加强层对框架-双核心筒结构受力性能的影响分析

邹仁华，张琼，张浩，杨帆

（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西西安 710054）

0 引言

为了满足建筑功能和结构安全性的要求，框架-核心筒结构广泛地运用到建筑设计中，但在目前的设计中框架-核心筒结构往往升级为框架-双核心筒结构。

框架-双核心筒结构[1]的作用机理同框架-核心筒一样。核心筒作为主要抗侧力构件，外围框架则主要承受竖向荷载，为了抵抗水平力，要求核心筒具有很大的抗侧刚度。但是一方面核心筒尺寸往往受到建筑功能的限制，另一方面核心筒刚度的加大会使地震作用加强。因此，核心筒刚度不能够也不应该过大。由于核心筒抗侧刚度的限制，使得结构存在抗侧刚度不够、核心筒底部弯矩过大等问题[2]，为了解决这些问题，结构设计者常常结合建筑避难层和设备层来设置刚度较大的加强层。加强层通过外框柱产生的拉压力偶来抵抗部分倾覆力矩，从而减小结构的侧移[3-5]。

目前，对普通的框架-核心筒研究较多，而对框架-双核心筒研究较少；对加强层布置的数量和竖向位置研究较多，而对在某一层具体怎样布置研究较少。双核心筒结构由于具有两个核心筒，如果加强层连接每一片墙与外框架柱，这样就会出现刚度突变过大的现象。因此，本文做了不同加强层的布置方案对框架双核心筒结构受力性能进行研究。

1 分析方法

对于大部分的高层建筑，在地震作用下宜选用反应谱法进行计算[6]，这种方法本质上是一种拟动力分析，它首先使用动力方法计算质点地震响应，并使用统计的方法形成反应谱曲线，然后再使用静力方法进行结构分析。反应谱法的优点就是反应谱曲线的代表性，设计曲线来源于地震运动的平均值，弥补了时程分析取有限条地震波作用进行计算的缺点[7]。而反应谱法不仅包括每一阶振型达到的位移最大值，还包括了各构件在每一阶振型中的内力最大值，因此不需要处理整个地震作用时间结构产生的响应，并且反应谱法得出的计算结果便于使用在结构设计中。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

本文以汉中某酒店主体框架-双核心筒结构作为计算模型，首层为6m，二到五层为5.1m，六到三十五层均为3.7m，总层高137.4 m。设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期为0.4s，阻尼比为0.05，设计地震分组为第二组，场地类别为2类。50年一遇的基本风压：0.30kN/m2，100年一遇的基本风压为0.35kN/m2，地面粗糙度：B类，风载体型系数：1.3；基本雪压：0.20 kN/m2。恒荷载为4.0kN/m2，活荷载为2.0 kN/m2框架梁间恒荷载为8.0kN/m2。荷载工况选为1.2恒载+1.0活载+1.0地震荷载。标准层如图1所示。

梁、柱用框架单元进行模拟，板用壳单元进行模拟，剪力墙用分层壳单元进行模拟。

图1 标准层平面图

2.2 不同加强层布置方案

我国现行规范《高层建筑混凝土结构技术规程》[8]（以下简称《高规》）带加强层高层建筑结构设计应符合下列规定：应合理设置加强层的数量、刚度和设置位置。当布置1个加强层时，可设置在0.6倍房屋高度附近，因此加强层布置在21层，其结构形式选为斜腹杆钢桁架形式，伸臂弦杆均采用工型钢，上下弦杆实际尺寸为YB-H800×400×12×25，斜腹杆采用YBH700×400×10×20，工型钢为Q345号。 伸臂桁架与核心筒剪力墙刚接，与框架柱铰接。Y方向布置的加强层如图2所示，X方向布置的加强层如图3所示。

