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【摘 要】当前带加强层框筒结构体系在实际工程中得到广泛应用，但在设置加强层时往往会遇到各种问题，本文结合实践，利用有限元软件分析水平地震荷载作用下有无加强层情况的框筒结构的顶点位移和最大层间位移，以期得出加强层设置的最优方案，为相关工程做借鉴。
【关键词】框架一核心筒结构；加强层；位移
当前，随着高层建筑的发展，带加强层框架一核心筒结构体系在实际工程中的应用越来越广。用加强层来提高框筒结构体系抗推能力的概念，最早由Barbacki提出，并于1962年应用于加拿大蒙特利尔一幢47层的钢结构大楼[1]。在我国，加强层首先用于超高层钢结构，以提高抗侧刚度，改善内支撑框架的受力状况。近年来，开始用于超高层钢筋混凝土结构，且日趋广泛。下面，笔者结合实践，利用有限元软件分析水平地震荷载作用下有无加强层情况的框筒结构的顶点位移和最大层间位移，以期得出加强层设置的最优方案，为相关工程做借鉴。
１．加强层的作用机理分析
所谓加强层，是在高层建筑中某几个部位从核心筒或剪力墙伸出并与外框柱连接在一起的水平构件[2]。加强层的设置，能增强核心筒与外框架的共同作用。在水平荷载作用下，核心筒弯矩显著降低，结构抗侧刚度增大，顶点位移和层间位移减少。加强层增强了结构刚度，降低了顶点位移和层间位移，并减小核心筒弯矩，直接影响经济效益，节省投资。下面，笔者主要从无加强层情况、设置一道加强层情况、设置两道加强层情况三方面进行分析比较：
1.1 无加强层情况
框筒结构中，核心筒侧边至外柱的距离一般为8～14m，因使用要求，核心筒与外柱间横梁截面尺寸受到限制，横梁的抗弯刚度较小，特别是扁梁或平板结构对核心筒在水平荷载作用下因弯曲变形而发生的横截面倾斜转动，基本上不能起制约作用。除框架与核心筒形成的并联体对核心筒的侧移起一定的约束作用外，框架柱并不能对核心筒的竖向拉、压变形产生影响，框架柱也不会因核心筒弯曲而产生轴向变形。核心筒基本上像顶端自由的伸臂杆一样，受荷弯曲后，各横截面仍可自由转动，核心筒各截面所承担的弯矩如图1A所示：
A 无加强层 B 设置一道加强层 C 设置两道加强层
图1 框筒结构体系中核心筒承担的弯矩
1.2 设置一道加强层情况
设置加强层后，将核心筒和外柱连成整体，协调核心筒和外柱因受荷而产生的竖向变形，核心筒弯曲时受到外柱轴向变形的限制，各横截面不能再自由转动。外柱对核心筒变形的约束，就是由于外柱弹性轴向变形产生拉、压抗力所形成的反向弯矩M，于加强层所在位置施加给核心筒，M的数值大体上等于一侧外柱的受压抗力与另一侧外柱的受拉抗力形成的抵抗力矩。核心筒因顶部作用了一个反向弯矩M，故各截面的实际弯矩均相应减小，各截面弯矩减小的数值都等于核心筒顶端的反向弯矩。核心筒各截面实际承担的弯矩值如图1B中带横线的面积。
由于核心筒顶端相当于作用一个反向弯矩使核心筒原来的单向弯曲侧移曲线在顶部一段改变了方向，整个核心简的侧向变形近似一条平缓的反s形曲线。在变形曲线的反弯点处，核心筒的横截面弯矩等于零。反弯点高度与外柱轴向刚度的大小密切相关，外柱轴向抗压(拉)刚度较小时，反弯点的位置偏上；随着外柱轴向抗压刚度的加大，反弯点将逐步下移；当外柱轴向刚度达到很大时，反弯点将靠近它的极限位置0.5H(H为结构的总高度)。
1.3 设置两道加强层的情况
当框筒结构高宽较大时，除在结构顶端设置加强层外，还可在半高处设置加强层。因又多了一道加强层，核心筒所承担弯矩中的一部分再次转化为外柱的轴力，使半高处加强层以下核心筒各界面的弯矩进一步减小，减小的数值等于外柱轴向拉、压变形所提供抗力而产生的抗力矩M(如图1C所示)。此外，整个结构侧移也将得以进一步减小。随着房屋层数的增加，加强层数量可适当增加，以便使核心筒弯矩沿竖向分布较为均匀，从而大大减少核心筒弯矩和房屋侧移。
2.基于模型的算例分析
2.1 模型介绍
