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伸臂桁架和腰桁架

摘自《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》

一、伸臂桁架

在外框架柱与核心筒之间设置伸臂桁架的主要目的是减少结构侧移,它的机理是提高水平荷载作用下外框架柱的轴力,从而增加框架承担的倾覆力矩,同时减少了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可有效地加大结构的抗侧刚度,减小结构侧移。对框架--核心筒结构,设置伸臂后减小侧移的效果显著,而对于筒中筒结构,减小侧移的效果很小。

二、腰桁架

在结构周圈设置腰桁架,主要是使各外框架柱承受的轴力均匀化,因此也可达到提高外框架抗倾覆力矩能力以及减小侧移的目的。在框架--核心筒结构中,视外框架柱的数量和布置方式,可以设置腰桁架,也可以不设;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,腰桁架可加大其整体刚度并减小其侧移。

三、伸臂桁架和腰桁架的适用范围

根据结构的类型和具体情况,仅设置其中一种,或同时设置两种构件。设置伸臂桁架或(和)腰桁架的楼层可统称为加强层。

设置加强层后,造成结构竖向刚度不均匀,刚度突变带来内力突变。在加强层及其上下相邻层中,构件弯矩和剪力会出现较大改变;加强层的刚度愈大,内力突变也愈大,这种突变会产生薄弱层效应。

因此,在抗风设计的结构中,采用伸臂桁架及(或)腰桁架的效果很好,它可以采用刚度较大的加强层,以形成较大抗侧刚度。

在抗震设计的结构中,应尽可能减小出现薄弱层形成的不利效应。因此,能不设置加强层时,就尽量不要设置加强层;需要设置加强层时,也不宜采用刚度过大的伸臂桁架及(或)腰桁架,以避免加强层范围产生过大的刚度突变。

四、伸臂桁架和腰桁架的布置

沿结构高度可以布置一个楼层(一道)或多个楼层(多道)的伸臂桁架及(或)腰桁架。研究结果表明,多道伸臂减小侧移的效果优于一道伸臂,但伸臂结构数量与减小侧移效果并不成正比,当设置四道及四道以上的伸臂桁架时减小侧移的效果不再增加。

伸臂设置位置不同,其减小侧移的效果也不同。研究结果表明:

  1.当沿高度仅设置一道伸臂桁架时,设置在结构的2/3高度处减小侧移的效果最好;

  2. 设置两道伸臂桁架时,其中一道可设置在顶层或0.7H(结构总高)以上,另一道可设置在大约0.5H处。

筒中筒结构中腰桁架的设置位置则要视减小剪力滞后的效果而定。

由于具体结构的类型及布置不同,结构加强层又宜与设备层和避难层统一在同一层,结构设计时应当综合考虑,进行多种布置的比较,以优化伸臂桁架或腰桁架的布置数量及位置。要特别注意,加强层的数量应以满足结构整体侧移要求为宜,不宜设置过多而使结构刚度过大。

五、加强层设计注意事项

伸臂桁架、腰桁架的刚度不宜过大。如果采用整层高的钢筋混凝土实腹大梁,不仅刚度过大,而且与其相连的上下层框架柱将产生十分不利的后果,这些柱容易出现塑性铰及裂缝,甚至破坏。因此,伸臂桁架、腰桁架均宜采用桁架结构,其中钢桁架施工方便,优于钢骨混凝土桁架。

由于加强层的刚度远大于其它层,抗震结构中设置加强层具有不利效应,并出现应力突变,因此,提高加强层及相邻楼层的竖向构件抗震性能是必要的。一般情况下,加强层及上下各一层中混凝土构件的抗震构造措施应按抗震等级提高一级后确定,特一级时不再提高。

伸臂桁架的上下弦是桁架的重要杆件,必然有拉伸与压缩变形,有时又与楼板结合。因此,若按楼板为无限刚性的假定计算,应将伸臂桁架单独取出进行计算,以便得到上下弦杆的内力;或者计算时不作楼板为无限刚性的假定;当上下弦杆与楼板结合时,楼板会增大其刚度,计算时宜选取适当的有效宽度楼板作为上下弦杆的翼缘。

当伸臂桁架或腰桁架兼作转换层构件时,不仅需验算其竖向变形及承载能力,而且对于这种构件的抗震性能应有特殊要求。

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。为保证它在中震或大震作用下的安全,可以要求其杆件和相邻杆件在中震下不屈服,或者选择更高的性能设计要求。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,以达到性能设计的目的。

伸臂桁架与核心筒之间连接应采用刚接,伸臂桁架对核心筒的作用力(弯矩、剪力及轴力)很大,因此宜将其贯穿核心筒与另一边的伸臂相连,或伸臂伸入墙中有足够的锚固长度,且有可靠的锚固。

与伸臂桁架连接部位的混凝土墙内应设置竖向钢骨;如果原来结构中已设置钢骨,则利用该钢骨与伸臂杆件相连;如果原来结构未设置钢骨,则可以在相应楼层设置局部竖向钢骨。

但是在结构施工阶段,应对伸臂结构与核心筒之间连接采取措施,使二者之间可以相互竖向滑动,以避免由于施工阶段内外结构的竖向变形差在伸臂结构中产生过大的初应力,结构的竖向变形差基本消除后,再进行刚接。

伸臂与外框架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)与上下弦杆连接。

加强层及上下各一层的外框架钢骨混凝土柱,应沿全高加密其箍筋;钢柱的板件宽厚比限值应按抗震设防烈度提高一度的要求确定。

由于加强层上下产生内力突变,加强层上下楼板会传递较大剪力,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,楼板混凝土强度等级不宜小于C30,且应配置双排双向钢筋。

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