超高層建筑伸臂加強層結構設計相關問題研究

王小倩 姚瑞

摘要：超高層建筑伸臂加強層結構設計是建筑工程關鍵所在，設置加強層可有效提高結構抗側剛度，伸臂桁架的設置位置及剛度大小應進行綜合考慮。論文依據 5#塔樓進行伸臂桁架的設置位置及剛度大小分析研究。

關鍵詞：超高層建筑;伸臂加強層;結構設計

引言：

在我國城市土地資源緊缺問題日益嚴峻的背景下，城市中的建筑正越 來越趨向于超高層建筑。超高層建筑將絕大部分建筑空間擴展到了上層，能夠大大節省土地資源，但與此同時，也帶來了一些設計方面的問題。其 中，超高層建筑伸臂加強層結構的設計問題是一項重難點，所以有必要針 對該問題展開深入研究，以促進超高層建筑的發展。

1 工程概況

xxx 中心 5#塔樓地上總建筑面積約 10.6 萬 m2，結構高度 249.95m，幕 墻高度 266.6m。地下 3 層，地上 67 層，大屋面以上含 3 層屋架層，共設置 5 個避難層，中低區功能布局為辦公公寓，標準層層高為 3.6m;高層區功 能布局為酒店，標準層層高為 3.4m。建筑平面呈長方形，X 向的長度為 49.55m，Y 向長度為 30.5m，結構 Y 向高寬比為 8.2，核心筒 Y 向高寬比為 23.6。采用鋼筋混凝土框架-核心筒+伸臂桁架結構體系。框架柱從底層 1800 ×2400（型鋼混凝土柱）逐漸收進至頂層 800×800（鋼筋混凝土柱），型鋼 混凝土柱延伸至 37 層;底部框架柱混凝土采用 C70，軸壓比不大于 0.64。核心筒厚度：X 向 1.2～0.4m，Y 向 1.0～0.3m，核心筒角部設置型鋼，混凝 土采用 C60，軸壓比不大于 0.45，各種型鋼鋼材均為 Q355B。

本工程設防類別為乙類，結構設計基準期和設計使用年限均為 50 年。抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.10g，場地類別為Ⅱ類。

2 針對大高寬比設計措施

針對本項目高寬比較大的特點，對比了有無加強層方案，對結構的剛 重比、剪重比、層間位移角、剪力墻名義拉應力等主要參數及結構的抗傾 覆能力進行了細致的分析。

2.1 方案比選

由于建筑布置造成該結構兩個主軸方向動力性能差異較大，結構高寬 比 X 向為 5.04，Y 向為 8.2，核心筒高寬比 X 向為 8.14，Y 向為 23.6，Y 向 剛度相對較弱;故在不影響建筑功能的前提下，設計時盡可能地增加了 Y 向剪力墻截面及 Y 向框架梁截面尺寸，且提高了框架柱 Y 向剛度。但結構 在不設置伸臂加強層時，Y 向剛重比依然不滿足要求，大震層間位移角接 近規范限值，且周期偏大。為進一步提高結構剛度及穩定性，在中部避難 層設置一道伸臂桁架加強層，加強層設置后，不僅結構剛度有較大提高，各參數也滿足有關要求，底部核心筒拉應力顯著減小。

2.2 加強層設置

當設置一道加強層時，一般認為居中略偏高設置較為有利。針對伸臂 桁架設置在不同避難層位置進行了效率分析，通過主要參數對比發現，在 結構避難層設置了 4 榀伸臂桁架后，結構的剛度、整體穩定性最好。5V 字 形伸臂桁架立面布置為兼備效率及建筑功能，伸臂形式采用 V 字形，并貫 通剪力墻。由于外框架伸臂之間的環帶會桁架影響設備房間布置，同時為 避免結構在 X，Y 向的剛度差別太大，外框架伸臂之間不設置環帶桁架，而設置大型鋼混凝土梁，截面為 600×1000，內含型鋼 H600×200×35×35 （Q355B），來協調外框架柱之間的受力及變形。伸臂桁架腹桿截面需滿足 下列要求：1） 提供足夠的側向剛度協調框架及核心筒變形，使得剛重比等 控制參數滿足規范要求;2）伸臂桁架承載力滿足中震不屈服;3）避免加 強層剛度過大導致加強層下層薄弱層或軟弱層出現;4）與伸臂相連剪力墻 不超過中度損傷。由可知，伸臂桁架截面太大時，剛度突變較大會導致加 強層下層形成薄弱層，伸臂桁架伸入剪力墻可緩解剪力墻損傷。對比常規 結構與設置兩道伸臂加強層時的周期、頂點位移、層間位移角和結構底部 筒體傾覆力矩可知效果較明顯。

