加強層對框架-雙核心筒結構受力性能的影響分析

鄒仁華，張瓊，張浩，楊帆

（西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西西安 710054）

0 引言

為了滿足建筑功能和結構安全性的要求，框架-核心筒結構廣泛地運用到建筑設計中，但在目前的設計中框架-核心筒結構往往升級為框架-雙核心筒結構。

框架-雙核心筒結構[1]的作用機理同框架-核心筒一樣。核心筒作為主要抗側力構件，外圍框架則主要承受豎向荷載，為了抵抗水平力，要求核心筒具有很大的抗側剛度。但是一方面核心筒尺寸往往受到建筑功能的限制，另一方面核心筒剛度的加大會使地震作用加強。因此，核心筒剛度不能夠也不應該過大。由于核心筒抗側剛度的限制，使得結構存在抗側剛度不夠、核心筒底部彎矩過大等問題[2]，為了解決這些問題，結構設計者常常結合建筑避難層和設備層來設置剛度較大的加強層。加強層通過外框柱產生的拉壓力偶來抵抗部分傾覆力矩，從而減小結構的側移[3-5]。

目前，對普通的框架-核心筒研究較多，而對框架-雙核心筒研究較少；對加強層布置的數量和豎向位置研究較多，而對在某一層具體怎樣布置研究較少。雙核心筒結構由于具有兩個核心筒，如果加強層連接每一片墻與外框架柱，這樣就會出現剛度突變過大的現象。因此，本文做了不同加強層的布置方案對框架雙核心筒結構受力性能進行研究。

1 分析方法

對于大部分的高層建筑，在地震作用下宜選用反應譜法進行計算[6]，這種方法本質上是一種擬動力分析，它首先使用動力方法計算質點地震響應，并使用統計的方法形成反應譜曲線，然后再使用靜力方法進行結構分析。反應譜法的優點就是反應譜曲線的代表性，設計曲線來源于地震運動的平均值，彌補了時程分析取有限條地震波作用進行計算的缺點[7]。而反應譜法不僅包括每一階振型達到的位移最大值，還包括了各構件在每一階振型中的內力最大值，因此不需要處理整個地震作用時間結構產生的響應，并且反應譜法得出的計算結果便于使用在結構設計中。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

本文以漢中某酒店主體框架-雙核心筒結構作為計算模型，首層為6m，二到五層為5.1m，六到三十五層均為3.7m，總層高137.4 m。設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，特征周期為0.4s，阻尼比為0.05，設計地震分組為第二組，場地類別為2類。50年一遇的基本風壓：0.30kN/m2，100年一遇的基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度：B類，風載體型系數：1.3；基本雪壓：0.20 kN/m2。恒荷載為4.0kN/m2，活荷載為2.0 kN/m2框架梁間恒荷載為8.0kN/m2。荷載工況選為1.2恒載+1.0活載+1.0地震荷載。標準層如圖1所示。

梁、柱用框架單元進行模擬，板用殼單元進行模擬，剪力墻用分層殼單元進行模擬。

圖1 標準層平面圖

2.2 不同加強層布置方案

我國現行規范《高層建筑混凝土結構技術規程》[8]（以下簡稱《高規》）帶加強層高層建筑結構設計應符合下列規定：應合理設置加強層的數量、剛度和設置位置。當布置1個加強層時，可設置在0.6倍房屋高度附近，因此加強層布置在21層，其結構形式選為斜腹桿鋼桁架形式，伸臂弦桿均采用工型鋼，上下弦桿實際尺寸為YB-H800×400×12×25，斜腹桿采用YBH700×400×10×20，工型鋼為Q345號。 伸臂桁架與核心筒剪力墻剛接，與框架柱鉸接。Y方向布置的加強層如圖2所示，X方向布置的加強層如圖3所示。

