帶剛性加強層的高層建筑結構設計研究

摘要：隨著高層建筑的快速發展，帶剛性加強層的高層建筑越來越多。本文首先介紹了剛臂的形式、種類和構成，然后詳細介紹了帶剛性加強層的高層建筑結構設計。

關鍵詞：剛性加強層；高層建筑；結構設計

高層建筑中，當筒體稀柱框架結構高寬比較大（＞6）、筒體高寬比較大時（＞12），常在設備層、避難層設置整層高的剛度較大的從核心筒體外伸的斜腹桿衍架、直腹桿空腹析架、實體梁等，簡稱剛臂，將核心筒體和周邊框架柱連接起來，以進一步發揮周邊框架柱的軸向剛度作用，吸收更多的水平荷載，產生的傾覆彎矩，從而達到進一步有效提高結構的整體抗側剛度，以既滿足建筑平畫功能的要求，又能滿足結構的位移、強度、穩定、延性的要求。這時設備層的避難層同時又成為結構的剛性加強層，整個高層建筑結構稱作帶剛性加強層的高層建筑結構。

1 剛臂的形式、種類和構成

剛臂按其材料劃分，可分為鋼，鋼混凝土組合，鋼筋混凝土三類。鋼結構的剛臂—般由斜腹桿桁架構成宜與鋼結構的核心筒鋼支撐或鋼框架以及周邊鋼框架枝鉸接相連。鋼混凝土組合的剛臂，型鋼外包混凝土組合時，宜與型鋼外包混凝土的核心筒、周邊框架柱剛按相連；鋼管內填混凝土組合時，宜與鋼管內填漢凝土混凝土的周邊框架住、核心筒鉸接相連。鋼筋混凝土的剛臂一般宜與鋼筋混凝土的核心筒、周邊框架性剛接相連。這主要是從材料、構造的施工方便可行性考慮的。剛臂按其組成形式來看，可有斜腹桿鉸接、剛接桁架，直腹桿剛接空腹桁架、實體梁(開洞或不開洞)、鉸接交叉、K形、△形等支撐體系。剛臂的形式、種類、材料的選擇主要取決于主體結構的材料、形式，建筑、設備的功能需要，剛臂結構的受力、延性、剛度要求等。

2 剛性加強層結構的設計要點

1、剛性加強層結構的剛度匹配

剛性加強層結構的研究表明，剛臂、框架柱與筒體之間的剛度匹配極其重要。剛臂線剛度一般均小于筒體線剛度，研究表明，當剛臂與筒體的線剛度之比β1=0.1～0.3時，隨著剛臂剛度增加，整體結構的抗側剛度提高十分明顯，且在β10.3時達最大；當β1＜0.1時剛臂過弱，作用極微；當β1＞0.3后，整體結構抗側剛度增加不多。框架柱的整體抗側剛度一般取比較接近和大于筒體剛度，研究表明，當框架柱整體抗側剛度與筒體剛度之比β2＜3時，隨著框架柱軸向剛度增加，整體結構抗側剛度增強效果十分顯著，當β2＞3后，效果不明顯。

2、剛性加強層合理數量及其最佳位置

剛性加強層結構的研究表明，隨著剛性加強層數量的增加，整體結構抗側剛度增強，但

當剛性加層數量超過6個時，其效果不很顯著。所以，一般而言，剛性加強層數量不宜超過6個。對于超高層建筑來說，一般每15～20層需設置一個消防避難層，若利用它兼作剛性加強層，很顯然對于100層左有的超高層建筑剛性加強層數量一般在4～5個左右，是可行的。考慮到滿足建筑功能的要求，剛性加強層一般宜沿建筑物高度均勻分布設置，這樣的布置，結構的抗側性能一般是比較好的。當結構和筒體高寬比不是太大，只需要一個或二個剛性加強層即能滿足要求時，研究表明，一個剛性加強層時最佳位置在中部偏上0.6H左右，二個剛性加強層時，最佳位置可在頂層，中部0.5H左右，H為結構總高；

3、剛管的合理構成

剛臂的平面位置設置要注意宜與筒體的轉角節點、丁字節點相連．以充分發揮筒體和剛臂的作用，要避免剛臂與筒體的非轉角，丁字節點的墻體垂直相交連接，以避免剛臂支座節點處筒體局部墻身應力過于集中，剛臂作用受到削弱。同時，剛臂的合理構成要注意到，盡量避免和改善由于剛臂的設置帶來的剛性加強層本層及上下樓層框架桂的層間水平剪力及其彎矩的急劇增大、應力集中，從而產生薄弱環節——結構薄弱層。

