帶加強強層高高層建建筑結結構設設計唐興榮榮工學博博士教教授授蘇州科科技學學院土土木工工程學學院二○一一○年年二月月框架-核心筒筒結構構的外外圍框框架都都采用用稀柱柱框架架，當當房屋屋高寬寬比較較大、、核心心筒高高寬比比較大大、外外框架架較弱弱時，，結構構的側側向剛剛度較較弱，，有時時不能能滿足足設計計要求求，為為更有有效地地發揮揮周邊邊外框框架柱柱的抗抗側作作用，，提高高結構構整體體抗側側剛度度以滿滿足規規范要要求，，沿建筑筑物豎豎向利利用建建筑設設備層層、避避難層層空間間，在在核心心筒與與外圍圍框架架之間間設置置適宜剛度的的伸臂臂構件件加強強核心心筒與與框架架柱間間的連連系，，必要要時可可設置置剛度度較大大的周周邊環環帶構構件，，加強強外周周框架架角柱柱與翼翼緣柱柱間的的連系系，構構成帶加強強層的的高層層建筑筑結構構。圖14-2常用規規則典典型帶帶加強強層高高層建建筑結結構的的平面面、剖剖面示示意加強層層是伸臂臂、環環向構構件、、腰桁桁架和和帽桁桁架等等加強強構件件所在在層的的總稱稱，伸伸臂、、環向向構件件、腰腰桁架架和帽帽桁架架等構構件的的功能能不同同，不不一定定同時時設置置，但但如果果設置置，它它們一一般在在同一一層，，凡是是具有有三者者之一一時，，都可可簡稱稱為加加強層層或剛剛性層層。（a）無加強層（b）設置一個加加強層（c）設置兩個加加強層圖14-14框架—核心筒結構構體系中內內筒承擔的的彎矩一、加強層層的工作機機理1、無加強層層的情況在框架—核心筒結構構體系中，，內筒側邊邊至外柱的的距離一般般為8-14m，因使用要求求，內筒與與外柱間橫橫梁截面尺尺寸受到限限制，橫梁梁的抗彎剛剛度較小，，特別是扁扁梁或平板板結構對內內筒在水平平荷載作用用下因彎曲曲變形而發發生的橫截截面傾斜轉轉動，基本本上不能起起制約作用用。除框架架與內筒形形成的并聯聯體對內筒筒的側移起起一定的約約束作用外外，框架柱柱并不能對對內筒的豎豎向拉、壓壓變形產生生影響，框框架柱也不不會因內筒筒彎曲而產產生軸向變變形。內筒基本上上像頂端自自由的伸臂臂桿一樣，，受荷彎曲曲后，各個個橫截面依依舊可以自自由產生轉轉動，內筒筒各截面所所承擔的彎彎矩(圖14-14a)。二、伸臂結結構形式和和連接加強層采用用的水平伸臂構件一般可歸納納為實體梁(或整層或跨跨若干層高高的箱形梁梁)、斜腹桿桁架架和空腹桁架三種基本形形式(圖14-15)。通常伸臂構構件高度都取一層樓高需要剛度更更大時，也也可設置兩兩層樓高的的伸臂構件件。桁架和空腹腹桁架有較較大的抗彎彎剛度，桿桿件截面小小，特別是是利于避免免上、下柱柱端出鉸，，是伸臂的的常用形式式。伸臂所在的的樓層無論論是設備層層，還是避避難層，都都要布置通通道，也就就是在伸臂臂桿件中要要允許開洞洞。如采用用實腹梁，，則必須開開較大的洞洞口，而桁桁架和空腹腹桁架便于于設置通道道。但鋼筋筋混凝土桁桁架和空腹腹桁架的模模板制作和和澆筑混凝凝土都比較較困難，因因此混凝土結構構中經常采采用鋼桁架架作伸臂，既可減小小重量，又又可工廠制制作后現場場拼裝，自自然形成通通道，是一種較為理理想的伸臂臂結構形式式。