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高层建筑水平加强层对结构抗震性能的影响分析


工程技术

高层建筑水平加强层对结构抗震性能的影响分析
李晓燕


杨应乔





伟2

( 1. 吉林市市政设计研究院有限责任公司, 吉林吉林 132000; 2. 吉化集团吉林市北方建设有限责任公司, 吉林吉林 132000 )
[ 摘 要] 主要从加强层引起的结构刚度突变、结构内力突变和薄弱层等方面分析了高层建筑水平加强层对结构抗震性能的影响, 在此基 础之上, 给出了加强层的刚度选择和结构布置建议, 同时简要分析了设置加强层在结构抗震设计中应注意的问题。 [关键词] 高层建筑; 水平加强层; 抗震性能

1 加强层引起的结构刚度突变
以 38 层的框架 - 核心筒结构为例, 在第 15 层和 27 层设置水平 加强层, 其第 1 和第 2 振型的自振周期比不设加强层时明显减少; 通过 弹性动力分析得出了结构加速度反应包络、速度反应包络和位移反应。 输入地震波为上海波, 地面加速度峰值为 35gal。设置加强层后加速度 和速度反应包络有所降低, 位移反应明显减少。需特别注意的是, 位移 曲线在第 15 层和第 27 层两道加强层附近发生的变化, 第 15 层处突变 尤为显著。这种形式的结构竖向刚度突变, 不仅是加强层本层的水平剪 切刚度突然增大, 更主要的是, 加强层处结构整体转动大幅度减少, 加 强层上、下几层的整体转动也随之减少。两道加强层相当于给整个结构 在 15 层及 27 层增加了两道“整体转动嵌固约束” 几乎把整个 38 层 , 结构分成三断, 1 层 - 14 层为第一段, 15 层 - 26 层为第二段, 27 层 - 38 层为第三段。结构整体转动在加强层处突然减少, 其主要原因是, 加强层的水平伸臂构件(或外围框架周边环带)与该层的上、下楼板组成 刚度甚大的箱型盘, 此箱型盘将核心筒与外围框架连成整体, 其整体转 动基本上由外围框架的轴向变形控制, 转动量显然是很小的。这种形式 的刚度突变必然伴随着结构内力突变以及整体结构传力途径的改变, 从 而使结构在地震作用下, 其破坏和位移较容易集中在加强层附近, 即形 成薄弱层。

量的过大突变, 对结构受力及抗震不利, 故加强层的刚度太大没有必 要。在地震作用下, 框架 - 核心筒结构宜采用“有限刚度”的加强层。 框架 - 核心筒结构在地震作用下, 若结构整体刚度不能满足设计要求 时, 有两种途径可提高结构整体刚度: 其一, 采用刚度很大的“刚性” 加强层; 其二, 在调整增强原结构刚度的基础上, 设置“有限刚度”加 强层。这两者在概念上有很大的差异。前者从概念上强调用“刚性”加 强层增强结构整体刚度, 往往还希望使整体刚度越大越安全, 其结果反 而会使建筑结构的内力突然增加, 从而产生刚度剧变, 在罕遇地震作用 下结构在加强层附近容易形成薄弱层而遭破坏。后者从概念上强调尽可 能调整增强原结构的刚度, 采用“有限刚度”加强层只是弥补整体刚度 之不足, 而且只希望结构整体刚度满足规范的最低要求, 以减少非结构 构件的破损。

2 加强层引起的结构内力突变和薄弱层
加强层引起的结构内力突变和产生薄弱层的情况, 基本概念可归 纳为下面三点:

图 1 水平伸臂构件刚度变化的影响
设置“有限刚度”加强层将涉及刚度的选择问题。图 1 所示为水平 伸臂构件刚度变化与结构顶点位移, 加强层上、下外框架柱弯矩, 核心 剪力墙弯矩的关系曲线。由图可见, 水平伸臂构件刚度当大于某一值

1 核心筒墙肢在地震作用下所受内力的突变是很明显的, 设置两 )
道加强层后, 核心筒墙肢沿高度弯矩图发生急剧变化, 在加强层的上、 下几层弯矩大幅度增加, 核心筒墙肢的剪力在加强层的上、下几层同样 有较大幅度的增加。

