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1、第3 6 卷增刊 建筑结构2 0 0 6 年6 月 某高层建筑带加强层结构设计方案分析 赵昕郑毅敏胡宇滨徐文华 ( 同济大学建筑设计研究院上海2 0 0 0 9 2 ) ( 同济大学建筑工程系上海2 0 0 0 9 2 ) 【提娶对某高层建筑带加强屡结构设计方案进行了分析。阐述了加强层结构舶基本概念，如加强层对核心筒和 框椠柱内力的影响、加强层对结构变形的影响碰及加强层的台理位置等。结合一幢约1 5 0 m 的高层建筑对几种加 强层设置方案进行了对比分析，内容包括各种加强层设置方案对结构喇度、内力和薄弱层位置的影响等，并精出了 设计建议。 【关键词】加强层高层建筑框筒结构结构分析 C o m
2、p a r a t i v eS t u d yo fO u t r i g g e r - b r a c e dS t r u c t u r a lS c h e m e s Z h a oX i n l Z h e n gY i m i n g ，H uY u b i n l ，X uW e n h u a 2 ( 1 T h eA r c h i t e c t u r a lD e s i g n R e s e a r c hI n s t i t u t eo fT o n 自iU n i v ，S h u n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ；2T
3、 h eB u i l d i n gD e p a r t m e n t ， T o n 撕i1 J n i v ，S h g h m2 0 0 0 9 2 ，C l I i n a ) A b s t r a c t ：T h eh a s i sF r i n c i p l eo fo u t r i g g e r b r a c e ds t r u c t u r ea r e6 n t l ya d d r e s s e d ，i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c e so fo u t r i g g e r so f f t h e
4、i n t e r a a lf o r c e so fc o r ea n dp e r i m e t e rc o l u m n s t h ei n f l u e n c e so fo u t r i g g e r so nt h es t r u c t u r a ld e f o r m a t i o na n dt h eo p t i m u m l o c a t i o n so fo u t r i g g e r sT h ec o m p a r a t i v es t u d yo f o u t r i g g e r - b r a c e ds
5、 l r u c t n r a ts c h e m e si sc o n d u c t e db a s e do Da1 5 0m e l e r Bt a l l h u i l d i n g T h ei n f l u e n c e so fo u t r i g g e r st ot h es t r u c t u r a ls t i f f n e s s i n t e m a lf o r c e sa n dw e a ks 1 0 f i e sa t ec o n s i d e r e di nt h ec o m p a r a t i v es t
6、 u d r B a s e do nt h ec o m p a r a t i v es t u d y d e s i g ns u g g e s t i o n sa ”g i v e n K e y w o r d s ：o H d g g e 硌；t a Ub u i l d i n g ；f r a m e c o r ew a l ls t r u C t u m ；e t m c t u r 皇la a l y s i s 0 前盲 对于框筒结构。当使用抗弯刚度很大的水平伸臂 构件联系边柱和核心筒时，便形成了加强层结构体系。 根据是否与水平伸臂构件相连，框架的边柱可分为两
7、类，一类边柱与水平伸臂构件相连，另一类边柱未与水 平伸臂构件相连。 图1 设置水平伸臂构件和周逝环蒂构件的框衙结 暂示露圈 为了使所有边、角柱都能够对水平伸臂丰暂件提供 竖向约柬作用，通常会在加强层的水平伸臂构件末端 设置一圈环带约束构件( 图1 ) ，一般称这些约束构件 为周边环带构件。为了保证伸臂构件和环带构件具有 足够的抗弯和抗剪强度( 注意这里的抗剪刚度指加强 构件本身的竖向抗剪蹦度，而非加强层的水平抗剪刚 2 - 1 5 6 度) ，通常加强层的高度为一层或两层楼的建筑高度。 因此，为了避免约束构件对建筑空间使用造成阻碍，通 常选择建筑的设备层作为加强层。 加强层的设置可以有效地减小
8、水平荷载作用下结 构的翻移和核心筒体承担的弯矩。由变形特征可知， 在每个加强层部位，结构的受拉侧边柱对加强层作用 有向下的集中力，而结构受压侧边柱对加强层作用有 向上的集中力。这两个力形成一对力偶，平衡了核心 简在水平荷载作用下承担的一部分弯矩，结构的变形 也相应减小。与未设置加强层的结构相比，设加强 层结橱的弯矩图在加强层部位有较大突变，突变的大 小等于两侧边柱的轴力所提供的弯矩。对于实际的高 层建筑，核心筒的弯矩图在每个楼层处均有变化，所不 同的是，由于加强层部位柱轴力变化较大，加强层部位 核心筒的弯矩突变远远大于其他楼层处的弯矩变化。 在初步设计阶段，可以使用简化的相容分析方法 对加强层
