加強(qiáng)層對(duì)框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

鄒仁華，張瓊，張浩，楊帆

（西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054）

0 引言

為了滿足建筑功能和結(jié)構(gòu)安全性的要求，框架-核心筒結(jié)構(gòu)廣泛地運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中，但在目前的設(shè)計(jì)中框架-核心筒結(jié)構(gòu)往往升級(jí)為框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)。

框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)[1]的作用機(jī)理同框架-核心筒一樣。核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，外圍框架則主要承受豎向荷載，為了抵抗水平力，要求核心筒具有很大的抗側(cè)剛度。但是一方面核心筒尺寸往往受到建筑功能的限制，另一方面核心筒剛度的加大會(huì)使地震作用加強(qiáng)。因此，核心筒剛度不能夠也不應(yīng)該過大。由于核心筒抗側(cè)剛度的限制，使得結(jié)構(gòu)存在抗側(cè)剛度不夠、核心筒底部彎矩過大等問題[2]，為了解決這些問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者常常結(jié)合建筑避難層和設(shè)備層來設(shè)置剛度較大的加強(qiáng)層。加強(qiáng)層通過外框柱產(chǎn)生的拉壓力偶來抵抗部分傾覆力矩，從而減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移[3-5]。

目前，對(duì)普通的框架-核心筒研究較多，而對(duì)框架-雙核心筒研究較少；對(duì)加強(qiáng)層布置的數(shù)量和豎向位置研究較多，而對(duì)在某一層具體怎樣布置研究較少。雙核心筒結(jié)構(gòu)由于具有兩個(gè)核心筒，如果加強(qiáng)層連接每一片墻與外框架柱，這樣就會(huì)出現(xiàn)剛度突變過大的現(xiàn)象。因此，本文做了不同加強(qiáng)層的布置方案對(duì)框架雙核心筒結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行研究。

1 分析方法

對(duì)于大部分的高層建筑，在地震作用下宜選用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算[6]，這種方法本質(zhì)上是一種擬動(dòng)力分析，它首先使用動(dòng)力方法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)地震響應(yīng)，并使用統(tǒng)計(jì)的方法形成反應(yīng)譜曲線，然后再使用靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。反應(yīng)譜法的優(yōu)點(diǎn)就是反應(yīng)譜曲線的代表性，設(shè)計(jì)曲線來源于地震運(yùn)動(dòng)的平均值，彌補(bǔ)了時(shí)程分析取有限條地震波作用進(jìn)行計(jì)算的缺點(diǎn)[7]。而反應(yīng)譜法不僅包括每一階振型達(dá)到的位移最大值，還包括了各構(gòu)件在每一階振型中的內(nèi)力最大值，因此不需要處理整個(gè)地震作用時(shí)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)，并且反應(yīng)譜法得出的計(jì)算結(jié)果便于使用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 有限元模型建立

2.1 建立模型

本文以漢中某酒店主體框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型，首層為6m，二到五層為5.1m，六到三十五層均為3.7m，總層高137.4 m。設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，特征周期為0.4s，阻尼比為0.05，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為2類。50年一遇的基本風(fēng)壓：0.30kN/m2，100年一遇的基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度：B類，風(fēng)載體型系數(shù)：1.3；基本雪壓：0.20 kN/m2。恒荷載為4.0kN/m2，活荷載為2.0 kN/m2框架梁間恒荷載為8.0kN/m2。荷載工況選為1.2恒載+1.0活載+1.0地震荷載。標(biāo)準(zhǔn)層如圖1所示。

梁、柱用框架單元進(jìn)行模擬，板用殼單元進(jìn)行模擬，剪力墻用分層殼單元進(jìn)行模擬。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2.2 不同加強(qiáng)層布置方案

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）帶加強(qiáng)層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：應(yīng)合理設(shè)置加強(qiáng)層的數(shù)量、剛度和設(shè)置位置。當(dāng)布置1個(gè)加強(qiáng)層時(shí)，可設(shè)置在0.6倍房屋高度附近，因此加強(qiáng)層布置在21層，其結(jié)構(gòu)形式選為斜腹桿鋼桁架形式，伸臂弦桿均采用工型鋼，上下弦桿實(shí)際尺寸為YB-H800×400×12×25，斜腹桿采用YBH700×400×10×20，工型鋼為Q345號(hào)。 伸臂桁架與核心筒剪力墻剛接，與框架柱鉸接。Y方向布置的加強(qiáng)層如圖2所示，X方向布置的加強(qiáng)層如圖3所示。

