1、加强层对高层框筒结构力学行为的影响研究摘要：随着社会建筑行业的快速发展，我国进行建筑开发越来越频繁，对高层框架核心筒结构形式的需求越来越多，因此在实际采用的建筑设计中，不仅要考虑到结构体系的合理性，而且还要考虑到整体经济性。本文就关于在高层框筒结构形式的设计中，探究加强层对整个框筒结构的力学影响，在文章中通过有限的分析对加强层在高层框筒结构受力中的影响进行了研究。 关键字：加强层高层框筒 力学行为 中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号： 由于高层建筑在近几年来，其建设的层数非常的多，而且其质量也很大。尤其近年来地震灾害越来越严重，对高层建筑的框架核心筒结构的要求越来越高。在实际的建
2、设中要分析其结构的动力，而这种结构动力的特性分析又通常被我们称作是结构的模态分析。其中我们进行模态的分析有着重要的意义，它主要是指的在整个振动过程中存在的一种的基本振动的特性，其通常具有固有的频率以及固定的振动型、模态的质量和刚度、以及模态阻尼比值等相关参数。在文中我们还对会加强层的相关问题进行讨论，通过在本文下面就要对整个的结构动力分析进行相关总结。 1 加强层的相关概述 在建筑设计过程中我们对加强层必须进行认识，所谓的加强层有时候也叫做水平的刚性层或者延伸结构，它主要指的是在进行高层建筑的设计过程中，选取几个不稳点从核心筒或者是剪力墙伸出去和外框柱连接在一起的一个平行的构架，其刚度与其他的
3、水平构架相比较要大将近十倍左右，它的垂直高度大约是一层楼高度。由于近年来地震的频发，这使得其水平地震的作用所要承受的水平荷载造成的侧面位移要比一般的大很多，所以在框筒结构的设计时，侧向位移成为其主要的控制一个目标。我们可以通过在整个结构中设置设备层和避难层来增强其对结构侧移的控制，我们可以设置水平伸臂来不断增大其对外框的抵抗侧向荷载的作用。我们也可以在设置伸臂的同时在外围设置伸臂使得两侧的外框可以抵抗侧向的荷载。这种环带的构件可以增强该层的整体性，而且还非常有助于在减小整个结构的侧向的位移，使得框架竖向结构的构件在水平的应力上趋于一致。 2 水平加强层的作用机理 在计算框筒高层的结构中，在水平
4、荷载产生的倾覆力矩的组成中主要分为 3 个部分。第一，核心筒体的弯矩；第二点，外框柱中的弯矩；第三点，外框柱在轴向拉压力上形成的整体力偶矩。从抗侧的刚度上进行比较，核心筒的远远要比外框架的大，因为大部分的水平力都是由核心筒进行承担的。核心筒由于受到水平力的作用会出现弯曲变形，我们在高层建筑中的顶点位移发生很大的变化。加强层则是对核心筒与外框架进行有效的连接，使得整个外框架能够更加有效的参与到整个工作之中。我通过不断增大结构的整体抗侧移的刚度，来提高整个体系的偶矩，从而使得更大程度上发挥着外框柱在侧向刚度抵抗力中的作用。 3 加强层的最佳位置选择与计算探究 3.1 能量法求解房屋的顶点位移 进行
5、多道刚臂在整个高层的建筑结构中的计算，做出了计算的基本简图 1。水平的荷载作用引起的刚臂发生的变形图如图 2。图中的表示的是刚臂和外排柱的节点转角，表示的是刚臂与心筒墙边的转角，表示的是刚臂两个端点的相对竖直位移。根据相应的计算公式得出： U 刚臂=，在式子中 Els 表示的是整个刚臂弯曲的刚度，l 表示的考虑到刚臂的剪切的变形的有效长度。 在普通楼层梁的应变能的公式为： ，由于芯筒在剪切的过程中不考虑其变形，所以在计算的时候芯筒的应变能仅仅是由弯曲的应变能组成的：。在整个式子中表示的是整个芯筒的弯曲刚度，u 表示的是房屋的侧移。 图 1 表示多道刚臂中的高层建筑结构计算简图 图 2 水平荷载
