强层的框架核心筒结构抗震性能研究

偶矩与水平外荷载产生的倾覆力矩方向正好相反，使剪力墙产生一个反方向的 弯曲转动(参见图4—2)，亦即减小剪力墙承受的倾覆弯矩，使结构产生反方向 的弯曲，从而使结构侧移减小。另一方面，设置水平加强层后，由于加强层自 身刚度很大，弯曲变形非常小，可以有效地从剪力墙向外框架柱传递竖向剪力， 强迫外柱与剪力墙趋于按平截面假定的方式共同工作，避免了竖向剪力墙和外 框架不能共同形成一个整体抗弯构件。这样以整个建筑宽度抗侧力，自然大大 提高了结构抗侧刚度和抗倾覆能力，从而减小了结构侧移。

此机理可从设置加强层后外框柱轴力增加，力偶矩增大而简体翼缘墙肢轴 力减小，其形成的力偶矩也减小的现象说明。在各种工况下，基底剪力和倾覆 弯矩如表4-5、表4—6所示。从表中可见，增设加强层后，底部剪力略有增加， 很微小，说明增设加强层增加结构抗侧剐度，并不会过大增加地震力。从剪力 在筒体和框架柱之间的分配比例看，其变化不大，简体仍是抗剪的主要构件。 但简体墙肢弯矩也随着加强层数目的增加而减小，减小幅度为2．6％～11．7％。 其中N03减小了2．6％，N02减小了4．3％。可见以减小简体的底部弯矩，改善简 体的受力状况为目的设置一道加强层时，不宜将加强层设置在顶部。地震力引 起的倾覆弯矩随加强层的设置数目增加而略有增加(1．7％～3．6％)。同时，随加 强层的设置数目的增加，筒体的承担的倾覆弯矩逐渐减小，从67．5％～55．8％， 柱子承担的倾覆弯矩比例逐渐增加，从32．5％～44．2％。

前面分析之所以忽略了加强层引起的内力突变，是因为内力的突变主要集 中在加强层及其相邻几层，相对整个结构的变形影响不大，且加强层引起的墙 肢弯矩增大往往变向，对结构变形起减小作用。而且对于框架一简体结构，由 于剪力墙提供了比框架大得多的抗侧刚度，变形性质主要取决于剪力墙的变形， 结构的整体弯曲变形通常占据70％以上(文献[3])。因此柱、梁的剪力、弯矩 西南交通大学硕士研究生论文第34页

在加强层处增大对结构的整体变形的影响非常有限。总而言之，设置加强层后， 结构整体内力减小，从而使结构侧移减小的效用远大于加强层引起的内力突变 增大结构变形的效用。

表4—5各方案下结构底部剪力的分配

底部剪力外柱剪力外柱承担剪简体剪力筒体承担剪 结构方案 (KN)

㈣力比率(％) (ⅪD 力比率(％)

N01 3886 558 14．3 3328 85，7 N02 3924 545 13．9 3379 86．1 N03 3890 529 13．6 3361 86．3 N04 3986 534 。13．4 3452 86．6 N05 4061 540 13．3 3521 86．7 N06 4097 541 13．2 3556 86．8

表4—6各方案下结构底部弯矩的分配

底部弯矩外柱倾覆弯外柱承担弯筒体倾覆弯简体承担弯 结构方案

(KN．m1 矩(KN．m) 矩比率(％) 矩(KN．m1 矩比率(％)

N01 274790 89332 32．5 185458 67．5

N02 279495 102854 36．8 176641 63．2 N03 276967 97515 35．1 179452 64．9 N04 281885 113318 40．2 168567 59．8 N05 283798 120614 42．5 163184 57．5 N06 284810 125886 44．2 158924 55．8

