超高层建筑初设阶段设置伸臂加强层的对比分析

超高层建筑初设阶段设置伸臂加强层的对比分析

张洪硕

深圳市建筑设计研究总院有限公司

摘要：在超高层框架-核心筒结构设计中，为控制建筑结构水平位移过大，经常设置伸臂加强层，以提高结构的抗侧刚度。本文主要介绍深圳深科技城一期项目初设阶段，对超高层建筑设置不同位置、不同数量伸臂加强层结果的对比，得出顶点位移、基本周期、层间位移角等控制目标受伸臂加强层位置和数量的影响，便以选取出最优方案。

关键词：超高层建筑；伸臂加强层；顶点位移；基本周期；层间位移角。

1前言

超高层建筑结构设计中，一般情况下，下部受力较大，上部受力相对较小，因此通常下部结构布置剪力墙、框架柱截面较大，上部剪力墙、框架柱截面越来越小。为了控制结构水平位移过大，减少剪力墙、框架柱等构件的截面尺寸，在结构设计过程中，常常会采取伸臂加强层设计，最终满足建筑使用功能的要求和人的舒适感要求。选取加强层位置时首先应符合建筑使用功能的要求，利用建筑避难层或设备层的空间；其次结合结构顶点位移、层间位移角、基本周期等控制目标进行对比分析，选择加强层的最优设置位置及设置数量。

2加强层概念

加强层是在高层建筑中某几个部位，通常是利用设备层或避难层空间设置刚度较大的水平外伸构件加强核心筒与框架柱的连系，必要时可设置刚度较大的周边环带构件，腰桁架和帽桁架，加强外周框架角柱与翼緣柱的连系。因此，加强层构件有三种类型，一是伸臂，二是腰桁架和帽桁架，三是环向构件。三者的功能不同，不一定同时设置，但如果设置，它们一般在同一层。加强层的高度往往是一层楼高，其刚度比其它水平构件大数十倍，固有的文献在研究加强层对高层建筑的影响时称为刚性层或水平刚性层。

伸臂都布置在结构的内部，横跨在外柱和内筒之间，在平面上，伸臂布置要对称，伸臂要与内筒的剪力墙对齐，以便剪力墙承受伸臂传来的大弯矩。

3工程案例对比分析

深圳深科技城一期位于彩田工业园区城市更新单元，用地位于北环大道以南、彩田路以东、皇岗路以西、笋岗西路以北。由三条市政道路切割成五个地块。其中位于西侧三块用地共同构建起一期用地。总建筑面积173580㎡。从北向南布置三栋的办公塔楼群体。其中A座主体地面以上47层，地下4层，主体高度约216m，地震烈度为7度（0.1g），基本风压0.75KN/m2，结构体系为框架-核心筒结构，其建筑高宽比6，核心筒高宽比：12.9。

效果见图1所示，标准层平面图见图2所示。

图1效果图

图2标准层平面图

4设置不同数量、不同位置伸臂加强层对比分析

4.1设置一道伸臂加强层

在建筑避难层处，即17F、27F、37F、三个位置，进行伸臂加强层的对比分析。

风荷载作用下，结构基本周期见下表：

由上表可以看出设置一道伸臂加强层而言，位于整体高度27F/55%H处层间位移角最小。

通过以上数据变化趋势可以得出：设置一道伸臂加强层时，选择将伸臂加强层设置于结构整体高度的55%H处是适宜的，也基本与《高层建筑混凝土结构技术规程》中10.3.2.1条中：当设置一个加强层时，可设置在0.6倍房屋高度附近相吻合。

4.2设置二道伸臂加强层

将一道加强层最优位置27F/55%确定为第一道加强层位置，然后进行组合，分别为17F+27F、27F+37F。

风荷载作用下，结构基本周期见下表：

通过以上数据变化趋势可以得出：设置二道伸臂加强层控制结构层间位移角时，选择一道加强层最优位置及其相邻上部范围内楼层时，能取得较好的效果。因本工程高度仅为216m，考虑经济合理性，所以并没有采取设置三道加强层进行试算对比分析。

5结论

加强层最优位置的确定，在实际工程中首先应结合建筑避难层或设备层空间，最佳位置当布置一道加强层时，位置可在0.6H附近楼层，当布置二道加强层时，位置可在0.6H及其相邻上部范围内楼层。设置伸臂加强层能使结构的内力重新分布，明显改善结构受力状态，使内力分布趋于均匀，发挥结构自身的抗侧能力，减小结构的侧移，增加结构抗侧刚度。抗侧刚度的提高，在满足设计要求的情况下，可以减小剪力墙、框架柱等构件的截面尺寸，提高了建筑使用面积，使结构方案更为经济合理。但是伸臂加强层也会导致结构与加强层及其相邻上下楼层的侧移、刚度发生较大突变，形成薄弱层，应控制加强层的适宜刚度，限制加强层上、下的等效刚度比，对外框柱、核心筒剪力墙等关键薄弱部位采取相应的加强措施，以改善结构的延性。

参考文献

[1]张正国、傅学怡。带刚臂超高层结构工作性能研究。建筑结构学报，1996，16（8）

[2]彭磊。框架-核心筒伸臂结构伸臂位置的对比分析。河北工程大学，2017

[3]魏琏、林旭新、刘畅。超高层建筑伸臂加强层结构设计的若干问题。深圳土木建筑，2018（01）