如上，是从加强层机理方面进行分析，下面，笔者以丽源天际城项目某大厦为背景，就加强层的设置对框筒结构水平位移的影响进行详细探讨，以期找出最优设置方案。该模型主体结构37层，塔楼2层，地下2层；地下部分高10.0 m，结构总高度158.80 m。下部采用桩筏基础，筏板厚度2.5m，沿四周方向挑出上部结构柱轴线2.6 m，长宽方向长度均为43 m；基础沿深度方向在筏板下取90 m，其中群桩土长度60m，下卧层取30 m；土体沿筏板四周方向各再延伸50m。为探讨加强层的影响，对该模型稍作改动，将第4、17、37层根据不同情况做成桁架梁式加强层，产生7个新模型，具体情况见表1。
表1根据加强层的设置所选用的模型方案
2.2 水平荷载作用下模型水平位移分析
采用如上8个模型，运用ANSYS有限元分析软件进行振型分解反应谱地震动力分析。在输入的水平地震荷载作用下，提取的各模型的水平位移情况如下：
2.2.1 加强层的设置和位置的改变对结构水平位移的影响
各模型在水平地震的作用下，结构位移反应及其比较如表2所示：
表2 各模型的最大顶点位移及最大层间位移值(单位：mm)
由以上數据可见，加强层的设置使得结构的抗侧刚度大大增强，结构顶点位移及最大层间位移均明显减小。加强层设置数量及位置改变，结构顶点位移及最大层间位移量也在有规律地变化。具体概括如下：强层设置数量增加，结构顶点位移及最大层间位移的减小量也在增大。但从设置效果上看，当设置加强层的数量相同但位置不同时，水平位移的改变量有所区别，其中存在着一个加强层设置的最优位置的问题：(1)设置一道或两道加强层的效果最明显：设置一道时最好效果是顶点位移减小了16.16%，层间位移减小了20.10%；设置两道时最好效果是顶点位移减小23.86%，层间位移减小30.10%；设置三道加强层的减小效果同设置两道相差较小。(2)若设置加强层的主要目的是为了减小结构水平位移量，则加强层最优位置应为：设置一道加强层时，最优位置在结构的中部；设置两道时，最优位置在结构中部及中下部位置处。此外，在归整中发现：在加强层所在的楼层，层间位移减小量最多，这说明了加强层对结构变形的约束作用。同时加强层的设置对相近楼层层间位移随着离加强层位置的远近有不同程度的影响：距离越近，影响越大。
2.2.2 加强层中构件参数的改变对结构水平位移的影响
加强层设置的目的是加强内筒和外框架之间的联系，使之能协同工作，那么实际中，究竟以改变哪个构件的参数表现出的内外协同工作效果更好呢？经多次改变加强层上楼板的厚度及伸臂梁尺寸，结果如下（前提：模型1的所有楼板厚度均为200mm，在此基础上分两种情况作改变）：
情况l：在模型1的基础上设置加强层，含加强层的模型2～8，加强层的楼板厚度不变；情况2：在情况1的基础上，仅将加强层处楼板厚度改变为500 mm，其余不变。统计的结构顶点位移和降低数据如表3所示：
表3 楼板厚度变化时各模型最大顶点位移 (单位：mm)
从表3数据可见，仅通过调整楼板参数来实现增强内外结构的联系，效果不明显，且经济上不划算，而是从改变伸臂梁的刚度入手实现。产生表3数据的模型即是在表2模型的基础上提高了伸臂梁的高宽比，从而提高伸臂梁的刚度，达到增强结构内外联系的目的，减小了结构最大顶点位移，效果明显。
3.结论探讨
本文通过分析无加强层的模型l及设置加强层的模型2～8在水平地震荷载作用下结构最大顶点位移和最大层间位移的变化情况，得出如下结论：(1)在框筒结构中，设置加强层能有效增强结构整体的抗侧能力，减小顶层位移和层间位移角。(2)随着加强层数量的增加，与无加强层相比，顶层位移和层间位移角减小的幅度更加明显。但从位移减小率与加强层的数量关系看，以设置一道加强层时最为明显。且随着加强层的增多，该效果逐渐减弱。(3)加强层的最优位置大致如下：设置一道加强层时，最优位置在结构的中部；设置两道加强层时，最优位置在结构的中部及中下部位置处；当设置一道及以上加强层时，效果和设置两道的最优位置效果相当，故加强层数量不宜超过3层。(4)就梁式加强层而言，可通过改变伸臂梁的参数来提高加强层作用，其效果最明显。
【参考文献】
［１］B.S.Smith，A.Coull.TaU Building Structures：Anslysis and Design[J].John Wiley&Son，Inc，199l：406-424.
［２］袁兴隆.高层建筑加强层的研究与应用分析[J].贵州工学院学报，1995，24(2)：28-33.