（a）梁(箱形梁)（b）斜腹桿桁架架（c）空腹桿桁架架圖14-15加強層水平平外伸構件件如果伸臂在在安置后立立即與豎向向構件完全全連接，則則由于施工工過程中外外柱和內筒筒的豎向壓壓縮變形不不同，豎向向變形差會會使伸臂產產生初始應應力，這對對伸臂構件件后期受力力是很不利利的，為了減小這這種初始應應力，可將將伸臂的一一端與豎向向構件不完完全固定（（臨時固定定或做橢圓圓孔連接）），在整個個結構施工工完成后，，大部分在在自重下的的豎向變形形已基本穩穩定時，再再將連接點點完全固定定。三、環向構構件加強層采用用的周邊水水平環向構構件一般可可歸納為開孔梁、斜腹桿桁架架和空腹桁架三種基本形形式(圖14-17)。考慮到建筑筑外圍需要要有窗洞采采光，此外外加強層常常常與設備備層、避難難層結合在在一起，更更需要對外外開敞以便便遇到意外外災難時的的救援。因因此環向構件很很少采用實實腹梁，多多數情況下下采用斜桿桿桁架、空空腹桁架。。（a）梁(開孔)（b）斜腹桁桁架架（c）空腹桁桁架架圖14-17加強層周邊邊水平環帶帶構件環向構件是指沿結構構周圈布置置一層（或或二層）樓樓高的桁架架，其作用用：環向構件相相當于在結結構上加了了一道“箍箍”，可加加強結構外外圈各豎向向構件的聯聯系，加強強結構的整整體性。由于它們的的剛度很大大，也可協協調周圈各各豎向構件件的變形，，減小豎向向變形差，，使豎向構構件受力均均勻。在框框架-核心筒結構構中，環向向桁架可加加強深梁的的作用，可可減少剪力力滯后。也也可以加強強外圈柱子子的聯系，，減小稀柱柱之間的剪剪力滯后并并增大翼緣緣框架柱的的軸向力，，從而減少少側移，但但其作用不不如設置伸伸臂時直接接。在框架-核心筒-伸臂結構中中，環向桁桁架的作用用是使相鄰鄰框架柱軸軸力均勻化化。通常伸伸臂只和一一根柱子相相連接，環環向桁架將將伸臂產生生的軸力分分散在其他他柱子，使使較多的柱柱子共同承承受軸力，，因此環向桁架常常常和伸臂臂結合使用用。環梁本身身對減小側側移也有一一定作用，，設置環向向桁架后可可以減小伸伸臂的剛度度，環向桁桁架與伸臂臂結合有利利于減小框框架柱和內內筒的內力力突變。四、腰桁架架和帽桁架架由于在重力力荷載下的的軸向應力力不同，或或由于溫度度差別、徐徐變差別等等，常常導導致內筒和和外柱的豎豎向變形不不同，豎向向變形差異異隨著結構構高度加大大而累積增增大，在較較高的高層層建筑中不不容忽視。。內、外構件件豎向變形形差使樓蓋蓋大梁產生生變形和相相應的內力力（見圖14-18），如果變變形引起的的內力較大大，會減小小它們承受受使用荷載載和抵抗地地震作用的的能力，甚甚至較早出出現裂縫。。在內筒和和外柱之間間的剛度很很大的桁架架（或大梁梁），可以以縮小上述述各種因素素引起的內內外豎向變變形差，從從而減小樓樓蓋大梁的的變形。一般在高層層建筑高度度較大時，，就需要設設置腰桁架架和帽桁架架，限制內內外豎向變變形差。如如果僅僅考考慮減少重重力荷載、、溫度、徐徐變產生的的豎向變形形差，在30～40層的結構中中，一般在在頂層設置置一道桁架架效果最為為明顯，稱稱其為帽桁架。當結構構高度很很大時，，也可同同時在中中間，某某層設置置，其稱稱為腰桁架。（a）內外柱變變位差引引起彎矩矩（b）屋頂設帽帽桁架圖14-18豎向變形形差異引引起樓蓋蓋大梁內內力二、加強強層的位位置和數數量一個加強層時的計算簡圖

