刚性加强层设置对超高层建筑结构受力性能影响

摘 要：以具体工程的计算模型为例,通过加强层设置与否、加强层设置数量及位置差异等方式,采用设计软件SATWE对比分析结构的自振周期、侧向位移、剪力分布、柱轴力分布、核心筒倾覆弯矩分布等,探讨刚性加强层设置对超高层建筑结构受力性能影响,所得结论可供同类超高层建筑结构设计提供参考.

关 键 词：刚性加强层；超高层建筑结构；受力性能

中图分类号：TU972+.9

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2009)05-0198-03

1　引言

用刚臂来提高框架一核心简体系的抗推能力的概念,最早由Barback提出,并于1962年应用于加拿大蒙特利尔的一幢47层的钢结构大楼.1973年美国Milwaukee市建成的42层、高183m的威斯康星中心大楼,也采用带刚臂的“斜撑心筒框架”体系.刚性加强层在国内首先用于超高层钢结构,以提高抗侧力刚度,改善内支撑框架的受力状况.近几年来,加强层开始用于超高层钢筋混凝土结构,并日趋广泛.

自Barkacki于1962年提出加强层的概念并首次应用于实际工程中以来,国内外的学者和工程师在总结前人研究成果的基础上,不断发展和完善这种结构形式.1975年,美国学者Taranath就将复杂的带加强层框架核心筒结构简化为伸臂刚度为无穷大的简单计算模型,考虑风荷载作用下加强层的位置优化问题,并得到此时加强层位置接近结构中部,位于离顶层0.455倍全高位置的结论.同年,MC.Nabb和Mubdi证实了Taranath分析设置一道加强层的结构所得的结论,并进一步求得带两道加强层的结构的加强层最优位置在离结构顶部0.312和0.685倍全高处.1981年,加拿.Staffofd.Smith教授认为伸臂刚度是有限的,对这一模型进行了修正,提出了均匀加强层结构的近似分析方法.1983年,Boggs和Gas-parini分析了核心筒和框架柱截面沿结构高度线性变化的带单道加强层结构的内力和位移,并给出这种条件下加强层的最优位置.1985年,苏格兰学者Moudarres和Coull在简化模型基础上,认为加强层的最优位置在离底层0.5～0.55结构全高之间.随着经济的发展和国内高层、超高层建筑的不断增加,国内学者也在带加强层的框筒结构体系方面做了大量的分析和研究.

本文以具体工程的计算模型为例,通过加强层设置与否、加强层设置数量及位置差异等方式,采用设计软件SATWE对比分析结构的自振周期、侧向位移、剪力分布、柱轴力分布、核心筒倾覆弯矩分布等,探讨刚性加强层设置对超高层建筑结构受力性能影响,所得结论可供同类超高层建筑结构设计提供参考.

2　工程简介

　某工程总建筑面积约18.3万m2,总建筑高度为286.80m,整栋建筑高宽比为6.4；塔楼地上共58层,裙房地上6层；地下室共6层.塔楼主体结构高度269.65m,地下室深度30.8m.地下室主要为设备用房、车库等,其中地下四层和地下五层为3.1m层高的板柱结构停车库.地上部分裙房七层以下为宾馆大堂、商业、会议等,层高为6m；塔楼八层至二十八层为标准客房区,层高3.7m；三十层以上为办公区,层高4.5m；二十九层和四十四层为避难层,层高6m.塔楼主体结构采用钢筋混凝土框架一核心筒结构,核芯筒高宽比为15,屋面构架采用钢结构；裙房采用钢筋混凝土框架.

由于本工程核心筒呈椭圆形,两个方向刚度差别较大,短轴方向结构刚度较小,短轴方向结构总高与核心筒宽度之比较大,因此在二十九层和四十四层利用建筑设备层(避难层)设置结构加强层,采用钢结构水平伸臂桁架增大结构刚度.斜腹杆采用宽翼缘的H型钢,上下弦杆采用型钢混凝土构件.

本工程地震作用基本参数为：抗震设防类别为丙类；抗震设防烈度为6度；设计基本地震加速度值为0.05g；建筑场地类别：I类：场地勘探深度范围内未发现崩塌、断层、滑坡、软弱带及岩溶等不良地质作用,是稳定的场地；设计地震分组为第一组.结构抗震等级如下：二十九层加强层及其相邻层、四十四层加强层及其相邻层的框架柱和核心筒剪力墙的抗震等级：一级.框支柱及转换桁架抗震等级一级.地下二层及以上的其余框架和核心筒剪力墙抗震等级：二级,考虑到结构高度超限,抗震措施中构件内力放大系数提高为一级.地下三层抗震等级：.地下四层及以下抗震等级：四级.

