带加强层高层结构探讨

张 法 新

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

·结构·抗震·

带加强层高层结构探讨

张 法 新

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

简要介绍了带加强层高层结构的发展，对带加强层高层结构的受力、变形及抗震性能的研究现状进行系统分析和总结，指出目前这一研究领域存在的主要问题和发展方向，以供相关研究人员参考借鉴。

带加强层高层结构，变形，抗震，问题

在超高层框架—核心筒结构中，在设备层或避难层设置刚度较大的水平伸臂构件，加强核心筒与外围框架的联系，调动周边框架柱轴力抵抗更多的整体倾覆力矩，构成抗侧效率更高的带加强层框架—核心筒结构。Barkacki提出了加强层的概念，并与 1962年在加拿大蒙特利尔一幢47层高的钢结构大楼应用以来，各国学者和工程师对这种结构体系进行了大量研究。近年来，带加强层高层结构在国内得到了应用，并日趋广泛，例如上海金茂大厦(421 m)和中国台北101塔(508 m)。

1 带加强层高层结构的受力与变形研究

带加强层高层结构起初的研究主要集中在加强层的位置、数量和刚度等优化问题上，随后结合实际工程对结构的受力性能开展了深入研究。

1.1 分析模型

建立力学概念明确、假定合理的分析模型是研究带加强层高层结构受力与变形性能的关键，目前为止，分析模型主要分为两大类：二维简化模型和有限元模型。

1)二维简化模型。根据模型的假定和分析方法的不同，二维简化模型主要有：变形协调模型和连续化模型。变形协调模型最早由Taranath提出，该模型力学概念明确，反映加强层的工作机理与变形模式。但在实际情况中，伸臂的刚度并不是无穷大，需考虑伸臂的弯曲和剪切变形影响以及核心筒截面、框架柱的变化，才能减小与实际结构的误差。Smith采用连续化模型研究带加强层结构体系，其与变形协调模型的主要区别在于将框架近似为1个剪切型悬臂构件，框架与核心筒之间连续地采用刚性链杆连接，刚性链杆只传递水平荷载。连续化模型抓住了结构的主要影响因素，忽略局部差异，能较准确反映结构的受力与变形规律，但伸臂链杆数量较少，其分析精度较差，随着伸臂链杆数量的增多，其分析精度将提高。2)有限元模型。二维简化模型属于平面模型，能基本反映带加强层结构的受力与变形性能，但其基本假定与实际结构存在较大误差，分析精度有限，且研究工作大多停留在静力分析层次，对于大型、复杂的实际工程，必须建立三维有限元模型进行静力或动力弹塑性分析，才能准确、全面掌握带加强层高层结构的抗震性能。二维简化模型便于快速掌握带加强层结构的受力特性，但分析精度有限；有限元模型的分析结果更接近实际结构，但其建模时间和计算工作量非常大，不利于进行参数分析和快速估算，实际分析中可综合两类模型的优缺点予以考虑。

1.2 加强层位置、数量和刚度的优化研究

国内外学者采用简化计算模型对加强层的优化位置与数量进行了分析，Taranath得出单道加强层宜设置在结构0.545倍高度的位置，Moudarres和Coull应用传递函数矩阵法求得了加强层的最优位置，但该模型加强层的刚度假设为无穷大，与实际结构的误差较大。加拿大的Smith提出了考虑加强层有限刚度的均匀伸臂结构的近似分析方法，Hoenderkamp进一步考虑加强层的弯曲和剪切变形影响；张杰考虑了伸臂的实际刚度，研究了伸臂位置对结构的侧移与内力的变化规律，但没有明确伸臂实际刚度的取值范围。杨克家对伸臂刚度取值进行了优化，但采用的伸臂构件为实体梁，且没有考虑地震作用对伸臂刚度的影响。童根树推导了双伸臂巨型结构整体失稳的临界方程，揭示了伸臂巨型结构在本质上更加接近于框架结构的性质。Malekinejad把伸臂桁架及其所在的核心筒集中为一个剪切核心区统一处理，把整个结构作连续化分析，并用matlab编程分析了结构的动力特性。

1.3 受力性能研究

由于实际工程的大量需求，使得国内外学者和工程师对带加强层高层结构受力性能展开了深入地研究，虽然二维简化模型力学概念明确，初步设计阶段较好，但简化模型的假定与实际结构往往不一致，结构要获得详细的弹塑性受力性能，需要进行三维有限元分析。张正国用ETABS和SAP有限元软件对比分析了某加强层结构的变形和内力规律，结果表明简化模型与实际模型的分析结果有较大出入。徐培福等人应用多种有限元分析程序(TBSAP，SATWE，SAP)，揭示了该体系的一些诸如内力突变、薄弱层及难以实现延性屈服机制等对抗震不利的动力性能。王元清等采用两个以上的不同力学模型对武汉国际证券大厦结构进行性能分析，计算可见结构刚度突变的楼层为薄弱层。苏原提出采用较小刚度伸臂的同时加大伸臂截面高度的设计概念以减小结构内力的突变。徐培福认为应设置“有限刚度”加强层，以减少结构构件的破损。