6、作用下刚臂的变形图 图 3 芯筒的变形图 图 4 轴变形 柱则仅仅是考虑到轴向的应变能，轴变形如图 4，外排柱的竖向位移为 w，芯筒的截面的转角为，在梁的梁端是相对的竖向位移是。 则可以得出：，其外排柱的应变能是：在式子中表示的是外排柱的轴向刚度。总结构的应变能主要是由芯筒、外排柱、普通楼层梁以及刚臂等四部分组成，水平荷载做功为 W，那么我们可以得出：则相应的结构的总位能是：，根据最原理和边界最小值，我们可以将房屋顶位移表示成为下面的式子：。 在式子中表示的是一个待定的未知常数，根据 Ritz 的算法求解，我们可以根据其结果得出是其中 3 个无量纲结构的特征系数。 3.2 加强层在设计过程中的
7、要点探究 由于刚度的突变可以引起相应的薄弱层，所以在抗震的设计中我们要注意到一下几点： 3.2.1 刚度的匹配问题，我们为了使得加强层的框筒结构受力合理，刚臂、筒体以及框架柱的线刚度在匹配中非常重要，筒体的线刚度比刚臂的线刚度要大，但是其在整体的框架柱中的抗侧刚度比一般的筒体刚度要小。 3.2.2 加强层的位置与数量的设置参见表 1 3.3 加强层的建设设计结构要合理 考虑到加强层的伸臂构建比较适宜的位置是在核心的筒墙与外围的框架柱之间，在进行平面布置的时候应该注意到使得伸臂构建与核心筒的转角和十字节点相连并且有可靠的锚固。 3.3.1 设置加强层之后我们应该注意到加强层在外围框架柱的强度和延
8、续性的设计，使用带有劲性钢筋的混凝土，而且还有加入符合的螺旋箍筋。在加强层的核心筒墙肢应该按照相应的加强部位进行设计。 3.3.2 设计中有限刚度的原则性问题。在加强层中我们应该适宜采取桁架形式，我们通过调整桁架的腹杆的刚度来实现，以此来弥补在加强层中结构整体刚度的不足，我们还能够减少结构内力的突变发生，这就使得高层的框筒结构在地震的环境中，加强层的桁架腹杆的先屈发生破坏，我们要避免在加强层的附近外框架与核心筒的墙肢遭到破坏。 3.4 加强层的最好的位置选择探析 在加强层位置的选择上我们要先要明白其位置的选择关系，它主要是与普通楼层的梁的刚度特征系数以及刚臂度的特征系数有关。经过计算得出结果，
9、随着刚臂度的特征系数在不断的增大，加强层的最好位置是在不断的发生变化的，则其位置向下移动。水平荷载从分布上发生了变化，从以前的均布荷载、倒三角形荷载再到顶部集中的荷载都发生着变化，此时加强层的位置在不断的上移。 3.5 加强层的合理数量探究 经过主要的研究表明：加强层的数量当为一层的时候，加强层对整个房屋屋顶的侧移效果非常明显，如果超过了 3 层，那么就会发现在增设的加强层对整个高层的建筑存在着的侧移的影响不明显，因此我们在一般的情况之后选择加强层的层数一般在 1-3 的范围，真如上表 1 给出的数据，在我们不考虑水平加强层在变形影响的时候，我们设置刚性的加强层的最佳位置只与加强层数存在着对应
10、的关系。 3.6 加强层导致刚度的突变和薄弱层的相关探析 加强层在水平伸臂的构建上与该层的上下楼板的组成上有很大的箱型盘，箱型盘与外围框架形成了一个整体，而且这种整体的变形很小。这种在加强层处由于刚度突变造成的结构内力的突变在整个整体结构的传力途径上发生了改变。在加强层附近存在着比较容易破坏与位移，当我们遇到地震的时候，这些带刚性的加强层如果没有采取特殊的措施就会造成“强柱弱梁、强剪弱弯”的延性不能够达到。由于其不利的变形影响，就会导致整个结构遭到破坏，甚至会导致倒塌。 4 总结语 在框筒结构中设置水平的加强层，能够比较有效的控制侧移。本文通过对加强层的相关设置位置、设置的数量以及分布匹配的情况进行了概述，使得加强层在整个框筒的结构设计中具有良好的抗震效果，并对结构的体系起到了至关重要的作用。 参考文献： 1张杰.加强层对高层框筒结构力学行为的影响研究D.华中科技大学,2007. 2苏原.带加强层框架筒体结构体系力学性能的研究D.华中科技大学,2009. 3李慧.高层钢筋混凝土框架核心筒结构体系的优化研究D.广州大学,2012. 4李元初.带水平加强层的高层筒体结构分析D.重庆大学,2008. 5袁毅.高层结构加强层对其相邻层影响研究D.西南交通大学,2009.
