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伸臂桁架、腰桁架、超高层钢结构设计要点
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在外框柱与核心筒之间设置伸臂桁架的主要目的是减小结构侧移,它的机理是提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力,从而增加框架承担的倾覆力矩,同时减小了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效的增大结构的抗侧刚度,减小结构侧移动,一般情况下也会减小外框架的剪力分担比。对于框架核心筒结构,设置伸臂桁架后减小侧移显著,而对于筒中筒结构而言,减小侧移的效果很小。
在结构周围设置腰桁架的作用作用是使各框架柱承受的轴力均匀变化,因此也可以达到提高外框架抗倾覆力矩的能力以及减小侧移的目的,但是不如伸臂有效。在框架核心筒结构中,视外框柱的数量和布置方式,可以设置腰桁架,也可以不设置;由于腰桁架可以减小框筒结构的剪力滞后,因而在筒中筒结构中,腰桁架可以加大结构的整体刚度并减小其侧移。
结构可以根据具体情况,仅设置一种或者同时设置以上两种构件,设置了伸臂桁架、腰桁架的楼层可统称为加强层。
设置加强层后,造成结构沿高度方向刚度不均匀,刚度突变带来内力突变,因此在加强层及上下相邻层构件的内力会出现较大的改变,设置是方向性的改变,加强层的刚度越大,内力突变的程度也越大,这种突变会产生薄弱层效应。
因此,在结构抗风设计中,采用伸臂桁架、腰桁架的效果很好,它可以采用刚度大的加强层,以形成较大的抗侧刚度。
而在抗震设计的结构中,应尽可能的减小出现薄弱层形成的不利效应,因此可以不设置加强层时,就不必设置加强层,需要设置加强层时,也不宜采用刚度过大的伸臂和腰桁架,以避免加强层范围出现过大的刚度突变。
沿高度可以布置一个楼层(一道)或多个楼层(多道)的伸臂桁架和腰桁架。研究表明,多道伸臂桁架减小侧移的效果优于一道伸臂桁架,但是伸臂结构数量与减小侧移并不成正比,当设置四道以上的伸臂桁架时,减小侧移的效果就不再明显。
伸臂设置的位置不同,其减小侧移的效果也不相同,研究表明,当沿高度仅设置一道伸臂桁架时,可以设置在结构的2/3H处减小侧移效果最好,而要减小内筒倾覆弯矩则越靠下越好;设置两道伸臂桁架时,其中一道可设置在0.7H高度处,另一道大约设置在0.5H处。一般的高层结构设计中,伸臂桁架设置位置需要做敏感性分析,以研究其最有效和最适合具体结构的位置。
筒中筒结构中腰桁架的设置则要视减小剪力滞后的效果而定。
由于具体结构的类型和建筑布置的不同,结构的加强层一般宜与高层建筑的设备层和避难层统一,但是应强调建筑机电和结构的合作优化,包括加强层的位置,数量等。
从具体的技术层面上讲,伸臂桁架和腰桁架的刚度不宜太大,如果采用整层楼高的钢筋混凝土实腹大梁,不仅刚度突变过大,而且与它相连的上下层框架柱将非常不利,这些柱子容易出现塑性铰及裂缝,甚至破坏,呈“强梁弱柱”的不利抗震概念。因此,伸臂桁架、腰桁架均宜采用桁架结构,其中钢结构施工方便,优于钢骨混凝土桁架。
由于抗震结构中设置加强层,具有不利的效应,加强层的刚度远大于其他楼层,并出现内力突变,因此应提高加强层以及与加强层相邻的竖向构件的抗震性能。
一般情况下,加强层及上下相邻层中混凝土构件的抗震构造措施应提高一级采用,特一级时可不再提高。
伸臂桁架的上下弦是桁架的重要构件,必然有拉伸和压缩变形,有时又楼板刚好处于同一标高,因此若按照楼板无限刚的假定进行计算,则应将伸臂桁架单独开来,以便释放上下弦的拉伸和压缩变形,或者计算的时候楼板采用弹性膜假定,实际设计中一般在加强层均需要根据具体情况提出不同的构造措施和计算假定。
当伸臂桁架或腰桁架兼做转换层构件时,不仅需要验算其竖向变形和承载力,而且对于这种构件的抗震性能应提出特殊的严格要求。
在高烈度设防区,当在较高的或者特别不规则的高层建筑中设置加强层时,还宜采取进一步的性能设计要求和措施。为了保证它在中震或大震作用下的安全性,可以要求其杆件和相邻杆件在中震或大震下不屈服,甚至更高的性能要求。根据结构高度及其重要性,宜采用静力弹塑性分析或时程分析检验结构在中震及大震下的表现,以评估其达到设计抗震性能目标的能力。
伸臂桁架和腰桁架、外框架及核心筒相连,除了必须按照提高一级的抗震等级设计外,在实际设计中还需要注意以下各项措施。
伸臂桁架和核心筒之间的连接应采用刚接,伸臂桁架对核心筒的作用力(弯矩、剪力和轴力)很大,因此宜将其贯穿核心筒,并与另一边的伸臂相连,或伸臂深入墙中应有足够的锚固长度,且有可靠的锚固措施以均匀传递伸臂的集中力。
与伸臂桁架相连部位的混凝土墙内应设置竖向钢骨;如果原来结构中已经设置钢骨,则应利用此钢骨与伸臂桁架构件相连,如果未设置钢骨,则可以在相邻楼层设置局部钢骨。
但是在结构施工阶段,应对伸臂桁架结构与核心筒之间连接采用措施,使二者之间可以竖向滑动,以避免由于施工阶段内外结构构件的竖向变形差在伸臂结构中产生过大的初始应力。待结构的竖向变形差基本消除后,再进行连接。
伸臂桁架与外框柱的连接虽然可以采用铰接,但是为了保证连接的可靠性,柱中宜有钢骨(或局部钢骨)与其上先弦连接。
加强层及其上下各一层的外框钢骨混凝土柱,应沿柱全高加密箍筋;钢柱的板件宽厚比限值应按照设防烈度提高一度的要求确定。
由于加强层上下产生的内力突变,加强层上下层楼板会传递很大的剪力,因此应适当增强楼板的刚度,楼板厚度不宜小于150mm,且不宜开较大的洞口,楼板的混凝土强度等级不宜小于C30,且应设置双向双排钢筋。有必要时,尚应控制楼板在指定侧向力下的应力水平。
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