1.4 伸臂斜腹杆桁架常见的形式

为了实现“有限刚度”加强层的概念，加强层伸臂宜采用斜腹杆桁架形式，既能适当提高结构的整体刚度，又能尽量减小构件的内力突变。统计相关工程案例，常见的伸臂斜腹杆桁架的形式有：1)单斜杆桁架；2)人字形桁架；3)V字形桁架；4)三折线形桁架；5)两跨人字形桁架；6)两跨V字形桁架；7)单层X形桁架；8)跨层X形桁架；9)跨层K形桁架。其中，第7)和第8)桁架形式中斜腹杆在交叉点处连接。

2 带加强层高层结构抗震性能试验研究

2.1 节点或局部结构试验

为有效加强外围框架柱与内部核心筒的联系，伸臂桁架需传递巨大的内力，导致节点区内力、构造复杂，通常要满足“强节点弱构件”“节点保持弹性”等设计要求，且在不同结构中节点的设计指标也有所差异，节点的设计难度较大。国内外学者对伸臂桁架的节点连接进行了试验研究，Shahrooz等对采用预埋螺钉连接方式的节点进行了6个1/3比例模型的抗拔试验研究，得出节点承载能力不同计算方法会对试验结果产生较大误差的初步结论；而后又制作了带楼板和不带楼板的2个典型节点连接构件，通过低周反复试验得出楼板对试件抗震性能影响不大，并修正了连接部位的设计公式。邹昀对采用钢骨钢筋混凝土形式的节点试验表明，该节点构造形式能保证钢骨不发生平面外失稳，破坏现象主要表现为节点区混凝土的开裂。聂建国对伸臂桁架—核心筒剪力墙节点进行了较为系统的拟静力试验，对比采用外包钢板构造明显优于内嵌钢板构造，并针对外包钢板节点形式提出全杆系简化模型和设计方法。陈以一设计了三种不同的反复加载路径，考察不同加载方式下伸臂桁架节点的滞回特性和耗能能力的差别。

2.2 整体结构试验

沈朝勇等对一座带钢骨混凝土桁架及钢桁架转换层的高层结构模型进行了振动台试验，在罕遇地震试验阶段，下部转换层及附近楼层产生一定的破坏后，地震能量转嫁到了结构中部的加强层，使该处加强层的内力和变形突变显著从而产生破坏。由文献[3]的振动台试验现象可知，核心筒裂缝多出现于结构的底部和加强层及其附近楼层，有弯曲型和剪切型的裂缝；伸臂桁架、环带架杆件出现压曲现象也较多，伸臂斜撑节点出现开裂现象较少；部分试验中加强层上、下层外框柱开裂或者出现压酥丧失承载力。振动台试验结果表明，由于结构刚度在伸臂楼层出现了突变，传力途径发生改变，易使结构在加强层伸臂及其附近楼层形成薄弱层。

3 存在问题与展望

上述研究成果表明，当高层结构侧移过大时，设置加强层能有效增加结构的抗侧刚度、减小结构的变形，但在地震作用下，加强层会使结构的竖向刚度、内力产生较大突变，易使结构的破坏集中在加强层及其附近楼层，存在薄弱层等不利于结构抗震的问题。如何实现多道设防，改善加强层结构的抗震性能是科研工作者和工程师们需要解决的问题。以上带加强层结构关于静力和动力方面的性能研究，目前虽然在伸臂数量设置、位置优化以及伸臂刚度的确定方面有了一定的成果，但也存在一些不足之处，主要体现在：1)理论研究主要还是处于弹性阶段；2)平面简化分析模型采用了较多的假定，与实际结构存在较大误差；3)指出了带加强层结构的薄弱部位，但仅从构造上进行弥补，没有提出有效的方法，不能从根本上解决其存在薄弱层和不利于抗震的问题。

[1] Smith B S,Slalim I.Parameter study of outrigger-braced tall building structures[J].Journal of the Structure Division,ASCE,1981(6):2001-2014.

[2] 张 杰,张仲先,赵文光,等.伸臂刚度对加强层设置位置的影响分析[J].建筑科学,2007,23(5):19-22.

[3] 蒋欢军,和留生,吕西林,等.上海中心大厦抗震性能分析和振动台试验研究[J].建筑结构学报,2011,32(11):55-63.

Discussion on high-rise structure with strengthened stories

Zhang Faxin

(ConstructionManagementBranchCompany,TianjinNewCoastalPublicIndustryConstructionInvestmentCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

The paper briefly introduces the development of high-rise structure with strengthened stories, systematical analyzes and summarizes its stress, deformation and seismic resisting performance, and points out major problems and development tendency in the research field, with a view to provide some guidance for relevant researchers.

high-rise structure with strengthened stories, deformation, seismic resistance, problems

2015-03-06

张法新(1975- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)14-0022-03

TU973

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