簡述框架—核心筒中水平加強層的作用

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510640)

一、引言

近年來我國高層建筑蓬勃發展，其特點是向高度更高、體形更復雜、功能更齊全、綜合性更強的方向發展。在高層建筑結構中，水平荷載的影響更大，結構的側移成為設計中主要的控制指標。近年來，我國建筑業采用水平加強層體系來減少高層結構的水平側移，取得了較好的經濟和結構效果[1]。

在層數很多、高度很大的建筑結構中，不可避免的要遇到兩個問題：(1)結構在水平力作用下水平位移過大；(2)作為主要受力構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抗側力構件，必然影響到建筑的使用，這時就可考慮在一定高度位置設置加強層。盡管設置加強層在國內的一些工程中已經得到應用，但是對于正確認識設置水平加強層對減少結構側移的作用機理和設置加強層的最佳位置的研究，在我國尚處在從理論到實踐的過渡階段，加強層設置數量和位置對于節省投資、提高經濟效益等方面有著重大的影響。

二、框架-核心筒結構水平加強層的作用機理

加強層是超高層結構中，設置于避難層或者裝備層，利用桁架、伸臂梁和環向構件等對該樓層進行加固，以達到加固建筑結構，增加結構抗震性能的一種結構特殊樓層布置方式[3]。是一種有效減小結構在荷載作用下側向變形、增加結構整體剛度的方法。加強層在超高層結構，尤其是超高層框架核心筒結構中應用十分普遍。

框架-核心筒結構體系的關鍵是剛臂層(加強層)沿房屋豎向的道數及其位置。在高層建筑框架-核心筒結構抗側剛度不能滿足要求時，為了有效地利用外框架的抗側力作用，可考慮布置水平加強層，即在某些樓層核心筒和外框架之前設置剛度較大的周邊環帶。加強層的設置可使外框架柱有效地發揮作用，以增強整個結構的抗側剛度[4]。

在框架-核心筒結構的高層結構如圖1.1中，抵抗水平荷載產生的傾覆力矩的來源有三個方面：(1)核心筒自身彎矩；(2)外框架柱產生的彎矩；(3)外框架柱軸力產生的整體力偶矩。但是由于核心筒的抗側剛度遠大于外框架，故水平力大部分都有它來承擔，核心筒在這種情況下主要體現為彎曲變形，這在超高層建筑結構中會產生很大的頂點位移，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筒與外框架之間連系梁及裙梁的剛度，這是沒有設置水平加強層的情況。在設計中，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點形式，其傳遞整體彎矩的能力比較差。而水平加強層的設置則能大大改善這種狀況[6]。當設置水平加強層后，將引起高層框架-核心筒結構構件內力的重分布，使得內筒、剪力墻、框架柱和梁的內力大小及方向發生顯著的變化，而這種內力的變化則是朝著有利于減小結構側移的方向變化，從而達到減小結構側移的目的[7,8]。研究表明，有了水平加強層后，結構整體抗彎能力增強了許多，克服了剪力滯后效應，進一步有效地發揮周邊框架柱的軸向剛度作用，使之承擔更多水平荷載所產生的傾覆彎矩，從而進一步提高結構的整體抗側剛度，既能滿足建筑平面功能的要求，又能滿足結構的位移、強度、穩定、延性的要求。

三、加強層優點的分析

在高層建筑結構抗風、抗震設計中，設置水平加強層控制結構側移有突出的優點：

(1)設置水平加強層后將引起結構主要內力的重新分布,可明顯改善結構受力狀態，使內力分布更趨于合理,充分發揮了結構自身的抗側潛能,從而有效減小結構側移，增大結構抗側剛度；

(2)經濟價值：一是在滿足使用功能和規范要求的前提下，減小了剪力墻、筒體和柱等豎向構件的截面尺寸，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、筒體和柱等構件的截面尺寸，與不設水平加強層的相應結構相比，可節約砼10～16%左右[9,10]。

四、總結

綜上所述，在高層建筑框架-核心筒結構設計時，應充分發揮外框架的作用，以提高建筑物的整體抗側剛度，但應恰當地選擇合理的途徑，加設水平加強層提高抗側能力的方法并不是對所有的建筑均效果顯著，應對其適用條件加以分析后確定。當需要加設水平加強層提高抗側能力時，由于加設加強層會造成質量和剛度突變以及應力集中的不利作用，水平加強層設置應選擇合理的位置，在滿足結構整體抗側要求的條件下盡量選擇剛度較小的水平加強層，即應設置“有限剛度”的水平加強層，才能起到既能控制結構側移，又能將加設水平加強層給結構帶來的不利作用減小到最低。