3　加强层的设置对结构受力性能的影响

为探讨加强层设置与否、加强层数量及位置为结构受力性能的影响,设置如下四种方案,方案1：各层均不设置加强层；方案2：在29层处设一道加强层,楼层标高为119.70m；方案3：在44层处设一道加强层,楼层标高为188.70m；方案4：在29,44层处设二道加强层.以具体工程的计算模型为例,对比分析结构的自振周期、侧向位移、剪力分布、柱轴力分布、核心筒倾覆弯矩分布等.

　3.1　对结构自振周期的影响

水平加强层能够增强结构的整体抗侧移效果,使得结构的整体刚度得到一定的提高,从而影响到结构的自振周期,加强层设置对结构自振周期的影响见表1.

由表1可知,加强层的设置对结构的整体刚度有明显增强的作用,从而使结构的低阶自振周期明显变短.在29层处设置的一道加强层使结构的第一周期减小0.3331秒,减小4.1％：在44层处设置的一道加强层使结构的第一周期减小0.2231秒,减小2.8％；在29,44层处设置的二道加强层使结构的第一周期减小0.4913秒,减小6.0‰

结构自振周期的减小程度还与加强层的具体设置位置及数量有关.结构自振周期的减小效果随着加强层数目的增多这种效果而有所增加,但增加的幅度变缓.另外,当仅设置一道加强层时,设置在29层处的一道加强层(位于整栋楼高的0.417高度处)对结构的低阶自振周期要明显优于设置在44层处的一道加强层(位于整栋楼高的0.66高度处).

对于高阶振型,一般来说,结构自振周期对于加强层的设置并不敏感,加强层的效果得不到有效发挥.因此,加强层的设置对某高阶的振动周期有失效的情况,如表中的T4,四种方案的自振周期几乎没有变化,而这种失效的程度,也将与加强层在结构中所处的位置及结构本身刚度分布有关.但是,对于某些高阶振型,当加强层的设置在该阶振型的拐点处时,结构自振周期对于加强层的设置又十分敏感,加强层的效果能有较好发挥,如表中的T8另一方面对于结构的扭转及竖向振动,加强层的设置作用不明显,其原因是仅设置伸臂加强层的平面外刚度并不大,从而也就不会对扭转及竖向振动产生较大的影响,如表中的T3、T6、T9.

3.2　对结构侧向位移的影响

超高层建筑结构在设置了水平加强层后,由于刚性水平伸臂使得框架柱产生轴向拉压力,从而形成整体力偶矩,平衡了一部分由水平外荷载产生的倾覆力矩,从而大大减小了结构的侧向位移.风荷载及地震荷载作用下加强层设置对结构侧移动的影响分别见表2.

由表2可知,(1)风荷载作用下结构顶层点的位移值大大超过地震荷载下结构顶层点的位移值；(2)风荷载作用下结构最大层间位移角大大超过地震荷载下结构最大层间位移角.也就是说,在此超高层结构中,风荷载作用效应是起主要控制作用的：(3)加强层的设置对减小结构位移的作用是非常明显：29层处设置的一道加强层使位移值减小了6.35％(风荷载)和6.38％(地震),44层处设置的一道加强层使位移值减小了5.49％(风荷载)和5.05％(地震),而当结构于29,44层处设置二道加强层时则分别减小了10.59％(风荷载)和9.92％(地震).这就说明,在超高层建筑结构中,水平加强层的设置对减小结构的位移的效果是明显的.(4)另一方面,由于设置了水平加强层,超高层结构的最大层间位移角所在的楼层位置发生了明显的变化,一般水平加强层的刚度都很大,明显强于其它楼层,它的设置常常使结构原来的层间刚度发生了变化,从而也导致了内力分布的变化,这一点对于抗震来说是非常不利的,所以应该采用设置“有效刚度”加强层,既能调整结构整体刚度以满足规范的最低要求,减少非结构构件的破损,又能尽量减少结构刚度突变和内力剧增,避免产生结构薄弱层.

3.3　对结构剪力分布的影响

水平加强层的设置对基底总剪力值的影响一般不大,它并不会改变底部剪力在两者间的分配率.然而加强层的设置将对钢筋混凝土框架和核心筒的剪力竖向分布产生作用,它会引起结构剪力在局部产生突变.当结构受到水平荷载的作用时,在结构设置水平加强层的地方.由于斜撑的存在,它会在加强层间的筒体上下部加给核心筒结构一对近似等值反向的水平力,这对水平力会使混凝土核心筒在加强层处产生剪力突变.选取设置加强层附近的楼层,地震荷载作用下加强层设置对结构部分楼层剪力的影响.

