简述框架—核心筒中水平加强层的作用

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640)

一、引言

近年来我国高层建筑蓬勃发展，其特点是向高度更高、体形更复杂、功能更齐全、综合性更强的方向发展。在高层建筑结构中，水平荷载的影响更大，结构的侧移成为设计中主要的控制指标。近年来，我国建筑业采用水平加强层体系来减少高层结构的水平侧移，取得了较好的经济和结构效果[1]。

在层数很多、高度很大的建筑结构中，不可避免的要遇到两个问题：(1)结构在水平力作用下水平位移过大；(2)作为主要受力构件的中心剪力墙或筒体承受的弯矩过大[2]。如果靠增大截面尺寸或增设抗侧力构件，必然影响到建筑的使用，这时就可考虑在一定高度位置设置加强层。尽管设置加强层在国内的一些工程中已经得到应用，但是对于正确认识设置水平加强层对减少结构侧移的作用机理和设置加强层的最佳位置的研究，在我国尚处在从理论到实践的过渡阶段，加强层设置数量和位置对于节省投资、提高经济效益等方面有着重大的影响。

二、框架-核心筒结构水平加强层的作用机理

加强层是超高层结构中，设置于避难层或者装备层，利用桁架、伸臂梁和环向构件等对该楼层进行加固，以达到加固建筑结构，增加结构抗震性能的一种结构特殊楼层布置方式[3]。是一种有效减小结构在荷载作用下侧向变形、增加结构整体刚度的方法。加强层在超高层结构，尤其是超高层框架核心筒结构中应用十分普遍。

框架-核心筒结构体系的关键是刚臂层(加强层)沿房屋竖向的道数及其位置。在高层建筑框架-核心筒结构抗侧刚度不能满足要求时，为了有效地利用外框架的抗侧力作用，可考虑布置水平加强层，即在某些楼层核心筒和外框架之前设置刚度较大的周边环带。加强层的设置可使外框架柱有效地发挥作用，以增强整个结构的抗侧刚度[4]。

在框架-核心筒结构的高层结构如图1.1中，抵抗水平荷载产生的倾覆力矩的来源有三个方面：(1)核心筒自身弯矩；(2)外框架柱产生的弯矩；(3)外框架柱轴力产生的整体力偶矩。但是由于核心筒的抗侧刚度远大于外框架，故水平力大部分都有它来承担，核心筒在这种情况下主要体现为弯曲变形，这在超高层建筑结构中会产生很大的顶点位移，而改善这种受力状况的最有效途径之一就是提高整体的力偶矩[5]。

这种整体力偶矩的有效形成取决于内筒与外框架之间连系梁及裙梁的刚度，这是没有设置水平加强层的情况。在设计中，框架与筒体的连接常常是采用一种介于刚接和铰接之间的节点形式，其传递整体弯矩的能力比较差。而水平加强层的设置则能大大改善这种状况[6]。当设置水平加强层后，将引起高层框架-核心筒结构构件内力的重分布，使得内筒、剪力墙、框架柱和梁的内力大小及方向发生显著的变化，而这种内力的变化则是朝着有利于减小结构侧移的方向变化，从而达到减小结构侧移的目的[7,8]。研究表明，有了水平加强层后，结构整体抗弯能力增强了许多，克服了剪力滞后效应，进一步有效地发挥周边框架柱的轴向刚度作用，使之承担更多水平荷载所产生的倾覆弯矩，从而进一步提高结构的整体抗侧刚度，既能满足建筑平面功能的要求，又能满足结构的位移、强度、稳定、延性的要求。

三、加强层优点的分析

在高层建筑结构抗风、抗震设计中，设置水平加强层控制结构侧移有突出的优点：

(1)设置水平加强层后将引起结构主要内力的重新分布,可明显改善结构受力状态，使内力分布更趋于合理,充分发挥了结构自身的抗侧潜能,从而有效减小结构侧移，增大结构抗侧刚度；

(2)经济价值：一是在满足使用功能和规范要求的前提下，减小了剪力墙、筒体和柱等竖向构件的截面尺寸，增大了使用面积，提高了净毛面积比、有利于建筑的使用，增强了建筑的售租竞争力；二是由于减小了剪力墙、筒体和柱等构件的截面尺寸，与不设水平加强层的相应结构相比，可节约砼10～16%左右[9,10]。

四、总结

综上所述，在高层建筑框架-核心筒结构设计时，应充分发挥外框架的作用，以提高建筑物的整体抗侧刚度，但应恰当地选择合理的途径，加设水平加强层提高抗侧能力的方法并不是对所有的建筑均效果显著，应对其适用条件加以分析后确定。当需要加设水平加强层提高抗侧能力时，由于加设加强层会造成质量和刚度突变以及应力集中的不利作用，水平加强层设置应选择合理的位置，在满足结构整体抗侧要求的条件下尽量选择刚度较小的水平加强层，即应设置“有限刚度”的水平加强层，才能起到既能控制结构侧移，又能将加设水平加强层给结构带来的不利作用减小到最低。