均布荷載下，一個加強層的優化位置（i=10，p=從上向下依此為10、4、1、0）兩個加強層的計算簡圖三、帶加加強層高高層建筑筑結構設設計一、帶加加強層高高層建筑筑結構設設計原則則帶加強層層高層建建筑結構構屬于結結構剛度度沿豎向向發生突突變的結結構，在在重力、、水平荷荷載作用用下加強強層及其其相鄰層層內力變變化較大大，應力力集中，，地震響響應復雜雜，地震震區采用用時需采采取專門門有效措措施，9度抗震設設防地區區不應采采用。（一）帶帶加強層層高層建建筑結構構內力位位移分析析方法帶加強層層高層建建筑結構構應按實實際結構構的構成成采用空空間協同同的方法法分析計計算。尤尤其應注注意對重重力荷載載作用進進行準確確的符合合實際情情況的整體三維維施工模模擬計算算。抗震設設計時，，需進行行彈性時時程分析析補充計計算和彈彈塑性時時程分析析的計算算校核。。同時還還應注意意計入溫溫差、混混凝土徐徐變、收收縮等非非荷載效效應影響響。加強層內內布置桁桁架或實實體梁等等水平伸伸臂構件件，有時時還在加加強層樓樓層周邊邊布置環環帶構件件。這些些構件由由桿件組組成，所所以加強強層可以以在整體體空間分分析時一一并參與與計算。。桁架伸臂臂構件可可以直接接參與三三維空間間分析。。采用桿桿件-薄壁桿件件空間分分析程序序時，上上、下弦弦桿作為為樓面梁梁、豎向向腹桿作作為柱、、斜腹桿桿作為斜斜柱處理理。結構構內力和和位移計計算中，，設置水水平伸臂臂桁架的的樓層宜宜考慮樓樓板平面面內的變變形。如果實體體梁高度度小于層層高時，，實體梁梁可視為為一般樓樓面梁直直接參與與計算。。當實體梁梁高度等等于層高高（圖14-26）時，將將其位置置定在實實體梁的的上層樓樓面，截截面按實實際尺寸寸輸入，，再在實實體梁的的下層樓樓面增補補剛度很很小的““虛梁””來降低低柱子的的層高。。兩層樓樓面的全全部荷載載均由實實體梁承承擔，““虛梁””樓面荷荷載可設設為零。。但須注意意：當采用假假定樓板板剛度為為無限剛剛性時，，由于樓樓板不能能變形，，伸臂桁桁架的上上、下弦弦沒有伸伸長或縮縮短，不不能得到到弦桿、、腹桿的的正確內內力。在在帶加強強層高層層建筑結結構整體體結構分分析后，，尚應取取整體分分析中的的變形作作為邊界界條件及及豎向荷荷載，對對加強層層進行局局部分析析。圖14-26伸臂實體體梁為一一層高時時計算簡簡圖（二）加加強層的的剛度選選擇和結結構布置置1、在地震震作用下下，框架架—核心筒結結構宜采采用“適宜剛度度”的加強強層框架-核心筒結結構在地地震作用用下，若若結構整整體剛度度不能滿滿足設計計要求時時，提高高結構整整體剛度度的途徑徑有：采用剛度度很大的的“剛性性”加強強層（從概念念上強調調“剛性性”加強強層增強強整體結結構剛度度，往往往還希望望使整體體剛度越越大越感感覺安全全，其結結果反而而還使結結構剛度度突變，，內力劇劇增，在在罕遇地地震作用用下結構構在加強強層附近近容易形形成薄弱弱層而破破壞）在調整增增強原結結構剛度度的基礎礎上，設設置“適適宜剛度度”加強強層（從概念念上強調調盡可能能調整增增強原結結構的剛剛度，采采用“適適宜剛度度”加強強層只是是彌補整整體剛度度之不足足，而且且只希望望結構整整體剛度度滿足規規范的最最低要求求，以減減少非結結構構件件的破損損。）