［３］刘喜平.框架一核心筒高层结构设置加强层问题的探讨[J].西北水力发电，2005，21(3)：38-40.
【关键词】框架一核心筒结构；加强层；位移
当前，随着高层建筑的发展，带加强层框架一核心筒结构体系在实际工程中的应用越来越广。用加强层来提高框筒结构体系抗推能力的概念，最早由Barbacki提出，并于1962年应用于加拿大蒙特利尔一幢47层的钢结构大楼[1]。在我国，加强层首先用于超高层钢结构，以提高抗侧刚度，改善内支撑框架的受力状况。近年来，开始用于超高层钢筋混凝土结构，且日趋广泛。下面，笔者结合实践，利用有限元软件分析水平地震荷载作用下有无加强层情况的框筒结构的顶点位移和最大层间位移，以期得出加强层设置的最优方案，为相关工程做借鉴。
１．加强层的作用机理分析
所谓加强层，是在高层建筑中某几个部位从核心筒或剪力墙伸出并与外框柱连接在一起的水平构件[2]。加强层的设置，能增强核心筒与外框架的共同作用。在水平荷载作用下，核心筒弯矩显著降低，结构抗侧刚度增大，顶点位移和层间位移减少。加强层增强了结构刚度，降低了顶点位移和层间位移，并减小核心筒弯矩，直接影响经济效益，节省投资。下面，笔者主要从无加强层情况、设置一道加强层情况、设置两道加强层情况三方面进行分析比较：
1.1 无加强层情况
框筒结构中，核心筒侧边至外柱的距离一般为8～14m，因使用要求，核心筒与外柱间横梁截面尺寸受到限制，横梁的抗弯刚度较小，特别是扁梁或平板结构对核心筒在水平荷载作用下因弯曲变形而发生的横截面倾斜转动，基本上不能起制约作用。除框架与核心筒形成的并联体对核心筒的侧移起一定的约束作用外，框架柱并不能对核心筒的竖向拉、压变形产生影响，框架柱也不会因核心筒弯曲而产生轴向变形。核心筒基本上像顶端自由的伸臂杆一样，受荷弯曲后，各横截面仍可自由转动，核心筒各截面所承担的弯矩如图1A所示：
A 无加强层 B 设置一道加强层 C 设置两道加强层
图1 框筒结构体系中核心筒承担的弯矩
1.2 设置一道加强层情况
设置加强层后，将核心筒和外柱连成整体，协调核心筒和外柱因受荷而产生的竖向变形，核心筒弯曲时受到外柱轴向变形的限制，各横截面不能再自由转动。外柱对核心筒变形的约束，就是由于外柱弹性轴向变形产生拉、压抗力所形成的反向弯矩M，于加强层所在位置施加给核心筒，M的数值大体上等于一侧外柱的受压抗力与另一侧外柱的受拉抗力形成的抵抗力矩。核心筒因顶部作用了一个反向弯矩M，故各截面的实际弯矩均相应减小，各截面弯矩减小的数值都等于核心筒顶端的反向弯矩。核心筒各截面实际承担的弯矩值如图1B中带横线的面积。
由于核心筒顶端相当于作用一个反向弯矩使核心筒原来的单向弯曲侧移曲线在顶部一段改变了方向，整个核心简的侧向变形近似一条平缓的反s形曲线。在变形曲线的反弯点处，核心筒的横截面弯矩等于零。反弯点高度与外柱轴向刚度的大小密切相关，外柱轴向抗压(拉)刚度较小时，反弯点的位置偏上；随着外柱轴向抗压刚度的加大，反弯点将逐步下移；当外柱轴向刚度达到很大时，反弯点将靠近它的极限位置0.5H(H为结构的总高度)。
1.3 设置两道加强层的情况
当框筒结构高宽较大时，除在结构顶端设置加强层外，还可在半高处设置加强层。因又多了一道加强层，核心筒所承担弯矩中的一部分再次转化为外柱的轴力，使半高处加强层以下核心筒各界面的弯矩进一步减小，减小的数值等于外柱轴向拉、压变形所提供抗力而产生的抗力矩M(如图1C所示)。此外，整个结构侧移也将得以进一步减小。随着房屋层数的增加，加强层数量可适当增加，以便使核心筒弯矩沿竖向分布较为均匀，从而大大减少核心筒弯矩和房屋侧移。
2.基于模型的算例分析
2.1 模型介绍
如上，是从加强层机理方面进行分析，下面，笔者以丽源天际城项目某大厦为背景，就加强层的设置对框筒结构水平位移的影响进行详细探讨，以期找出最优设置方案。该模型主体结构37层，塔楼2层，地下2层；地下部分高10.0 m，结构总高度158.80 m。下部采用桩筏基础，筏板厚度2.5m，沿四周方向挑出上部结构柱轴线2.6 m，长宽方向长度均为43 m；基础沿深度方向在筏板下取90 m，其中群桩土长度60m，下卧层取30 m；土体沿筏板四周方向各再延伸50m。为探讨加强层的影响，对该模型稍作改动，将第4、17、37层根据不同情况做成桁架梁式加强层，产生7个新模型，具体情况见表1。