J 2 后, 如继续增加其刚度, 则对结构顶点位移及柱和墙的内力影响均
很小; 当水平伸臂构件刚度小于某一值 J 1 时, 其刚度的减少将比较明 显地影响结构位移和内力。水平伸臂构件的“有限刚度”将尽可能选择 在小于 J 1 的范围内, 以减少整体结构刚度突变和内力剧增。 “有限刚度”加强层的结构布置要强调其有效性。在地震作用下, 沿整个结构高度加强层的设置部位不需强调最有效之部位, 如建筑上允 许, 沿高度可多设几道(2- 3 道)加强层, 而每道加强层的刚度尽量小, 这是比较有利的。 加强层内桁架或实体梁宜布置在核心筒与外围框架柱之间, 形成水 平伸臂构件。这种布置比沿加强层外围框架设置周边环带要有利一些。 如在布置水平伸臂构件的同时再加上周边环带, 则对减少结构整体位移 的作用不明显, 但可以使水平伸臂构件所受剪力和弯矩减少, 加强层 上、下楼板的翘曲影响减少。设置水平伸臂构件对较少结构位移是比较 有效的。加强层宜采用桁架形式, 可通过调整桁架腹杆的刚度, 使加强 层既能适当弥补结构整体刚度的不足, 又能尽量减少结构的内力突变。 在罕遇地震作用下, 宜使加强层桁架腹杆先屈服破坏, 避免加强层附近 的外框架柱和核心筒墙肢发生破坏。加强层若采用实体梁式, 仅仅通过 改变梁的厚度以调整加强层的刚度, 其调整幅度比较少, 而且实体梁很 难做到“强剪弱弯” 。

2 外围框架柱在地震作用下所受内力的突变也是很明显的(未包括 )
垂直荷重产生的内力)。柱的轴力在加强层的下层突然增大, 柱的弯矩 和剪力在加强层的上、下均急剧增加。

3 加强层的水平伸臂构件(或周边环带)承受很大的剪力和弯矩, 加 )
强层仅布置水平伸臂构件时, 其承受的剪力和弯矩最大; 在布置水平伸 臂构件的同时, 再布置周边环带, 则所受剪力和弯矩降低较多。加强层 上、下楼板由于翘曲的影响, 有些部位承受双向弯矩, 其主应力符号发 生改变。仅布置两道水平伸臂时, 楼板的翘曲影响较大, 在布置两道水 平伸臂同时再加周边环带, 则楼板的翘曲影响较小。 由上述内力突变的基本概念可以得知, 在罕遇地震作用下, 带“刚 性”加强层的框架 - 核心筒结构如无专门措施, 很难呈现“强柱弱梁” 、 “强剪弱弯”的延性屈服机制, 加强层及其上、下层应力的集中很容易 形成薄弱层, 导致结构的破坏, 甚至倒塌。该结构的模型试验从其破坏 阶段的裂缝分布和破坏部位表明, 该结构第 15 层(加强层)的水平伸臂构 件产生剪切裂缝, 15 层的上、下几层的剪力墙产生弯剪裂缝, 16 层的 外框架柱严重破坏; 第 27 层(加强层)的水平伸臂构件产生剪切裂缝,

21 层及 22 层的外框架柱破坏(这与该结构从底层到 21 层设置斜柱与外
框架柱相交有关)。

3 加强层的刚度选择和结构布置
现有的工程分析及研究资料表明: 加强层的刚度太小, 达不到减小 侧移的目的, 但若加强层刚度过大, 则会导致在加强层处抗侧刚度和质

4 设置加强层在结构抗震设计中应注意的问题 1 在设置刚度较大的刚性加强层的时候需要谨慎。这种加强层虽 )
可减少整体结构位移, 但将会引起结构刚度的突变﹑加强层附近结构内 力剧增, 并易形成薄弱层。
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2 在地震作用下, 框架 - 核心筒结构宜采用“有限刚度”加强层, )
这种加强层可以在一定程度上解决整体刚度之不足的问题, 以减少非结 构构件的破损。尽量减少加强层的刚度, 减少结构刚度突变和内力的剧 增, 避免结构在加强层附近形成薄弱层, 使结构在罕遇地震作用下能呈 现“强柱弱梁” 、“强剪弱弯”的延性屈服机制。

