带加强层高层建筑结构设计

带加强强层高高层建建筑结结构设设计唐兴荣荣工学博博士教教授授苏州科科技学学院土土木工工程学学院二○一一○年年二月月框架-核心筒筒结构构的外外围框框架都都采用用稀柱柱框架架，当当房屋屋高宽宽比较较大、、核心心筒高高宽比比较大大、外外框架架较弱弱时，，结构构的侧侧向刚刚度较较弱，，有时时不能能满足足设计计要求求，为为更有有效地地发挥挥周边边外框框架柱柱的抗抗侧作作用，，提高高结构构整体体抗侧侧刚度度以满满足规规范要要求，，沿建筑筑物竖竖向利利用建建筑设设备层层、避避难层层空间间，在在核心心筒与与外围围框架架之间间设置置适宜刚度的的伸臂臂构件件加强强核心心筒与与框架架柱间间的连连系，，必要要时可可设置置刚度度较大大的周周边环环带构构件，，加强强外周周框架架角柱柱与翼翼缘柱柱间的的连系系，构构成带加强强层的的高层层建筑筑结构构。图14-2常用规规则典典型带带加强强层高高层建建筑结结构的的平面面、剖剖面示示意加强层层是伸臂臂、环环向构构件、、腰桁桁架和和帽桁桁架等等加强强构件件所在在层的的总称称，伸伸臂、、环向向构件件、腰腰桁架架和帽帽桁架架等构构件的的功能能不同同，不不一定定同时时设置置，但但如果果设置置，它它们一一般在在同一一层，，凡是是具有有三者者之一一时，，都可可简称称为加加强层层或刚刚性层层。（a）无加强层（b）设置一个加加强层（c）设置两个加加强层图14-14框架—核心筒结构构体系中内内筒承担的的弯矩一、加强层层的工作机机理1、无加强层层的情况在框架—核心筒结构构体系中，，内筒侧边边至外柱的的距离一般般为8-14m，因使用要求求，内筒与与外柱间横横梁截面尺尺寸受到限限制，横梁梁的抗弯刚刚度较小，，特别是扁扁梁或平板板结构对内内筒在水平平荷载作用用下因弯曲曲变形而发发生的横截截面倾斜转转动，基本本上不能起起制约作用用。除框架架与内筒形形成的并联联体对内筒筒的侧移起起一定的约约束作用外外，框架柱柱并不能对对内筒的竖竖向拉、压压变形产生生影响，框框架柱也不不会因内筒筒弯曲而产产生轴向变变形。内筒基本上上像顶端自自由的伸臂臂杆一样，，受荷弯曲曲后，各个个横截面依依旧可以自自由产生转转动，内筒筒各截面所所承担的弯弯矩(图14-14a)。二、伸臂结结构形式和和连接加强层采用用的水平伸臂构件一般可归纳纳为实体梁(或整层或跨跨若干层高高的箱形梁梁)、斜腹杆桁架架和空腹桁架三种基本形形式(图14-15)。通常伸臂构构件高度都取一层楼高需要刚度更更大时，也也可设置两两层楼高的的伸臂构件件。桁架和空腹腹桁架有较较大的抗弯弯刚度，杆杆件截面小小，特别是是利于避免免上、下柱柱端出铰，，是伸臂的的常用形式式。伸臂所在的的楼层无论论是设备层层，还是避避难层，都都要布置通通道，也就就是在伸臂臂杆件中要要允许开洞洞。如采用用实腹梁，，则必须开开较大的洞洞口，而桁桁架和空腹腹桁架便于于设置通道道。但钢筋筋混凝土桁桁架和空腹腹桁架的模模板制作和和浇筑混凝凝土都比较较困难，因因此混凝土结构构中经常采采用钢桁架架作伸臂，既可减小小重量，又又可工厂制制作后现场场拼装，自自然形成通通道，是一种较为理理想的伸臂臂结构形式式。（a）梁(箱形梁)（b）斜腹杆桁架架（c）空腹杆桁架架图14-15加强层水平平外伸构件件如果伸臂在在安置后立立即与竖向向构件完全全连接，则则由于施工工过程中外外柱和内筒筒的竖向压压缩变形不不同，竖向向变形差会会使伸臂产产生初始应应力，这对对伸臂构件件后期受力力是很不利利的，为了减小这这种初始应应力，可将将伸臂的一一端与竖向向构件不完完全固定（（临时固定定或做椭圆圆孔连接）），在整个个结构施工工完成后，，大部分在在自重下的的竖向变形形已基本稳稳定时，再再将连接点点完全固定定。三、环向构构件加强层采用用的周边水水平环向构构件一般可可归纳为开孔梁、斜腹杆桁架架和空腹桁架三种基本形形式(图14-17)。