西南交通大学硕士研究生论文第35页

4．2加强层对框架柱内力的影响

设置水平加强层来减小结构整体侧向位移的重要机理，就是靠增加外围框 架轴向力值，即形成一个整体抗弯力偶，从而减小混凝土核心筒的抗弯负担， 达到减小侧移的目的。因此，加强层的设置显然会改变原有框架柱的内力大小 及其分布。所以，选取框架柱KZl，分析比较在不同加强层设置方案下的内力 变化情况。

4．2．1框架柱KZl的轴力

毒 采 撂

jtl

N01不设加强层

2500 1000

童1500

-R

暴 蜘1000

100

0

l 6 11 16 21 26 31 36

楼层号

N02 11层设加强层

西南交通大学硕士研究生论文第36页

2500 1500 O

35∞

3000 2500

善2000

薹1500

10∞ 5∞

0

1 6 bl 16 21 26 31 36

·楼层号

3000 2500

2000

1500 O

1 6 11 16 21 26 3l 36

楼层号

N03 36层设加强层N04 12、24层设加强层

16 21 26 31 拍

棱层号

3500

3000

2500

善2000

杂

薹1500

l∞O

500

0

l 6 11 15 21 26 31 36

楼层号

N05 9、18、27层设加强层N06 7、14、21、28层设加强层

图4—3框架柱KZl地震作用下轴力的比较

一丕一R暴丰I

一丕一R曩一

西南交通大学硕士研究生论文第37页

由图4-3各种方案柱轴力的曲线比较可以看出：

(1)当不设置加强层时，柱轴力的变化沿高度方向向上均匀减小：

(2)从N03方案可以看出，当加强层设置在顶层时，柱轴力没有明显突变， 除顶层外，从上到下均匀变化，因此单从有利于抗震方面考虑，当设置一道加 强层时，设置在顶层最好；

(3)当设置加强层之后，结构上部外框架柱的轴力与没有设置加强层相比

有一定的减小，但在加强层处柱轴力在加强层处产生突变。在每个加强层处， 从上往下柱轴力突然增大，而每个加强层之间区段柱轴力仍然保持均匀变化： 而且，可以看出当设置多道加强层时，从上往下设置的加强层处柱的突变值是 越来越大，在设计中应该引起注意。故从这个意义上来说，加强层位置不宜靠 结构的中下部；

(4)比较以上六种方案可以看出，随着设置加强层的道数的增加，N02、N04、 N05、N06方案相对于N01方案柱底层轴力(1783KS)相应地增大了500KN、91IKN、 1239KS、1380 KS，增大的百分比分别为28．096、51．1％、69．5％、77．4％。底层 柱轴力有明显的增加，但并不是线性增加。同时还可以看出，N02方案18层当

设置一道加强层时，在加强层处柱轴力突变值为1342KS；当设置两道加强层时， 在加强层处柱轴力突变值分别为837、1190KN；当设置三道加强层时，在加强 层处柱轴力突变值为546、860、1071KN。当设置四道加强层时，在加强层处柱 轴力突变值为544、581、71l、872KN。所以，加强层设置道数越多，柱的突变 效应就越小。故从抗震的角度考虑，应该适当增加水平加强层的数量以减小结 构内力的突变。

4．2．2框架柱KZI的剪力和弯矩

比较图4-4柱的剪力图和图4-5柱的弯矩图可以看出：

(1)当不设置加强层时，框架柱的弯矩和剪力沿高度变化比较均匀，只有

在12，24层柱截面变化处有较小的变化，在顶层变化是高层建筑结构的鞭梢效 应作用：

(2)从N03方案可以看出，当加强层设置在顶层时，除顶层外，柱剪力和

弯矩没有明显突变，从上Nd,曲线均匀，因此单从有利于抗震方面考虑，当设 置一道加强层时，设置在顶层最好； 西南交通大学硕士研究生论文第38页

150 100

0 200

g 最150 豁 埘

100 0

16 2l 26 31 36

楼层号

N01不设加强层

16 2l 26 31拍

楼层号 毒

·R 200

鲁掣

一300 R 京 坦200

100 O

0

l 6 11 16 21 26 31 36

楼层号

N02 18层设加强层