這是因為，當整體結構在水平荷載作用下結構發生側移變形時，剛臂與筒體、框架柱相連的節點將發生側移和轉角，當剛臂與筒體、框架柱剛接時，由于剛臂的線剛度一般遠大于框架柱的線剛度，剛臂將強迫框架柱節點發生轉動以達到變形協調；而剛臂實際一般又是置身于一個層層具有樓蓋，樓面梁將筒體與框架柱連成整體的一個筒體稀柱框架結構之中。剛性加強層的上下各層樓蓋與筒體相連又向時要約束框架柱各樓層節點的側移變形，從而使剛性加強層及其上下樓層的框架柱在水平荷載作用下產生較大的層間水平剪力和彎矩。分析研究表明，當剛臂與筒體、框架柱剛接，而樓蓋與筒體、框架柱鉸接時，雖然此時剛臂的抗側效果最大，但相應應力集中最為尖銳。建議這種情況下，剛臂宜做成鉸接的斜腹桿衍架或支撐，以釋放此部分應力集中；同時又仍能發揮剛臂的巨大作用。反之，當筒體稀柱框架結構的樓面梁層層剛接整個結構已經具有一定的剛度時．框架柱已經承擔了相當部分的整體傾覆彎矩，已經對整體結構抗側作出較大貢獻，此時剛臂的進一步設置，起到了進一步增強結構抗側剛度的作用，相應也帶來了一定的應力集中，但應力集中的現象大有改善。所以本質上講，剛臂層多設，剛臂剛度適當減弱，剛接樓面梁剛度適當加大，有利于改善應力集中。

剛臂的合理構成還要注意要使剛臂自身具有較好的延性。由于剛臂對結構的抗側貢獻很大，剛臂較好的延性實現對整體結構的延性將起到很大的作用。所以建議在鉸接的斜腹桿衍架，支撐的剛臂中引入阻尼；在剛接的剛臂中，采用空腹桁架或帶開孔的弱連梁的實體梁，以便塑性鉸能在空腹衍架中的直腹桿桿端、實體梁洞口連梁梁端實現。

4、帶剛性加強層結構的地震響應

地震波輸入動力計算分析表明，由于剛性加強層的引入使結構的剛度沿豎向有突變，帶剛性加強層的高層建筑結構的地震響應十分復雜。結構設計必須要針對具體工程認真做好地震荷載動力分析。從剛臂的層數，剛度構成，樓面梁、框架柱、筒體剛度的協調入手，分析調整，以減小結構地震響應的不利影響。

5、帶剛性加強層結構的施工模擬分析

高層建筑豎向主體結構構件在垂有荷載作用下的壓應力水平不可能完全一致，這主要是由于高層豎向主體結構構件不僅要承受垂直荷載，還要承受水平荷載引起的剪力。

豎向構件在垂直荷載下壓應力水平的差異，不可避免地要引起豎向構件在垂直荷載下的彈性壓縮變形、徐變壓縮變形的差異，相連的樓屋蓋水平構件必定要參與協調，減小此差異變形，同時承受附加的內力。豎向構件的壓應力水平調正協調的過程就是二次應力產生轉移的過程。

實際的結構通常是隨著施工逐層形成，垂直荷載力的大部分——結構自重，也是隨之而逐層施加到結構上去的。對于帶剛性加強層的高層結構，由于剛臂的剛度遠大于樓面梁剛度，其調正協調豎向構件豎向變形差異的能力更強，貢獻更大；相應承受的內力也最大，施工模擬的計算準確更顯尖銳和重要。

實際工作中建議為減緩剛臂因垂直荷裁下豎向構件變形協調而產生過大的應力集中，利于結構更好地抗側工作，可采取則臂設后澆帶的方法來基本消除這部分附加二次應力；因為豎向構件差異壓縮變形中的彈性變形部分、初期徐變部分在剛臂后澆帶合攏前已經發生，從而可大大減輕剛臂的負擔。有利于整體結構更經濟合理有效的工作。

參考文獻

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[2]張正國，傅學怡，王建俊，韋宇寧.帶剛臂超高層結構工作性能研究[J].建筑結構學報.1996(04)