虛擬伸臂混合高層建筑受力性能研究

高劍平，周方超，羅 丹

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013）

在高層建筑中設(shè)置加強(qiáng)層來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的概念由Barkachi提出，并于1962年首次應(yīng)用于加拿大蒙特利爾的一棟47層大樓。因其控制結(jié)構(gòu)側(cè)移的良好效果，得了工程界的認(rèn)可。在國(guó)內(nèi)，加強(qiáng)層首先應(yīng)用于超高層鋼結(jié)構(gòu)。隨后，因其能充分利用周邊框架柱的軸向剛度而形成反彎矩，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，改善核心內(nèi)筒的受力狀況而在框架-核心筒結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。目前實(shí)際工程中加強(qiáng)層伸臂和環(huán)帶構(gòu)件主要有鋼筋混凝土梁、鋼筋混凝土開(kāi)孔梁、鋼筋混凝土桁架和鋼桁架四種結(jié)構(gòu)形式。國(guó)外高層建筑結(jié)構(gòu)多采用鋼桁架體系，而國(guó)內(nèi)早期多采用鋼筋混凝土梁式體系。直到近幾年，鋼桁架才逐漸被選用做加強(qiáng)層。

筒體體系是高層建筑中最常用的結(jié)構(gòu)體系之一。筒體體系分為兩種類(lèi)型：一是由外框筒和核心筒組成的筒中筒體系，二是外框架和核心筒組成的框架-核心筒體系。由于外框筒往往是密柱或深梁組成，有時(shí)難以滿(mǎn)足建筑采光等要求，應(yīng)用時(shí)受到一定的限制，而由稀柱、淺梁組成的外框架則使樓面使用更為方便。因此，框架-核心筒體系因其良好的建筑功能和經(jīng)濟(jì)性能，逐漸成為高層乃至超高層建筑的主流結(jié)構(gòu)體系之一［1-2］。目前，外框架主要采用鋼筋混凝土、鋼材、型鋼混凝土和鋼管混凝土四種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。相比而言，型鋼混凝土具有承載力高、剛度大、延性及耗能性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了鋼結(jié)構(gòu)耐火性、耐久性差等問(wèn)題，很適合作為外框架。

在風(fēng)荷載和地震作用下，高層建筑頂點(diǎn)側(cè)移不能滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，往往設(shè)置加強(qiáng)層以減小側(cè)移。目前，加強(qiáng)層多采用水平伸臂構(gòu)件，在設(shè)置水平伸臂的同時(shí)設(shè)置環(huán)帶構(gòu)件，可進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)側(cè)移。但這些加強(qiáng)層設(shè)置方式，易導(dǎo)致加強(qiáng)層附近樓層產(chǎn)生很大的剛度和內(nèi)力突變，對(duì)抗震不利。Nair［3］提出一種新的加強(qiáng)層布置方式：僅沿框架柱外圍布置環(huán)帶桁架，并將高層建筑地下室等效為伸臂桁架，共同抵抗結(jié)構(gòu)傾覆。它的工作機(jī)理是：將樓板視為剛片，環(huán)帶桁架與其上、下樓板以及地下室與其內(nèi)部墻體形成一個(gè)剛度很大的箱體。箱體限制核心筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，并將彎矩轉(zhuǎn)化為豎向力作用在外部框架柱或地下室周邊墻體上，起到類(lèi)似直接伸臂的作用，可稱(chēng)之為“虛擬伸臂”。環(huán)帶桁架作為“虛擬伸臂”的傳力途徑為：先將內(nèi)筒的部分彎矩轉(zhuǎn)換為水平力作用在樓板上，通過(guò)樓板傳遞給桁架弦桿，再由桁架將水平力轉(zhuǎn)換為豎向力作用到外部框柱上，如圖1所示。地下室作為“虛擬伸臂”的傳力途徑為：先將核心筒部分彎矩轉(zhuǎn)化為水平力作用在地下室的頂板和地（底）板上，樓板再將水平力傳遞到地下室周邊墻體上，如圖2所示。

