摘自《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程》
一、伸臂桁架
在外框架柱與核心筒之間設置伸臂桁架的主要目的是減少結構側移,它的機理是提高水平荷載作用下外框架柱的軸力,從而增加框架承擔的傾覆力矩,同時減少了內核心筒的傾覆力矩。它對結構形成的反彎作用可有效地加大結構的抗側剛度,減小結構側移。對框架--核心筒結構,設置伸臂后減小側移的效果顯著,而對于筒中筒結構,減小側移的效果很小。
二、腰桁架
在結構周圈設置腰桁架,主要是使各外框架柱承受的軸力均勻化,因此也可達到提高外框架抗傾覆力矩能力以及減小側移的目的。在框架--核心筒結構中,視外框架柱的數量和布置方式,可以設置腰桁架,也可以不設;由于腰桁架可以減小框筒結構的剪力滯后,因而在筒中筒結構中,腰桁架可加大其整體剛度并減小其側移。
三、伸臂桁架和腰桁架的適用范圍
根據結構的類型和具體情況,僅設置其中一種,或同時設置兩種構件。設置伸臂桁架或(和)腰桁架的樓層可統稱為加強層。
設置加強層后,造成結構豎向剛度不均勻,剛度突變帶來內力突變。在加強層及其上下相鄰層中,構件彎矩和剪力會出現較大改變;加強層的剛度愈大,內力突變也愈大,這種突變會產生薄弱層效應。
因此,在抗風設計的結構中,采用伸臂桁架及(或)腰桁架的效果很好,它可以采用剛度較大的加強層,以形成較大抗側剛度。
在抗震設計的結構中,應盡可能減小出現薄弱層形成的不利效應。因此,能不設置加強層時,就盡量不要設置加強層;需要設置加強層時,也不宜采用剛度過大的伸臂桁架及(或)腰桁架,以避免加強層范圍產生過大的剛度突變。
四、伸臂桁架和腰桁架的布置
沿結構高度可以布置一個樓層(一道)或多個樓層(多道)的伸臂桁架及(或)腰桁架。研究結果表明,多道伸臂減小側移的效果優于一道伸臂,但伸臂結構數量與減小側移效果并不成正比,當設置四道及四道以上的伸臂桁架時減小側移的效果不再增加。
伸臂設置位置不同,其減小側移的效果也不同。研究結果表明:
1.當沿高度僅設置一道伸臂桁架時,設置在結構的2/3高度處減小側移的效果最好;
2. 設置兩道伸臂桁架時,其中一道可設置在頂層或0.7H(結構總高)以上,另一道可設置在大約0.5H處。
筒中筒結構中腰桁架的設置位置則要視減小剪力滯后的效果而定。
由于具體結構的類型及布置不同,結構加強層又宜與設備層和避難層統一在同一層,結構設計時應當綜合考慮,進行多種布置的比較,以優化伸臂桁架或腰桁架的布置數量及位置。要特別注意,加強層的數量應以滿足結構整體側移要求為宜,不宜設置過多而使結構剛度過大。
五、加強層設計注意事項
伸臂桁架、腰桁架的剛度不宜過大。如果采用整層高的鋼筋混凝土實腹大梁,不僅剛度過大,而且與其相連的上下層框架柱將產生十分不利的后果,這些柱容易出現塑性鉸及裂縫,甚至破壞。因此,伸臂桁架、腰桁架均宜采用桁架結構,其中鋼桁架施工方便,優于鋼骨混凝土桁架。
由于加強層的剛度遠大于其它層,抗震結構中設置加強層具有不利效應,并出現應力突變,因此,提高加強層及相鄰樓層的豎向構件抗震性能是必要的。一般情況下,加強層及上下各一層中混凝土構件的抗震構造措施應按抗震等級提高一級后確定,特一級時不再提高。
伸臂桁架的上下弦是桁架的重要桿件,必然有拉伸與壓縮變形,有時又與樓板結合。因此,若按樓板為無限剛性的假定計算,應將伸臂桁架單獨取出進行計算,以便得到上下弦桿的內力;或者計算時不作樓板為無限剛性的假定;當上下弦桿與樓板結合時,樓板會增大其剛度,計算時宜選取適當的有效寬度樓板作為上下弦桿的翼緣。
當伸臂桁架或腰桁架兼作轉換層構件時,不僅需驗算其豎向變形及承載能力,而且對于這種構件的抗震性能應有特殊要求。
在高烈度設防區,當在較高的或者特別不規則的高層建筑中設置加強層時,還宜采取進一步的性能設計要求和措施。為保證它在中震或大震作用下的安全,可以要求其桿件和相鄰桿件在中震下不屈服,或者選擇更高的性能設計要求。根據結構高度及其重要性,宜采用靜力彈塑性分析或時程分析檢驗結構在中震及大震下的表現,以達到性能設計的目的。
伸臂桁架與核心筒之間連接應采用剛接,伸臂桁架對核心筒的作用力(彎矩、剪力及軸力)很大,因此宜將其貫穿核心筒與另一邊的伸臂相連,或伸臂伸入墻中有足夠的錨固長度,且有可靠的錨固。
與伸臂桁架連接部位的混凝土墻內應設置豎向鋼骨;如果原來結構中已設置鋼骨,則利用該鋼骨與伸臂桿件相連;如果原來結構未設置鋼骨,則可以在相應樓層設置局部豎向鋼骨。
但是在結構施工階段,應對伸臂結構與核心筒之間連接采取措施,使二者之間可以相互豎向滑動,以避免由于施工階段內外結構的豎向變形差在伸臂結構中產生過大的初應力,結構的豎向變形差基本消除后,再進行剛接。
伸臂與外框架柱的連接雖然可以采用鉸接,但是為了保證連接的可靠性,柱中宜有鋼骨(或局部鋼骨)與上下弦桿連接。
加強層及上下各一層的外框架鋼骨混凝土柱,應沿全高加密其箍筋;鋼柱的板件寬厚比限值應按抗震設防烈度提高一度的要求確定。
由于加強層上下產生內力突變,加強層上下樓板會傳遞較大剪力,因此應適當增強樓板的剛度,樓板厚度不宜小于150mm,且不宜開較大的洞,樓板混凝土強度等級不宜小于C30,且應配置雙排雙向鋼筋。