9、结构的内力和变形进行分析。相容条件是使 加强层处核心筒的转角变形与加强层构件的转角变形 相等。加强层结构分析涉及到的关键参数为核心筒的 抗弯刚度、边柱的轴向刚度( 拉压) 和加强层构件的抗 弯刚度。这三个参数的相对关系决定了加强层结构的 性能。衡量加强层结构的性能通常有两个指标：核心 筒顶部位移、核心筒底部弯矩。通过调整加强层的数 量、位置和上述三个关键参数的相对比例，可以在不同 程度上降低外荷载作用时核心简的顶部位移和底部弯 矩，从而达到优化的目的。文 2 给出了加强层约柬弯 矩、顶部位移降低和加强层最优位置的简化公式。文 3 对设有多个加强层的结构在顶部水平集中荷载和 三角形分布水平荷载作
10、用下的顶部位移和基底弯矩进 行了分析，并使用线性回归方法给出了确定加强层最 优位量的一般性公式。文 4 研究了加强层结构位置、 结构单元刚度的相对比例关系对结构顶部位移和基底 弯矩的影响。文 5 以设置一个加强层的高层建筑为 例，考察了多个关键结构参数对加强层最优位置和璜 部位移折减系数的影响。 通过优化分析，可以获得在设置不同数目加强层 时，各加强层的最优位置。文 1 的研究发现，当加强 层构件的抗弯刚度极大时，在设置一个加强层的情况 下，最优位置大约在结构高度的一半处；在设置两个加 强层的情况下，最优位置大约在结构高度的1 3 和2 3 处：在设置三个加强层的情况下。最优位置大约在结构 高
11、度的1 4 ，1 2 和3 4 处。对于实厍结构，加强层构 件的抗弯刚度有限，加强层的最优位置的高度所在高 度比抗弯剐度极大的情况均有不同程度的增加。抗弯 刚度越小，加强层的最优位置越高。不同结构构件刚 度比和加强层数量时的加强层最优位置可以通过文 1 给出的表格进行确定。 在进行结构设计时，加强层水平伸臂构件通常设 计成三种形式：梁( 箱形梁) 、斜腹杆桁架和空腹桁架。 加强层周边水平环带构件通常设计成三种基本形式： 开孔梁、斜腹杆和空腹桁架。与规则框筒结构不同，加 强层框筒结构的核心简体与加强层构件共同组成了核 心受力构件，在竖向、水平荷载作用下加强层及相邻上 下一层( 加强层区间) 内力
12、变化大，应力集中，在地震作 用下的结构性能复杂”1 。在设计过程中，需要在概念 设计、结构分析、构造措施三个方面考虑带加强层结构 与规则框筒结构的区别。文 7 提出了带加强层高层 建筑的结构设计原则、构件设计要求和构件构造要求。 对于加强层水平伸臂梅件为斜腹杆桁架和空腹杆桁架 的情况，构件设计要求和构件构造要求与其用作转换 结构时要求一致”1 。 结合一幢约1 5 0 m 的高层建筑对几种加强层设置 方案进行了分析比较。分析内容包括各种加强层设置 方案对结构刚度、内力和薄弱层位置的影响等。在分 析的基础上，给出了针对该高层建筑的设计建议。 1 结构撅况 杭州某高层办公楼( 图2 ) ，高约1
13、5 0 m 。框架筒体 结构，地下两层、地上3 7 层。设计基本风压0 5 k N m 2 抗震设防烈度6 度，三类场地，设计地震分组为 一组。根据建筑和设备专业要求，该办公楼的层1 5 和 图2 某高层建筑立面 3 0 为设备层。结构布置时可考虑将这两层设为加强 层。结合建筑布置要求，考察五种结构形式，分别为： 1 ) 不设加强层；2 ) 层1 5 设伸臂；3 ) 层1 5 设伸臂和环 带：4 ) 层1 5 和层3 0 同时设伸臂；5 ) 层1 5 和层3 0 同时 设伸臂和环带。水平伸臂加强构件和周边环带加强构 件均为斜腹杆桁架。水平伸臂构件直接与核心筒的转 角相连。设有水平伸臂加强构件、
14、同时设有水平伸臂 和周边环带加强构件的设备层平面示意见图3 4 。 圈3 设有水平伸臂加强构件设备层平面示意 图4 设有水平伸臂加强构件和周边环带加强构件设备屠平面示意 2 1 5 7 2 结构分析 2 1 结构周期 各结构形式对应的前三阶周期见表l 。由表可知。 结构形式5 对结构整体剐度的提高最大。结构形式3 对结构第一周期的降低比结构形式4 更加显著。这是 因为层3 0 刚度的变化主要影响高阶振型，对低阶振型 的影响较小。 各结构形式的前三骱周期ls )裹1 站挎形式 2，45 n44 1 3 642 3 9 74 1 3 9 441 7 8 740 4 3 3 n38 5 7 63 6
15、 8 5 336 1 3 4 36 0 0 4 34 9 6 9 n 3 0 7 2 43 0 4 2 3 29 ”O ，0 2 8 328 8 0 7 2 2 结构位移 结构在盖向地震和x 向风载作用下的楼层位移响 应见图5 。由图中可以看出，结构形式5 的楼层位移响 应最小，结构形式3 和4 的楼层位移响应非常接近。 相比于结构形式1 ，结构形式2 和3 的位移曲线在层1 5 处有明显拐点。结构形式4 靳5 则在层1 5 与层3 0 处 有明显拐点。 中 噬 辎 横层位移( 咖)楼层位移( 曲) ( 8 ) 地羹$ 用( b ) 皿# 怍用 卜结构形式1 + 蛄构形式2 卜结构形式4 十结
16、构形式3 + 结构形式5 图5 结构了向位穆响应 表2 列出了结构在两个方向的地震和风荷载作用 下的最大层间位移角( 在实际设计中，还考虑了双向地 震作用及结构偶然偏心等工况) 。单从表中的四个工 况可知，各种结构形式最大层间位移角的控制工况均 为x 向风荷载。结构形式5 的最大层问位移角最小。 各结构形式的最大层间位移角均远小于规范控制值1 8 0 0 。 各结构形式的丈晨闫位移角 裹2 地震作用风荷载 结椅形式 j 向r 向J 向r 向 ll 1 9 7 71 ， 4 4 l1 l S 3 71 3 6 21 2 0 3 8I 2 5 3 01 1 7 3 71 2 1 8 4 31 戊0 7 3 I 2 “ 2 l i s 位l 2 2 j 2 4l 2 0 9 2l 2 6 6 31 1 7 8 9l 2 3 0 7 5l 2 1 7 71 2 7 4 51 1 8 9 l1 3 7 2 3 墙挂内力 被考察