圖2 Y方向加強(qiáng)層

圖3 X方向加強(qiáng)層

具體布置方案如下：

模型1：在B軸，E軸布置；

模型2：在C軸，D軸布置；

模型3：在2軸，3軸布置；

模型4：在B，C，D，E 軸同時(shí)布置；

模型5：在B，E，2，3 軸同時(shí)布置；

模型6：在C，D，2，3 軸同時(shí)布置；

模型7：在B，C，D，E，2，3軸同時(shí)布置。

3 結(jié)果分析

3.1 振型與周期

運(yùn)行模態(tài)分析工況，原模型前3階振型的質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示。原模型與布置加強(qiáng)層的7個(gè)模型的前6階振型的周期如表2所示。

表1 原模型前三階振型的質(zhì)量參與系數(shù)

表2 各模型前6階振型周期

由原模型的前三階的質(zhì)量參與系數(shù)可知，第一振型為Y方向平動(dòng)，第二振型為X方向平動(dòng)，第三振型為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

由以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知：

1）在Y方向上布置加強(qiáng)層的模型第一周期都比原模型要小，在Y方向上布置2道伸臂鋼桁架，周期比原模型減小4.3%，布置4道伸臂鋼桁架，周期比原模型減小了7.4%。在X方向上布置的伸臂鋼桁架對(duì)第一振型的周期影響不大；

2）在X方向上布置加強(qiáng)層的模型第二振型的周期比原模型減小4.7%，在Y方向上布置的伸臂鋼桁架對(duì)第二周期影響很小，只減小了0.3%；

3）第三振型及以后，布置的伸臂鋼桁架加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)的周期影響很小。

3.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

《高規(guī)》規(guī)定框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大層間角位移不得超過1/800，由表3可知：原模型和加強(qiáng)層布置在Y方向的模型層間角位移均不滿足規(guī)定，X方向布置加強(qiáng)層可以有效減小頂點(diǎn)位移和最大層間角位移，滿足規(guī)定要求。減小最大的是模型7，頂點(diǎn)位移比原模型降低了9.2%，比原模型的最大層間位移角降低了9.3%。

表3 頂點(diǎn)位移及最大層間位移角

圖4 樓層位移

圖5 層間位移角

由圖4、圖5可知：

1）只布置Y方向的模型對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響不大，布置在X方向的模型對(duì)結(jié)構(gòu)的位移會(huì)產(chǎn)生較大的影響，頂點(diǎn)位移減小9.2%；

2）只布置Y方向的模型對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角影響不大，布置在X方向的加強(qiáng)層可以明顯地減小結(jié)構(gòu)層間位移角，在21層層間位移角發(fā)生突變。

圖6 層剛度

3.3 結(jié)構(gòu)剛度變化

各模型樓層剛度通過式Ki=Vi/△ui計(jì)算得出，其中Vi表示樓層剪力，△ui表示層間位移。各模型樓層剛度沿建筑高度的變化見圖6。

由圖6可知：各樓層的剛度隨樓層的增加而減少，層高在6層發(fā)生變化，層剛度在6層出現(xiàn)突變。在水平X方向地震作用下，在Y方向布置加強(qiáng)層的模型剛度與原模型無明顯變化，在X方向布置加強(qiáng)層的模型剛度有所增加，并且在布置加強(qiáng)層的樓層出現(xiàn)了剛度突變。層高改變和布置加強(qiáng)層都會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度突變，故加強(qiáng)層不應(yīng)布置在層高改變處。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

各個(gè)模型基底剪力分配情況如表4所示，基底傾覆力矩分配情況如表5所示。

表4 模型基底剪力分配情況

表5 模型抗傾覆彎矩的分配情況

由此可知：布置一層加強(qiáng)層對(duì)框架柱和核心筒承擔(dān)的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。

4 結(jié)論

本文主要采用數(shù)值模擬的研究方法，運(yùn)用SAP2000軟件對(duì)布置不同加強(qiáng)層的框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和振型分解反應(yīng)譜分析，得出以下結(jié)論：

1）布置加強(qiáng)層可以有效減少結(jié)構(gòu)位移，增大結(jié)構(gòu)剛度，但在布置加強(qiáng)層的樓層會(huì)產(chǎn)生剛度突變。結(jié)構(gòu)層高改變處也會(huì)發(fā)生剛度突變，加強(qiáng)層不應(yīng)布置在層高改變處。

2）在地震作用的方向上布置加強(qiáng)層可以有效減少結(jié)構(gòu)位移，反之對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響不大。在振型運(yùn)動(dòng)的方向布置加強(qiáng)層可以減少該振型的周期。

3）布置加強(qiáng)層不應(yīng)單方向布置，應(yīng)在X、Y方向同時(shí)布置，根據(jù)需要可以在布置4道加強(qiáng)層的方向?qū)⑵錅p少為2道，但應(yīng)對(duì)稱布置。

4）布置一層加強(qiáng)層對(duì)框架柱和核心筒承擔(dān)的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。