框架—核心筒結構中關于水平加強層的若干問題與研究

衛磊 潘天久

摘要：在高層結構中，側向位移的控制成為結構設計中越來越重要的問題。本文分析了在結構中布置水平加強層的形式、作用形式以及力學性能，通過對比和分析可知：在地震作用下， 框架一核心筒結構宜采用“有限剛度”的加強層。

關鍵詞：側向位移 水平加強層 有限剛度

在高層結構、尤其是超高層結構中， 側向位移的控制常常是結構設計中面臨的主要問題之一。在超高層結構中， 由于地震荷載、風荷載比一般的結構要大得多， 使得側向位移控制的矛盾突出。這時， 常常可以考慮利用建筑設備層及避難層的空間， 在結構中布置水平加強層。通常在核心筒與外圍框架之間設置適宜剛度的伸臂構件加強核心筒與框架柱間的連系，必要時可設置剛度較大的周邊環帶構件，進一步加強外周框架角柱與翼緣柱間的連系。

1.加強層的結構形式

加強層構件有兩種類型，一是伸臂，二是環帶構件。兩者的功能不同，不一定同時設置，但如果設置，它們一般在同一層。加強層的高度往往是一層樓高，其剛度很大，一般比其它水平構件大數十倍。

1.1伸臂

伸臂都布置在在外柱和核心筒之間。在平面上，伸臂宜對稱布置，伸臂要與核心筒的剪力墻對齊，以便剪力墻承受伸臂傳來的反彎矩。沿高度，應考慮布置在有效的樓層，但往往由于建筑上的要求，而不能做到這一點。與伸臂相連的外柱往往承受很大的軸力，通常采用較大的截面，其余柱可以采用較小的截面，在設計時僅承擔樓面的豎向荷載。

1.2環帶構件

環帶構件是指沿結構周圈布置一層（或二層）樓高的桁架，其結構形式一般可歸納為開孔梁、斜腹桿桁架和空腹桁架三種。考慮到建筑外圍需要有窗洞采光，此外加強層常常與設備層、避難層結合在一起，更需要對外開敞以便遇到意外災難時的救援。因此環向構件很少采用實腹梁，多數情況下采用斜腹桿桁架或空腹桁架[1]。

2.水平加強層的作用機理

在水平荷載F作用下，框架一核心筒結構體系中的核心筒各截面引起的彎矩M，使加強層伴隨著核心筒發生彎曲，與此同時，與加強層相連的外柱發生軸向變形，一側外柱受壓，一側外柱受拉，壓力C和拉力r形成一個反彎矩M，作用于核心筒的頂部。這一反向彎矩M部分抵消了核心筒各水平截面所受到的水平荷載彎矩，改善了核心筒和框架的樓層剪力的豎向分布狀況，使它進一步均勻化，因此結構的側移也得到減小。

3.力學性能分析

在文獻[2]中，作者對帶有若干道水平加強層的鋼框架一混凝土核心筒超高層結構進行了三維有限元動力響應計算分析，并進行多種不同結構布置下的比較、分析。總結出水平加強層對鋼框架一混凝土核心筒超高層結構幾個力學方面性能的影響程度。主要表現在一下幾個方面：

1） 水平加強層的設置能有效地增強結構的整體抗側能力， 使側向位移明顯減小，同時，可以降低結構的自振周期，并以第一個加強層的設置最為顯著，隨著加強層數量的增加，這種效果逐漸減弱。

2） 對于鋼框架和混凝土核心筒間的不同連接形式，加強層的設置在很大程度上弱化剛接形式與鉸接形式的不同對結構整體的影響。在水平加強層的作用下，結構會在加強層的位置出現剛度突變和內力突變的現象，這種突變會隨著加強層剛度的增加而增加，并且，在加強層處的內力突變程度會隨著加強層設置數目的增加而趨于緩和。因此，設計過程中，在可能的情況下，應多強調加強層的數量，而淡化單個加強層的剛性。

4.抗震構造措施

在風荷載作用下，設置加強層是一種減少結構水平位移的有效方法； 但在地震作用下，加強層的設置將會引起結構剛度、內力突變，并易形成薄弱層，結構的損壞機理難以呈現“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的延性屈服機制。因此在地震區采用帶加強層的框架一核心筒結構宜慎重，并需采取有效措施。

4.1加強層的剛度選擇和結構布置

在地震作用下， 框架一核心筒結構宜采用“有限剛度”的加強層[3]。

在抗震設計中，應從概念設計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。盡量減少加強層的剛度，減少結構剛度突變和內力的劇增，避免結構在加強層附近形成薄弱層，使結構在罕遇地震作用下能呈現“強柱弱梁”、“強剪弱彎”的延性屈服機制。

4.2 水平伸臂構件剛度的選擇

文獻[4]通過采用底部剪力法計算在地震作用下，帶加強層框架核心筒結構的頂點水平位移，通過計算不同加強層廣義剛度與核心筒廣義剛度比下結構頂點水平位移，來研究加強層廣義剛度對結構整體剛度的影響，結果表明：只有當水平伸臂桁架廣義剛度與核心筒廣義剛度比在一定范圍內，才會對結構側移減小產生明顯效果； 而當桁架廣義剛度與核心筒廣義剛度比增大到一定值后，則對減小結構側移影響不顯著。

4.3 “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。

加強層內析架或實體梁宜布置在核心筒墻與外圍框架柱之間， 形成水平伸臂構件。這種布置比沿加強層外圍框架設置周邊環帶要有利一些。如在布置水平伸臂構件的同時再加上周邊環帶， 則對減少結構整體位移的作用不明顯，但可使水平伸臂構件所受剪力和彎矩減少， 加強層上下樓板的翹曲影響減少。加強層宜采用桁架形式，可通過調整析架腹桿的剛度， 使加強層既能適當彌補結構整體剛度的不足，又能盡量減少結構的內力突變。在罕遇地震作用下， 宜使加強層析架腹桿先屈服破壞，避免加強層附近的外框架柱和核心筒墻肢發生破壞。

設置加強層后， 必須注意加強層上、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； 加強層附近的核心筒墻肢應按底部加強部位的要求設計；“有限剛度”加強層的水平伸臂構件及周邊環帶宜采用析架形式，如采用梁式，則要保證梁抗剪承載能力大于抗彎極限承載能力，梁可加交叉斜筋加強；加強層上下的樓板宜加厚一些，配筋設計中要考慮樓板的翹曲影響，宜在板的上、下配置雙層、雙向構造筋。

參考文獻：

[1]張仲先，趙娜.環帶對帶水平伸臂的高層結構力學性能的影響[J].2007-03.

[2]阮永輝，呂西林.帶水平加強層的超高層結構的力學性能分析[J].2007-05.

[3]徐培福，黃吉鋒，肖真.帶加強層的框架-核心筒結構抗震設計中的幾個問題[J].2009-03.

[4]楊克家，梁興文，李波.帶加強層高層建筑中加強層剛度的合理取值[J].2011-08.