(1)仅设置一道加强层时,该楼层的剪力值急剧增大.在本工程项目中,其剪力值增加到了未曾设置加强层时的4.1倍左右：(2)仅设置一道加强层时,该楼层的剪力值主要增大的是该层的核心筒部分,在本工程项目中,核心筒部分的剪力值增加到了未曾设置加强层时的4.7倍左右；(3)仅设置一道加强层时,相邻楼层的楼层剪力值变化不大,但相邻楼层的核心筒部分的剪力值将略有下降；(4)当设置二道加强层的时候,楼层剪力值突变的情况有所缓解,在本工程项目中,其剪力值的增值下降为仅设置一道加强层时的80％；核心筒部分的剪力值下降为仅设置一道加强层时的80％：其相邻楼层的核心筒部分的剪力值变化不大.

从结构抗剪的角度上看,抗震设计中由于加强层的设置,会在结构中造成剪力突变,尤其是对于混凝土核心筒,从而形成薄弱层.另一方面,从改善结构的受力状态而言,不应该采用刚度很大的加强层.一般来说,加强层的刚度越大,引起的结构剪力突变程度也就越大.从目前的一些相关文献可以看出,类似用钢筋混凝土实腹梁或空腹梁作为加强层的伸臂构件,其引起的内力突变程度比一般桁架式加强层更大,而当选用桁架式的加强层结构,也并不是越刚越好.在能保证了结构的侧向位移后,在条件允许下,适当地增加加强层数目能缓解剪力在整体结构中的突变程度,是有好处的.

3.4　对结构柱轴力分布的影响

设置水平加强层的目的和作用机理是通过刚性水平加强层使得框架柱产生轴向拉力和压力,组成一个力偶平衡掉一部分由外部水平荷载产生的倾覆力矩,从而减少了核心筒体承受的力矩,也大大减少水平侧移.显然,加强层的设置将会改变外框架柱的轴力大小和分布.

选取框架柱L4进行分析,X向风荷载作用下加强层设置对框架柱轴力的影响见表4,由表可知,随着加强层的设置,框架柱L4的轴力有所增加,幅度约为10％左右,且29层处设置的加强层作用更为明显,超过44层处设置加强层的效果.

3.5　对核心筒倾覆弯矩分布的影响

在加强层设置对结构剪力分布的影响中,我们注意到钢筋混凝土框架和核心筒之间,混凝土核心筒体承担了绝大部分的水平剪力,同时水平荷载在筒体内产生的弯矩也较大.在抵抗结构倾覆弯矩中,它起了主要的作用；另一方面,在设置了水平加强层后,核心筒体的弯矩分布规律也将发生巨大的变化,选取H轴的核心筒墙肢进行比较分析.

X向风荷载作用下加强层设置对核心筒墙肢底部弯矩的影响见表5,由表可知,随着加强层的设置,核心筒墙肢的底部弯矩值有所减小,二道加强层减小的幅度大于仅设置一道加强层减小的幅度；且设置在29层加强层的作用效果要优于设置在44层的加强层.

4　结论

4.1　加强层的设置对结构的整体刚度有增强的作用,使结构的低阶自振周期明显变短.对于高阶振型,结构自振周期对于加强层的设置并不敏感.结构自振周期的减小效果随着加强层数目的增多而增加,但增加的幅度变缓.另外,当仅设置一道加强层时,设置在29层处的一道加强层(位于整栋楼高的0.417高度处)对结构的自振周期和位移的减小幅度等均要明显优于设置在44层处的一道加强层(位于整栋楼高的0.66高度处)的作用.

4.2　在超高层建筑结构中,一方面水平加强层的设置对减小结构的位移的效果明显；另一方面,由于设置了水平加强层,超高层结构的最大层间位移角所在的楼层位置发生了明显的变化.一般水平加强层的刚度都很大,明显强于其它楼层,它的设置常常使结构原来的层间刚度发生了变化,从而也导致了内力分布的变化,这一点对于抗震来说是非常不利的,所以应该采用设置“有效刚度”加强层,既能调整结构整体刚度以满足规范的最低要求,减少非结构构件的破损,又能尽量减少结构刚度突变和内力剧增,避免产生结构薄弱层.

4.3　水平加强层的设置对基底总剪力值的影响不大,其主要影响的是钢筋混凝土框架和核心筒的剪力竖向分布,它会引起结构剪力在加强层附近楼层产生突变.在条件允许下,适当地增加加强层数目,减少每一层加强层的刚度对结构抗震有利的.

4.4　随着加强层的设置,框架柱在加强层的轴力值大幅增加,且轴力增加的幅度与加强层与楼层竖向刚度比值的大小成正比；同时,核心筒墙肢在加强层的弯矩值发生反向突变.