框架—核心筒结构中关于水平加强层的若干问题与研究

卫磊 潘天久

摘要：在高层结构中，侧向位移的控制成为结构设计中越来越重要的问题。本文分析了在结构中布置水平加强层的形式、作用形式以及力学性能，通过对比和分析可知：在地震作用下， 框架一核心筒结构宜采用“有限刚度”的加强层。

关键词：侧向位移 水平加强层 有限刚度

在高层结构、尤其是超高层结构中， 侧向位移的控制常常是结构设计中面临的主要问题之一。在超高层结构中， 由于地震荷载、风荷载比一般的结构要大得多， 使得侧向位移控制的矛盾突出。这时， 常常可以考虑利用建筑设备层及避难层的空间， 在结构中布置水平加强层。通常在核心筒与外围框架之间设置适宜刚度的伸臂构件加强核心筒与框架柱间的连系，必要时可设置刚度较大的周边环带构件，进一步加强外周框架角柱与翼缘柱间的连系。

1.加强层的结构形式

加强层构件有两种类型，一是伸臂，二是环带构件。两者的功能不同，不一定同时设置，但如果设置，它们一般在同一层。加强层的高度往往是一层楼高，其刚度很大，一般比其它水平构件大数十倍。

1.1伸臂

伸臂都布置在在外柱和核心筒之间。在平面上，伸臂宜对称布置，伸臂要与核心筒的剪力墙对齐，以便剪力墙承受伸臂传来的反弯矩。沿高度，应考虑布置在有效的楼层，但往往由于建筑上的要求，而不能做到这一点。与伸臂相连的外柱往往承受很大的轴力，通常采用较大的截面，其余柱可以采用较小的截面，在设计时仅承担楼面的竖向荷载。

1.2环带构件

环带构件是指沿结构周圈布置一层（或二层）楼高的桁架，其结构形式一般可归纳为开孔梁、斜腹杆桁架和空腹桁架三种。考虑到建筑外围需要有窗洞采光，此外加强层常常与设备层、避难层结合在一起，更需要对外开敞以便遇到意外灾难时的救援。因此环向构件很少采用实腹梁，多数情况下采用斜腹杆桁架或空腹桁架[1]。

2.水平加强层的作用机理

在水平荷载F作用下，框架一核心筒结构体系中的核心筒各截面引起的弯矩M，使加强层伴随着核心筒发生弯曲，与此同时，与加强层相连的外柱发生轴向变形，一侧外柱受压，一侧外柱受拉，压力C和拉力r形成一个反弯矩M，作用于核心筒的顶部。这一反向弯矩M部分抵消了核心筒各水平截面所受到的水平荷载弯矩，改善了核心筒和框架的楼层剪力的竖向分布状况，使它进一步均匀化，因此结构的侧移也得到减小。

3.力学性能分析

在文献[2]中，作者对带有若干道水平加强层的钢框架一混凝土核心筒超高层结构进行了三维有限元动力响应计算分析，并进行多种不同结构布置下的比较、分析。总结出水平加强层对钢框架一混凝土核心筒超高层结构几个力学方面性能的影响程度。主要表现在一下几个方面：

1） 水平加强层的设置能有效地增强结构的整体抗侧能力， 使侧向位移明显减小，同时，可以降低结构的自振周期，并以第一个加强层的设置最为显著，随着加强层数量的增加，这种效果逐渐减弱。

2） 对于钢框架和混凝土核心筒间的不同连接形式，加强层的设置在很大程度上弱化刚接形式与铰接形式的不同对结构整体的影响。在水平加强层的作用下，结构会在加强层的位置出现刚度突变和内力突变的现象，这种突变会随着加强层刚度的增加而增加，并且，在加强层处的内力突变程度会随着加强层设置数目的增加而趋于缓和。因此，设计过程中，在可能的情况下，应多强调加强层的数量，而淡化单个加强层的刚性。

4.抗震构造措施

在风荷载作用下，设置加强层是一种减少结构水平位移的有效方法； 但在地震作用下，加强层的设置将会引起结构刚度、内力突变，并易形成薄弱层，结构的损坏机理难以呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制。因此在地震区采用带加强层的框架一核心筒结构宜慎重，并需采取有效措施。

4.1加强层的刚度选择和结构布置

在地震作用下， 框架一核心筒结构宜采用“有限刚度”的加强层[3]。

在抗震设计中，应从概念设计上强调尽可能调整增加原结构的刚度，对结构整体刚度只要求其满足规范的最低值，“有限刚度”加强层只是弥补整体刚度之不足，以减少非结构构件的破损。尽量减少加强层的刚度，减少结构刚度突变和内力的剧增，避免结构在加强层附近形成薄弱层，使结构在罕遇地震作用下能呈现“强柱弱梁”、“强剪弱弯”的延性屈服机制。

4.2 水平伸臂构件刚度的选择

文献[4]通过采用底部剪力法计算在地震作用下，带加强层框架核心筒结构的顶点水平位移，通过计算不同加强层广义刚度与核心筒广义刚度比下结构顶点水平位移，来研究加强层广义刚度对结构整体刚度的影响，结果表明：只有当水平伸臂桁架广义刚度与核心筒广义刚度比在一定范围内，才会对结构侧移减小产生明显效果； 而当桁架广义刚度与核心筒广义刚度比增大到一定值后，则对减小结构侧移影响不显著。

4.3 “有限刚度”加强层的结构布置

在地震作用下，沿整个结构高度加强层的设置部位不需强调最有效之部位，如建筑上允许，沿高度可多设几道（2-3道）加强层，而每道加强层的刚度尽量小，这是比较有利的。

加强层内析架或实体梁宜布置在核心筒墙与外围框架柱之间， 形成水平伸臂构件。这种布置比沿加强层外围框架设置周边环带要有利一些。如在布置水平伸臂构件的同时再加上周边环带， 则对减少结构整体位移的作用不明显，但可使水平伸臂构件所受剪力和弯矩减少， 加强层上下楼板的翘曲影响减少。加强层宜采用桁架形式，可通过调整析架腹杆的刚度， 使加强层既能适当弥补结构整体刚度的不足，又能尽量减少结构的内力突变。在罕遇地震作用下， 宜使加强层析架腹杆先屈服破坏，避免加强层附近的外框架柱和核心筒墙肢发生破坏。

设置加强层后， 必须注意加强层上、下外围框架柱的强度和延性设计，可采用劲性钢筋混凝土并加复合螺旋箍筋； 加强层附近的核心筒墙肢应按底部加强部位的要求设计；“有限刚度”加强层的水平伸臂构件及周边环带宜采用析架形式，如采用梁式，则要保证梁抗剪承载能力大于抗弯极限承载能力，梁可加交叉斜筋加强；加强层上下的楼板宜加厚一些，配筋设计中要考虑楼板的翘曲影响，宜在板的上、下配置双层、双向构造筋。

参考文献：

[1]张仲先，赵娜.环带对带水平伸臂的高层结构力学性能的影响[J].2007-03.

[2]阮永辉，吕西林.带水平加强层的超高层结构的力学性能分析[J].2007-05.

[3]徐培福，黄吉锋，肖真.带加强层的框架-核心筒结构抗震设计中的几个问题[J].2009-03.

[4]杨克家，梁兴文，李波.带加强层高层建筑中加强层刚度的合理取值[J].2011-08.