加强层对筒中筒结构剪力滞后的影响

汪义凡， 王泽云

(西华大学土木工程与环境学院， 四川成都 610039)

加强层对筒中筒结构剪力滞后的影响

汪义凡， 王泽云

(西华大学土木工程与环境学院， 四川成都 610039)

文章简述了剪力滞后现象，总结了剪力滞后的影响因素，并通过有限元软件计算算例，分析了多种水平加强层的布置方案对筒体结构剪力滞后的影响，揭示了水平加强层对筒中筒结构剪力滞后的影响。结果表明，设置水平加强层可以有效减小剪力滞后效应，使中下层各柱轴力分布更加均匀。

加强层； 筒体结构； 剪力滞后； 剪力滞后值

用框筒作为外筒，将楼电梯间、竖井等服务设施集中在建筑平面中心，形成内筒，就形成了筒中筒结构。采用钢筋混凝土结构时，一般外筒采用框筒，内筒为剪力墙围成的井筒。

筒中筒结构是双重抗侧力体系，在水平力作用下，内外筒协同工作，其结构具有较大的抵抗水平剪力的能力。但是在水平作用下，外筒会产生剪力滞后。

1 剪力滞后现象

在水平荷载作用下，框筒结构可视为箱形截面悬臂柱。在水平荷载作用下翼缘框架柱主要受轴力，而腹板框架柱主要受拉力，其截面应力图如图1所示。可以看出，框筒的腹板和翼缘的应力分布是曲线，不符合初等梁理论的平面假定，这个现象被称为剪力滞后现象。

图1 框筒结构剪力滞后现象

剪力滞后现象的产生，是因为框筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生了剪切变形，而使柱之间的轴力传递减弱，使得在框筒的翼缘框架中，远离腹板框架各柱轴力越来越小。在框筒的腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律的快。

剪力滞后分为正剪力滞后和负剪力滞后。正剪力滞后一般出现在框筒的中下部，负剪力滞后一般出现在框筒的上部。

2 剪力滞后的影响因素

国内外研究者的研究成果表明，剪力滞后的影响因素有很多，主要有以下几点：

(1)郑之义[2]认为去除角柱能大大降低角柱的轴力不均匀系数，同时有效减小剪力滞后效应。在设计时可优先考虑采用。

(2)刘中辉[3]认为在框筒任何高度处，剪力滞后现象随长宽比增大而增大；在长宽比相同时，剪力滞后现象随z的增加在底部逐渐减小，在顶部无相同变化规律。

(3)沈蒲生[4]认为在高度较大的混合结构建筑中，增大楼板刚度能减少剪力滞后效应。

(4)高雁[5]认为结构平面刚度布置不均匀是引起筒体结构剪力滞后的最重要的一个原因。

3 设置水平加强层对剪力滞后的影响

为了分析设置水平加强层对剪力滞后现象的影响，本文采用Midas/Gen有限元软件对常见筒中筒结构进行有限元分析，探讨水平加强层对外框筒剪力滞后现象的影响。

3.1 Midas/Gen有限元模型介绍

某工程采用钢筋混凝土筒中筒结构，35层，层高为3.2m，总高度为112m，结构平面见图2。取角柱截面为600mm×600mm，边柱截面为500mm×600mm，柱距3m，窗裙梁截面400mm×800mm，内筒剪力墙厚度为400mm，混凝土强度均为C40。由于剪力滞后现象是在水平力单独作用下产生，所以该模型仅在X向布置了水平风荷载，其基本风压为0.55kN/m2，场地粗糙程度类别为C类。

图2 建筑结构平面布置

加强层布置方案见表1。

表1 加强层设置方案 mm

3.2 剪力滞后程度的量化指标

为了能通过数值反映剪力滞后效应的强弱，从而定量分析加强层对剪力滞后的影响，我们在此定义“剪力滞后值”γ为：

其中：Fg表示角柱的轴力；Fp表示各柱轴力的算术平均值。γ值越大说明各柱的轴力分布越不均匀剪力滞后效应越大。

3.3 加强层构件设置对剪力滞后的影响

图3绘制了方案1～4的底10层的剪力滞后值。

图3 方案1～4剪力滞后值

可以看出，设置水平伸臂可以有效降低底层的剪力滞后现象。而在水平伸臂的情况下再在外筒四周加上一圈圈梁，可以提高外框筒的竖向抗剪刚度，进一步削弱底层的剪力滞后效应。

3.4 加强层设置位置对剪力滞后的影响

图4绘制了方案1、4、8、9、10的底10层剪力滞后值。

图4 方案1、4、8、9、10剪力滞后值

可以看出，加强层设置的位置不同，筒中筒结构底部剪力滞后的效应程度也不同，其中在0.5H和0.6H处布置加强层，对剪力滞后的抑制效果最好。

3.5 加强层数量对剪力滞后的影响

图5绘制了方案1、9、11、12的底10层剪力滞后值。可以看出，随着水平加强层数量的增加，剪力滞后效应显著减小。

3.6 加强层刚度对剪力滞后的影响

表2对比了方案4～7四个方案的分析结果。可以看出，只在顶层设置一道加强层的情况下，增加加强层伸臂梁的刚度在一定程度上能改善剪力滞后效应。

表2 方案4～7分析结果对比

4 结论

本文通过对算例的Midas/Gen有限元分析，对比分析了不同加强层设置方案，研究了水平加强层对筒中筒结构中下部剪力滞后效应的影响，得出了以下结论：

(1)设置伸臂后，可以有效减小剪力滞后效应。而再在外框筒布置一圈圈梁，可以提高外框筒的竖向抗剪刚度，进一步抑制剪力滞后效应。

(2)在仅设置一道水平加强层的情况下，加强层设置的位置不同，对剪力滞后的抑制效果也不同。在JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第10.3.2条中规定，当布置一个加强层时，可设置在0.6倍房屋高度附近。分析结果表明，加强层布置在0.5倍或0.6倍房屋高度附近，对剪力滞后的抑制效果最佳。

(3)仅在结构顶层布置加强层时，加强层伸臂梁的刚度对剪力滞后效应有一定影响，但是仅仅加大加强层抗弯刚度，对剪力滞后效应的减小作用并不明显。

(4)按照JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第10.3.2条规定的加强层设置方式，设置两道或者三道加强层时，剪力滞后效应的减小效果十分显著。

[1] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] 郑之义，林金樾.剪力滞后效应的产生及其影响因素[C]//第十六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.2016.

[3] 刘中辉，王全凤.框筒结构长宽比对剪力滞后的影响及其分析[J].华侨大学学报：自然科学版，2005,26(3):331-332.

[4] 沈蒲生，孟焕陵.高层混合结构中楼盖刚度——对结构受力性能的影响分析[J].建筑钢结构进展，2006,8(3):1-6.

[5] 高雁.筒体结构剪力滞后效应研究及其简化分析[D].重庆：重庆大学，2006.

TU311

A

[定稿日期]2017-05-22

汪义凡(1993～)，男，在读研究生，研究方向为结构工程。