采用ABAQUS建立三維模型對一榀貫通剪力墻的伸臂桁架進行有限元分 析，與該榀伸臂桁架相連的周邊構件的內力同時作用在模型上，伸臂桁架核 心筒外斜腹桿型鋼截面為 H500×500×60×70，伸入剪力墻的斜腹桿型鋼截 面為 H500×400×40×40，鋼材均為 Q355B，該剪力墻水平配筋率為 0.8%。

結果表明，罕遇地震下，伸臂桁架整個型鋼最大應力為 307.1MPa，柱 縱筋最大應力為 284.8MPa，型鋼混凝土梁縱筋最大應力為 264.3MPa，核心 筒內鋼筋最大應力為 260.7MPa，均小于鋼筋屈服應力。罕遇地震下，與伸 臂桁架相連的剪力墻混凝土局部區域出現受壓損傷，最大損傷因子約為 0.31，面積約 20%，屬于中度損傷。

2.3 抗傾覆驗算

根據大高寬比項目特點，重點對水平荷載下剛度較弱的 Y 向結構傾覆 進行驗算，通過對伸臂桁架所處位置及伸臂桁架高度不同的分析，可知隨 著高度的增加無論是 X 方向還是 Y 方向傾覆力矩均是增加的，而傾覆力矩 減小量百分比逐步減小。從而可得，小、中震下結構抗力均大于效應，未 出現零應力區，滿足規范要求。結構在 Y 向大震等效彈性方法計算下，底 部出現零應力區，占比約為 5.15%，小于 25%，說明大震下結構不會發生 傾覆。

2.4 整體穩定性驗算

采用 MIDASGen 進行結構的整體彈性屈曲分析。結果表明第一屈曲模 態為 Y 向平動，屈曲系數為 12.1，第二屈曲模態為 X 向平動，屈曲系數為 12.57，均大于 10，說明結構整體穩定性滿足要求。

3 針對斜柱設計措施

由于建筑造型要求，高層立面局部收進，故在錯層結構位置通過 2 層 斜柱轉換。3 根斜柱分別位于西北角、東北角、西南角，其中 X，Y 向的傾 斜角度為 6°。針對重力荷載下斜柱間框梁，對比了斜柱與核心筒之間是 否設置拉梁及是否考慮樓，考慮樓板作用后，斜柱間框梁拉力顯著減小;而斜柱與核心筒之間設置拉梁（截面 600×700）后，隨著拉梁剛度增大，拉梁拉力增加，而斜柱間框梁拉力減小。為不影響建筑凈高，在斜柱與核 心筒的樓板之間設置暗梁，其高度同板厚為 150mm，寬度為 1000mm，暗 梁配筋率不小于 2%，按抗震鋼筋錨固。與斜柱相連所有框架梁按不考慮樓 板作用進行承載力復核。

斜柱采用型鋼柱，與斜柱起始層相連的框架拉梁采用型鋼梁;同時加 厚斜柱附近樓板，加強配筋，樓板厚度不小于 150mm，配筋雙層雙向通長 布置、間距不大于 150mm 且配筋率不少于 0.3%;斜柱及其上下端樓層相 鄰核心筒剪力墻抗震等級提高為特一級，且設置約束邊緣構件。

4 超高層建筑設置兩道或以上伸臂加強層結構的最佳位置

當超高層建筑設置一道伸臂加強層結構無法有效滿足實際需求時，可 設置兩道或以上伸臂加強層結構。對該項目來說，若為兩道伸臂加強層結 構，則第一道的設置位置可選擇在 41 層（0.54H），第二道經計算分析后 可選擇在 53 層（0.66H）。若為兩道以上伸臂加強層結構，以三道為例，則經計算分析后可選擇兩種方案：①方案（最優的層間位移角控制方案） 為 29 層（0.37H） +41 層（0.54H） +65 層（0.88H）;②方案（最優的 底部筒體傾覆力矩控制方案） 為 17 層（0.24H） +41 層（0.54H） +65 層 （0.88H）。

5 超高層建筑頂部設置伸臂加強層結構的可行性分析

目前業內普遍不建議在超高層建筑頂部設置伸臂加強層結構，對該項 目來說，在頂部設置伸臂加強層結構達不到最優效果。相關建筑設計規范 中也表明，建筑頂部不是第二、三道伸臂加強層結構的最好位置選擇。因 此，在選擇伸臂加強層結構的設置位置時，盡量不要選擇在建筑頂部。

結論：

綜上所述，觀我國現階段的建筑業發展情況來看，無論是建筑高度還 是建筑規模都在與日俱增，而隨著一棟棟“摩天大樓”的拔地而起，對其 設計也提出了更高的要求。在超高層建筑設計中，伸臂加強層結構設計是 一項重難點問題，特別是超高層建筑伸臂加強層結構設置位置的選擇十分 關鍵，必須要保證伸臂加強層結構設計滿足建筑的使用功能需求且符合相 關結構控制目標，同時還要確保伸臂桁架構件尺寸合理，可承受適當作用 力，方便施工作業。

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