采用“有有限剛度度”加強強層其目目的是盡盡量減少少結構剛剛度突變變和內力力的劇增增，仍希希望結構構在罕遇遇地震作作用下還還能呈現現“強柱柱弱梁””、“強強剪弱彎彎”的延延性屈服服機制，，避免結結構在加加強層附附近形成成薄弱層層）圖14-27水平伸臂臂構件剛剛度變化化的影響響加強層宜利用用建筑避難層層、設備層空空間。加強層層內水平伸臂臂構件宜布置置在核心筒墻墻與外圍框架架柱之間，這這種布置方式式要比沿加強強層外圍柱設設置周邊環帶帶構件對減少少結構整體位位移利一些。。如水平伸臂臂構件與周邊邊環帶構件同同時布置，則則對減小結構構整體位移的的作用不明顯顯，但可使水水平伸臂構件件所受剪力和和彎矩減小，，加強層上、、下樓板的翹翹曲影響將減減少。加強層采用的的水平伸臂構構件、周邊環環帶構件宜采采用桁架形式式，可通過調調整桁架腹桿桿的剛度，使使加強層既能能適當彌補結結構整體剛度度的不足，又又能盡量減少少結構的內力力突變。在罕罕遇地震作用用下，宜使加加強層桁架腹腹桿先屈服破破壞，避免加加強層附近的的外圍框架柱柱和核心筒墻墻肢發生破壞壞。加強層若若采用實體梁梁，僅可通過過改變梁的厚厚度以調整加加強層的剛度度，其調整幅幅度比較少，，且實體梁很很難做到“強強剪弱彎”二、帶加強層層高層建筑結結構適用高度度帶加強層框架架-核心筒結構體體系的最大適適用高度同框框架-核心筒結構體體系，其適用用高度應符合合表14-1的規定。三、帶加強層層高層建筑結結構抗震等級級加強層區間的的框架柱、核核心筒是帶加加強層高層建建筑結構的關關鍵構件，應應確保加強層層區間框架柱柱、核心筒的的安全，《高層建筑混凝凝土結構技術術規程》（JGJ3-2001）規定：加強層及其相相鄰的框架梁梁、柱和核心心筒剪力墻的的抗震等級應應提高一級采采用，一級提提高至特一級級，若原抗震震等級為特一一級則不再提提高。帶加強層高層層建筑結構抗抗震設計，應應根據設防烈烈度、構件種種類和房屋高高度按表14-2采用相應的抗抗震等級，進進行相應的計計算并采取相相應的構造措措施。三、帶加強層層高層建筑結結構構件的設設計要求1、加強層水平平外伸構件當實體梁（或或整層或跨若若干層高的箱箱形梁）作為為加強層水平平外伸構件時時，一般宜滿滿層設置，利利用加強層樓樓板作為有效效翼緣，以有有效提高其抗抗彎剛度，其其設計要求同同其用作轉換換結構時的要要求。實體梁腹板截截面厚度不宜宜小于300mm，且宜由其剪壓壓比控制計算算確定，其適適宜值如表14-3。箱形梁抗彎剛剛度應計入相相連層樓板作作用，樓板有有效翼緣寬度度為:12hi；(中梁)，6hi(邊梁),hi為箱形梁上下下翼緣相連樓樓板厚度，不不宜小于150mm。當采用斜腹桿桿桁架、空腹腹桁架作為加加強層外伸構構件時，其設設計要求同其其用作相應轉轉換結構時的的要求。2、加強層區間間核心筒體加強層區間的的核心筒是帶帶加強層高層層建筑結構的的關鍵構件，，分析表明，，在帶加強層層的框架-核心筒結構中中，核心筒墻墻肢彎矩和剪剪力在加強層層的上、下幾幾層大幅度的的增大。因此此，為確保加加強層區間核核心筒的安全全，加強層區區間核心筒應應提高一級抗抗震