圖2 Y方向加強層

圖3 X方向加強層

具體布置方案如下：

模型1：在B軸，E軸布置；

模型2：在C軸，D軸布置；

模型3：在2軸，3軸布置；

模型4：在B，C，D，E 軸同時布置；

模型5：在B，E，2，3 軸同時布置；

模型6：在C，D，2，3 軸同時布置；

模型7：在B，C，D，E，2，3軸同時布置。

3 結果分析

3.1 振型與周期

運行模態分析工況，原模型前3階振型的質量參與系數如表1所示。原模型與布置加強層的7個模型的前6階振型的周期如表2所示。

表1 原模型前三階振型的質量參與系數

表2 各模型前6階振型周期

由原模型的前三階的質量參與系數可知，第一振型為Y方向平動，第二振型為X方向平動，第三振型為繞Z軸轉動。

由以上數據對比可知：

1）在Y方向上布置加強層的模型第一周期都比原模型要小，在Y方向上布置2道伸臂鋼桁架，周期比原模型減小4.3%，布置4道伸臂鋼桁架，周期比原模型減小了7.4%。在X方向上布置的伸臂鋼桁架對第一振型的周期影響不大；

2）在X方向上布置加強層的模型第二振型的周期比原模型減小4.7%，在Y方向上布置的伸臂鋼桁架對第二周期影響很小，只減小了0.3%；

3）第三振型及以后，布置的伸臂鋼桁架加強層對結構的周期影響很小。

3.2 結構位移響應

《高規》規定框架-核心筒結構最大層間角位移不得超過1/800，由表3可知：原模型和加強層布置在Y方向的模型層間角位移均不滿足規定，X方向布置加強層可以有效減小頂點位移和最大層間角位移，滿足規定要求。減小最大的是模型7，頂點位移比原模型降低了9.2%，比原模型的最大層間位移角降低了9.3%。

表3 頂點位移及最大層間位移角

圖4 樓層位移

圖5 層間位移角

由圖4、圖5可知：

1）只布置Y方向的模型對結構的位移影響不大，布置在X方向的模型對結構的位移會產生較大的影響，頂點位移減小9.2%；

2）只布置Y方向的模型對結構層間位移角影響不大，布置在X方向的加強層可以明顯地減小結構層間位移角，在21層層間位移角發生突變。

圖6 層剛度

3.3 結構剛度變化

各模型樓層剛度通過式Ki=Vi/△ui計算得出，其中Vi表示樓層剪力，△ui表示層間位移。各模型樓層剛度沿建筑高度的變化見圖6。

由圖6可知：各樓層的剛度隨樓層的增加而減少，層高在6層發生變化，層剛度在6層出現突變。在水平X方向地震作用下，在Y方向布置加強層的模型剛度與原模型無明顯變化，在X方向布置加強層的模型剛度有所增加，并且在布置加強層的樓層出現了剛度突變。層高改變和布置加強層都會引起結構剛度突變，故加強層不應布置在層高改變處。

3.4 結構內力響應

各個模型基底剪力分配情況如表4所示，基底傾覆力矩分配情況如表5所示。

表4 模型基底剪力分配情況

表5 模型抗傾覆彎矩的分配情況

由此可知：布置一層加強層對框架柱和核心筒承擔的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。

4 結論

本文主要采用數值模擬的研究方法，運用SAP2000軟件對布置不同加強層的框架-雙核心筒結構進行模態分析和振型分解反應譜分析，得出以下結論：

1）布置加強層可以有效減少結構位移，增大結構剛度，但在布置加強層的樓層會產生剛度突變。結構層高改變處也會發生剛度突變，加強層不應布置在層高改變處。

2）在地震作用的方向上布置加強層可以有效減少結構位移，反之對結構位移影響不大。在振型運動的方向布置加強層可以減少該振型的周期。

3）布置加強層不應單方向布置，應在X、Y方向同時布置，根據需要可以在布置4道加強層的方向將其減少為2道，但應對稱布置。

4）布置一層加強層對框架柱和核心筒承擔的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。