與傳統(tǒng)的直接設(shè)置水平伸臂相比，“虛擬伸臂”的優(yōu)勢(shì)在于：消除了水平伸臂與核心筒之間復(fù)雜的構(gòu)造連接，周邊框柱都參與抵抗傾覆力矩，減少了剪力滯后現(xiàn)象，周邊框架柱底軸力趨向均勻，受力合理。同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力突變與剛度突變的影響較少，核心筒與水平伸臂之間沉降差異問(wèn)題迎刃而解，還能提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度，改善結(jié)構(gòu)的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)變形。Nair雖然提出了“虛擬伸臂”的概念，但沒(méi)有進(jìn)行計(jì)算分析以驗(yàn)證其有效性，因此本文對(duì)這種體系進(jìn)行了初步的力學(xué)性能分析。

圖1 環(huán)帶桁架作為“虛擬伸臂”的受力轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Force transformation diagram of belt trussesas“virtualoutriggers”

圖2 地下室作為“虛擬伸臂”的受力轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Force transformation diagram of basementas“virtualoutriggers”

1 算例分析

本文參考實(shí)際工程，忽略扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用SAP2000有限元軟件建立了一個(gè)平面和立面都比較規(guī)則的SRC框架-RC核心筒混合高層結(jié)構(gòu)空間模型。該結(jié)構(gòu)地面以上36層，地下2層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.5m，底層層高4.5m，地下室層高4m。結(jié)構(gòu)為27m×27m平面規(guī)則結(jié)構(gòu)，內(nèi)部核心筒從下至上貫通布置，外圍框架柱距9m，主樓高寬比4.7，核心筒高寬比14.1。

圖3 結(jié)構(gòu)平面圖Fig.3 Structuralp lan

框架柱全部為型鋼混凝土柱，框架梁為工字型鋼梁，核心筒為鋼筋混凝土。豎向荷載主要有構(gòu)件自重和樓面活荷載。活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50009-2001）選用。加強(qiáng)層布置方案見(jiàn)表1。本算例參考國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)其抗震性能的研究［4-8］并依照規(guī)范對(duì)加強(qiáng)層位置的規(guī)定，考慮環(huán)帶桁架剛度，對(duì)不同位置、不同數(shù)量以及“虛擬伸臂”加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系的受力性能利用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行對(duì)比分析。假定該結(jié)構(gòu)建在上海市區(qū)，根據(jù)荷載規(guī)范，取基本風(fēng)壓W0=0.55 kN·m-2（按50年采用），地面粗糙度為C類(lèi)，建筑抗震類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，二類(lèi)場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組第一組，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1 g，場(chǎng)地特征周期取0.35 s。

表1 加強(qiáng)層布置情況一覽表Tab.1 Listofoutrigger schemes

1.1 “虛擬伸臂”對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響

為了更清楚地比較只設(shè)伸臂、只設(shè)環(huán)帶和同時(shí)設(shè)伸臂環(huán)帶這三種加強(qiáng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響。本算例分別提取了⑤軸與軸相交處外柱和⑤軸與軸相交處中柱的頂點(diǎn)位移和層間側(cè)移。由于本結(jié)構(gòu)平立面比較規(guī)則，X和Y方向的結(jié)構(gòu)剛度相近，故僅列出X方向水平力作用下的計(jì)算結(jié)果。

分析圖4可以看出，在地震作用下，設(shè)置水平加強(qiáng)層能顯著減小結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和最大層間位移。同時(shí)設(shè)置水平伸臂和環(huán)帶構(gòu)件的結(jié)構(gòu)側(cè)移減小效果最好，伸臂次之，環(huán)帶最差。隨著加強(qiáng)層數(shù)目的增加，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和層間位移進(jìn)一步減小。

由圖5和圖6可以得出，設(shè)置水平加強(qiáng)層后，在加強(qiáng)層處形成層間位移突變。就僅設(shè)一道加強(qiáng)層而言，伸臂和環(huán)帶同時(shí)設(shè)置時(shí)，剛度最大，突變也最厲害。隨著加強(qiáng)層數(shù)目的增加，層間位移突變有所緩和。在加強(qiáng)層樓層，環(huán)帶的外柱層間位移要大于伸臂，而中柱層間位移則小于伸臂。各方案底部均出現(xiàn)了層間位移突變，這是由于我們將地下室樓板視為加強(qiáng)層，約束核心筒的變形，減小了結(jié)構(gòu)側(cè)移。

圖4 X向地震作用下外柱各層位移Fig.3 Lateraldisp lacem entof exterior column subjected to X-direction horizontalseism ic action

圖5 X向地震作用下外柱層間位移Fig.5 Storey driftof exterior column subjected to X-direction horizontalseism ic action