图2 Y方向加强层

图3 X方向加强层

具体布置方案如下：

模型1：在B轴，E轴布置；

模型2：在C轴，D轴布置；

模型3：在2轴，3轴布置；

模型4：在B，C，D，E 轴同时布置；

模型5：在B，E，2，3 轴同时布置；

模型6：在C，D，2，3 轴同时布置；

模型7：在B，C，D，E，2，3轴同时布置。

3 结果分析

3.1 振型与周期

运行模态分析工况，原模型前3阶振型的质量参与系数如表1所示。原模型与布置加强层的7个模型的前6阶振型的周期如表2所示。

表1 原模型前三阶振型的质量参与系数

表2 各模型前6阶振型周期

由原模型的前三阶的质量参与系数可知，第一振型为Y方向平动，第二振型为X方向平动，第三振型为绕Z轴转动。

由以上数据对比可知：

1）在Y方向上布置加强层的模型第一周期都比原模型要小，在Y方向上布置2道伸臂钢桁架，周期比原模型减小4.3%，布置4道伸臂钢桁架，周期比原模型减小了7.4%。在X方向上布置的伸臂钢桁架对第一振型的周期影响不大；

2）在X方向上布置加强层的模型第二振型的周期比原模型减小4.7%，在Y方向上布置的伸臂钢桁架对第二周期影响很小，只减小了0.3%；

3）第三振型及以后，布置的伸臂钢桁架加强层对结构的周期影响很小。

3.2 结构位移响应

《高规》规定框架-核心筒结构最大层间角位移不得超过1/800，由表3可知：原模型和加强层布置在Y方向的模型层间角位移均不满足规定，X方向布置加强层可以有效减小顶点位移和最大层间角位移，满足规定要求。减小最大的是模型7，顶点位移比原模型降低了9.2%，比原模型的最大层间位移角降低了9.3%。

表3 顶点位移及最大层间位移角

图4 楼层位移

图5 层间位移角

由图4、图5可知：

1）只布置Y方向的模型对结构的位移影响不大，布置在X方向的模型对结构的位移会产生较大的影响，顶点位移减小9.2%；

2）只布置Y方向的模型对结构层间位移角影响不大，布置在X方向的加强层可以明显地减小结构层间位移角，在21层层间位移角发生突变。

图6 层刚度

3.3 结构刚度变化

各模型楼层刚度通过式Ki=Vi/△ui计算得出，其中Vi表示楼层剪力，△ui表示层间位移。各模型楼层刚度沿建筑高度的变化见图6。

由图6可知：各楼层的刚度随楼层的增加而减少，层高在6层发生变化，层刚度在6层出现突变。在水平X方向地震作用下，在Y方向布置加强层的模型刚度与原模型无明显变化，在X方向布置加强层的模型刚度有所增加，并且在布置加强层的楼层出现了刚度突变。层高改变和布置加强层都会引起结构刚度突变，故加强层不应布置在层高改变处。

3.4 结构内力响应

各个模型基底剪力分配情况如表4所示，基底倾覆力矩分配情况如表5所示。

表4 模型基底剪力分配情况

表5 模型抗倾覆弯矩的分配情况

由此可知：布置一层加强层对框架柱和核心筒承担的基底剪力和基底倾覆力矩的比值影响不大。

4 结论

本文主要采用数值模拟的研究方法，运用SAP2000软件对布置不同加强层的框架-双核心筒结构进行模态分析和振型分解反应谱分析，得出以下结论：

1）布置加强层可以有效减少结构位移，增大结构刚度，但在布置加强层的楼层会产生刚度突变。结构层高改变处也会发生刚度突变，加强层不应布置在层高改变处。

2）在地震作用的方向上布置加强层可以有效减少结构位移，反之对结构位移影响不大。在振型运动的方向布置加强层可以减少该振型的周期。

3）布置加强层不应单方向布置，应在X、Y方向同时布置，根据需要可以在布置4道加强层的方向将其减少为2道，但应对称布置。

4）布置一层加强层对框架柱和核心筒承担的基底剪力和基底倾覆力矩的比值影响不大。