構(gòu)主要內(nèi)力的重新分布,可明顯改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，使內(nèi)力分布更趨于合理,充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)潛能,從而有效減小結(jié)構(gòu)側(cè)移，增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度；

(2)經(jīng)濟(jì)價(jià)值：一是在滿足使用功能和規(guī)范要求的前提下，減小了剪力墻、筒體和柱等豎向構(gòu)件的截面尺寸，增大了使用面積，提高了凈毛面積比、有利于建筑的使用，增強(qiáng)了建筑的售租競爭力；二是由于減小了剪力墻、筒體和柱等構(gòu)件的截面尺寸，與不設(shè)水平加強(qiáng)層的相應(yīng)結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約砼10～16%左右[9,10]。

四、總結(jié)

綜上所述，在高層建筑框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮外框架的作用，以提高建筑物的整體抗側(cè)剛度，但應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇合理的途徑，加設(shè)水平加強(qiáng)層提高抗側(cè)能力的方法并不是對(duì)所有的建筑均效果顯著，應(yīng)對(duì)其適用條件加以分析后確定。當(dāng)需要加設(shè)水平加強(qiáng)層提高抗側(cè)能力時(shí)，由于加設(shè)加強(qiáng)層會(huì)造成質(zhì)量和剛度突變以及應(yīng)力集中的不利作用，水平加強(qiáng)層設(shè)置應(yīng)選擇合理的位置，在滿足結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)要求的條件下盡量選擇剛度較小的水平加強(qiáng)層，即應(yīng)設(shè)置“有限剛度”的水平加強(qiáng)層，才能起到既能控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，又能將加設(shè)水平加強(qiáng)層給結(jié)構(gòu)帶來的不利作用減小到最低。