圖6 X向地震作用下中柱層間位移Fig.6 Storey driftof interm ediate column subjected to X-direction horizontalseism ic action

1.2 “虛擬伸臂”對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響

1.2.1 環(huán)帶桁架對(duì)結(jié)構(gòu)基底反力的影響

從表2可以看出，設(shè)置一道加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力和彎矩的影響不大。從結(jié)構(gòu)基底反力來(lái)看，與設(shè)置一道伸臂相比，設(shè)置一道環(huán)帶并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)設(shè)置伸臂和環(huán)帶會(huì)使結(jié)構(gòu)基底剪力和彎矩增加，但幅度并不大。設(shè)置兩道加強(qiáng)層后，結(jié)構(gòu)整體剛度明顯增強(qiáng)，各方案基底反力都有增加，但幅度很小。

表2 X地震作用下各方案基底反力Tab.2 The base reaction force of each schem e under X-direction earthquake action

1.2.2 環(huán)帶桁架對(duì)框架柱受力性能的影響

為了研究前面提到的不同加強(qiáng)層對(duì)框架柱剪力的影響，本文提取了各方案⑤軸與軸相交處外柱和⑤軸與軸相交處中柱沿樓層分布的剪力。

圖7 X向地震作用下外框架柱剪力Fig.7 The shearing forceof frame column under X-direction earthquake action

圖8 X向地震作用下中柱剪力Fig.8 The shearing forceofm iddle column under X-direction earthquakeaction

由圖7可以看出，環(huán)帶會(huì)使加強(qiáng)層處外框柱剪力發(fā)生巨大突變。水平伸臂對(duì)外框柱剪力突變影響較小，雖然在加強(qiáng)層附近也有剪力突變，但突變的方向與設(shè)置環(huán)帶時(shí)內(nèi)力突變方向相反。且隨著加強(qiáng)層數(shù)量的增加，剪力突變程度有所緩和。

由圖8可以看出，只設(shè)環(huán)帶時(shí)，環(huán)帶所在樓層中柱的剪力減小到最小值，同時(shí)設(shè)置伸臂和環(huán)帶中柱剪力分布規(guī)律與只設(shè)置伸臂相同，但其突變值略小于伸臂結(jié)構(gòu)。設(shè)置兩道伸臂加環(huán)帶，對(duì)減小中間樓層剪力突變作用不明顯，反而會(huì)在頂層形成較大的突變。

3 結(jié)論

通過(guò)SAP2000有限元軟件對(duì)“虛擬伸臂”對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移和結(jié)構(gòu)受力性能的分析計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

1）“虛擬伸臂”桁架可有效減小結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和層間位移，但略低于伸臂結(jié)構(gòu)。實(shí)際工程中，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使“虛擬伸臂”結(jié)構(gòu)達(dá)到和伸臂一樣的控制側(cè)移效果。。

2）“虛擬伸臂”桁架中柱剪力突變明顯小于設(shè)伸臂和環(huán)帶加伸臂的結(jié)構(gòu)，但外柱的剪力突變都相對(duì)較大。但在“虛擬伸臂”桁架中設(shè)置兩道環(huán)帶桁架可以在一定程度上緩解這種突變，同時(shí)周邊框柱都參與低抗傾覆力矩，減少了剪力滯后現(xiàn)象。

3）從基底反力和傾覆彎矩來(lái)看，“虛擬伸臂”桁架的設(shè)置對(duì)其基本沒(méi)有影響。

4）“虛擬伸臂”桁架的設(shè)置會(huì)使外框架柱與筒體剪力產(chǎn)生較大突變。所以，在“虛擬伸臂”構(gòu)件的應(yīng)用過(guò)程中，如何有效控制外框架柱與核心筒剪力突變?nèi)匀挥写^續(xù)研究。

算例表明“虛擬伸臂”桁架按照預(yù)期的想法發(fā)揮了作用?！疤摂M伸臂“桁架為伸臂桁架理念提供了很多好處，并且避免了傳統(tǒng)伸臂桁架剛度大和內(nèi)力突變等問(wèn)題。但是，與傳統(tǒng)伸臂桁架相比，由于”虛擬伸臂“桁架的力傳遞機(jī)制是間接的，使得剛度減小，其有效性要低于傳統(tǒng)伸臂桁架。

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