易形成薄弱层, 结构的损坏机理难以呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯” 的延性屈服机制。在地震区采用带加强层的框架 - 核心筒结构宜慎重, 并需采取有效措施。 作者简介: 李晓燕, 女 ( 1969.9.13 , 汉, 大学, 中级职称, 主要从 ) 事结构设计工作。 杨应乔, 女 ( 1966.5.4 , 汉, 大专, 中级职称, 主要从事建筑设计 ) 工作。 毛伟, 男 ( 1968.2.1 , 汉, 大专, 中级职称, 主要从事施工管理工 ) 作。

3 水平伸臂构件被设置在加强层内, 与此同时再加上周边环带, )
对减少结构位移的作用不明显, 但可减少水平构件的内力及楼板的翘曲 影响。在地震作用下, 沿整个结构高度加强层的设置部位不需要强调最 有效部位。

5 结束语
加强层对于减少在风荷载作用下的水平位移来说是比较有效的方 法, 但在地震作用下, 加强层的设置将会引起结构刚度﹑内力突变, 并

[参考文献 ]
[1]金克至 .高层建筑抗震研究 [M].机械工业出版社 ,2006.

( 上接第 8 页) GB50150—91 中规定的 SF6 气体含水量

前可用丙酮将其表面擦干净, 同时还要保证在使用时绝缘件表面的清 洁。

) ( 1×10-6 体积比
隔室 有电弧分解的隔室 无电弧分解的隔室 交接验收时 小于 150 小于 500

4 结语
丹江口电厂 220KV 开关站有 6 台 LW15- 220 型 SF6 断路器, 运 行时间为 10- 15 年, 其中 4 台进行过大修, 微水控制在 100PPm 以 下, 另外两台微水分别为 176PPm 和 225PPm , 近几年来丹江电厂新 增 SF6 断路器 18 台, 控制好 SF6 断路器的微水确保断路器安全运行是 我们今后重要工作。

DL/T596—1996 中规定的 SF6 气体含水量 ( 1×10-620℃体积比 )
隔室 大修后 小于 150 小于 500 运行中 不大于 300 不大于 500

有电弧分解的隔室

无电弧分解的隔室

在 GB7674- 1997、GB50150- 91 两个标准中规定了测定 SF6 气 体中水分的标准, 而对测定水分时的 SF6 气体的温度没有规定。当容器 内 SF6 气体的温度低于其中水汽的露点温度时, SF6 气体中的部分水分 就变成水或冰, 这样 SF6 气体中的水汽减少了, 而水汽的饱和气压和其 温度相适应, 并始终维持在饱和状态。这时测得的是在当时条件下 SF6 气体中水汽的含量, 而未计及以水或冰态存在于固体的表面和容器内部 的水分。因此在标准中必须增加一条规定: 当测得的 SF6 气体中水分的 含量达到 SF6 气体温度下的水汽的饱和蒸气压时, 该测定结果无效。而 只有测定的水汽含量低于 SF6 气体在当时的温度下的水汽饱和蒸气压 时, 测定结果才有效。也就是说必须规定测试温度。DL/ T596- 1996 的规定更为合理和严格, 安装检修人员必须按此标准要求进行。

2 为了防止水分凝结在绝缘件表面, 应要求制造厂降低装置中 ) SF6 气体中所含的水分; 降低充入装置的 SF6 气体的水分含量, 减少装
置内部元、器件内部和表面的存水; 改善密封部位结构并选择优良的密 封材料防止水分渗入装置内部; 在装置内装入能吸收水分的吸附剂; 尽 可能采用高绝缘强度的绝缘材料改进绝缘件的设计以尽量降低因水分而 引起的沿表面耐电强度的降低。

3 安装人员在安装现场必须按安装工艺要求进行装配, 保持设备 )
内绝缘件和部件的清洁, 监测环境的空气湿度, 因为在绝缘件表面存在 一些污物的情况下, 会使绝缘件表面的绝缘电阻降低几个数量级, 以致 绝缘件沿面放电电压会下降很多。试验和理论分析都证明, 在绝缘件表 面不存在能够降低绝缘电阻的污物时, 凝结水本身不会使其沿面的绝缘 能力降低太多。所以, 在装配和维修时必须保持绝缘件表面清洁。装配

10

2008 年 3 月 ( 上 )


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