表1根据加强层的设置所选用的模型方案
2.2 水平荷载作用下模型水平位移分析
采用如上8个模型，运用ANSYS有限元分析软件进行振型分解反应谱地震动力分析。在输入的水平地震荷载作用下，提取的各模型的水平位移情况如下：
2.2.1 加强层的设置和位置的改变对结构水平位移的影响
各模型在水平地震的作用下，结构位移反应及其比较如表2所示：
表2 各模型的最大顶点位移及最大层间位移值(单位：mm)
由以上數据可见，加强层的设置使得结构的抗侧刚度大大增强，结构顶点位移及最大层间位移均明显减小。加强层设置数量及位置改变，结构顶点位移及最大层间位移量也在有规律地变化。具体概括如下：强层设置数量增加，结构顶点位移及最大层间位移的减小量也在增大。但从设置效果上看，当设置加强层的数量相同但位置不同时，水平位移的改变量有所区别，其中存在着一个加强层设置的最优位置的问题：(1)设置一道或两道加强层的效果最明显：设置一道时最好效果是顶点位移减小了16.16%，层间位移减小了20.10%；设置两道时最好效果是顶点位移减小23.86%，层间位移减小30.10%；设置三道加强层的减小效果同设置两道相差较小。(2)若设置加强层的主要目的是为了减小结构水平位移量，则加强层最优位置应为：设置一道加强层时，最优位置在结构的中部；设置两道时，最优位置在结构中部及中下部位置处。此外，在归整中发现：在加强层所在的楼层，层间位移减小量最多，这说明了加强层对结构变形的约束作用。同时加强层的设置对相近楼层层间位移随着离加强层位置的远近有不同程度的影响：距离越近，影响越大。
2.2.2 加强层中构件参数的改变对结构水平位移的影响
加强层设置的目的是加强内筒和外框架之间的联系，使之能协同工作，那么实际中，究竟以改变哪个构件的参数表现出的内外协同工作效果更好呢？经多次改变加强层上楼板的厚度及伸臂梁尺寸，结果如下（前提：模型1的所有楼板厚度均为200mm，在此基础上分两种情况作改变）：
情况l：在模型1的基础上设置加强层，含加强层的模型2～8，加强层的楼板厚度不变；情况2：在情况1的基础上，仅将加强层处楼板厚度改变为500 mm，其余不变。统计的结构顶点位移和降低数据如表3所示：
表3 楼板厚度变化时各模型最大顶点位移 (单位：mm)
从表3数据可见，仅通过调整楼板参数来实现增强内外结构的联系，效果不明显，且经济上不划算，而是从改变伸臂梁的刚度入手实现。产生表3数据的模型即是在表2模型的基础上提高了伸臂梁的高宽比，从而提高伸臂梁的刚度，达到增强结构内外联系的目的，减小了结构最大顶点位移，效果明显。
3.结论探讨
本文通过分析无加强层的模型l及设置加强层的模型2～8在水平地震荷载作用下结构最大顶点位移和最大层间位移的变化情况，得出如下结论：(1)在框筒结构中，设置加强层能有效增强结构整体的抗侧能力，减小顶层位移和层间位移角。(2)随着加强层数量的增加，与无加强层相比，顶层位移和层间位移角减小的幅度更加明显。但从位移减小率与加强层的数量关系看，以设置一道加强层时最为明显。且随着加强层的增多，该效果逐渐减弱。(3)加强层的最优位置大致如下：设置一道加强层时，最优位置在结构的中部；设置两道加强层时，最优位置在结构的中部及中下部位置处；当设置一道及以上加强层时，效果和设置两道的最优位置效果相当，故加强层数量不宜超过3层。(4)就梁式加强层而言，可通过改变伸臂梁的参数来提高加强层作用，其效果最明显。
【参考文献】
［１］B.S.Smith，A.Coull.TaU Building Structures：Anslysis and Design[J].John Wiley&Son，Inc，199l：406-424.
［２］袁兴隆.高层建筑加强层的研究与应用分析[J].贵州工学院学报，1995，24(2)：28-33.
［３］刘喜平.框架一核心筒高层结构设置加强层问题的探讨[J].西北水力发电，2005，21(3)：38-40.