考虑到建筑筑外围需要要有窗洞采采光，此外外加强层常常常与设备备层、避难难层结合在在一起，更更需要对外外开敞以便便遇到意外外灾难时的的救援。因因此环向构件很很少采用实实腹梁，多多数情况下下采用斜杆杆桁架、空空腹桁架。。（a）梁(开孔)（b）斜腹桁桁架架（c）空腹桁桁架架图14-17加强层周边边水平环带带构件环向构件是指沿结构构周圈布置置一层（或或二层）楼楼高的桁架架，其作用用：环向构件相相当于在结结构上加了了一道“箍箍”，可加加强结构外外圈各竖向向构件的联联系，加强强结构的整整体性。由于它们的的刚度很大大，也可协协调周圈各各竖向构件件的变形，，减小竖向向变形差，，使竖向构构件受力均均匀。在框框架-核心筒结构构中，环向向桁架可加加强深梁的的作用，可可减少剪力力滞后。也也可以加强强外圈柱子子的联系，，减小稀柱柱之间的剪剪力滞后并并增大翼缘缘框架柱的的轴向力，，从而减少少侧移，但但其作用不不如设置伸伸臂时直接接。在框架-核心筒-伸臂结构中中，环向桁桁架的作用用是使相邻邻框架柱轴轴力均匀化化。通常伸伸臂只和一一根柱子相相连接，环环向桁架将将伸臂产生生的轴力分分散在其他他柱子，使使较多的柱柱子共同承承受轴力，，因此环向桁架常常常和伸臂臂结合使用用。环梁本身身对减小侧侧移也有一一定作用，，设置环向向桁架后可可以减小伸伸臂的刚度度，环向桁桁架与伸臂臂结合有利利于减小框框架柱和内内筒的内力力突变。四、腰桁架架和帽桁架架由于在重力力荷载下的的轴向应力力不同，或或由于温度度差别、徐徐变差别等等，常常导导致内筒和和外柱的竖竖向变形不不同，竖向向变形差异异随着结构构高度加大大而累积增增大，在较较高的高层层建筑中不不容忽视。。内、外构件件竖向变形形差使楼盖盖大梁产生生变形和相相应的内力力（见图14-18），如果变变形引起的的内力较大大，会减小小它们承受受使用荷载载和抵抗地地震作用的的能力，甚甚至较早出出现裂缝。。在内筒和和外柱之间间的刚度很很大的桁架架（或大梁梁），可以以缩小上述述各种因素素引起的内内外竖向变变形差，从从而减小楼楼盖大梁的的变形。一般在高层层建筑高度度较大时，，就需要设设置腰桁架架和帽桁架架，限制内内外竖向变变形差。如如果仅仅考考虑减少重重力荷载、、温度、徐徐变产生的的竖向变形形差，在30～40层的结构中中，一般在在顶层设置置一道桁架架效果最为为明显，称称其为帽桁架。当结构构高度很很大时，，也可同同时在中中间，某某层设置置，其称称为腰桁架。（a）内外柱变变位差引引起弯矩矩（b）屋顶设帽帽桁架图14-18竖向变形形差异引引起楼盖盖大梁内内力二、加强强层的位位置和数数量一个加强层时的计算简图

均布荷载下，一个加强层的优化位置（i=10，p=从上向下依此为10、4、1、0）两个加强层的计算简图三、带加加强层高高层建筑筑结构设设计一、带加加强层高高层建筑筑结构设设计原则则带加强层层高层建建筑结构构属于结结构刚度度沿竖向向发生突突变的结结构，在在重力、、水平荷荷载作用用下加强强层及其其相邻层层内力变变化较大大，应力力集中，，地震响响应复杂杂，地震震区采用用时需采采取专门门有效措措施，9度抗震设设防地区区不应采采用。（一）带带加强层层高层建建筑结构构内力位位移分析析方法带加强层层高层建建筑结构构应按实实际结构构的构成成采用空空间协同同的方法法分析计计算。尤尤其应注注意对重重力荷载载作用进进行准确确的符合合实际情情况的整体三维维施工模模拟计算算。抗震设设计时，，需进行行弹性时时程分析析补充计计算和弹弹塑性时时程分析析的计算算校核。。同时还还应注意意计入温温差、混混凝土徐徐变、收收缩等非非荷载效效应影响响。加强层内内布置桁桁架或实实体梁等等水平伸伸臂构件件，有时时还在加加强层楼楼层周边边布置环环带构件件。这些些构件由由杆件组组成，所所以加强强层可以以在整体体空间分分析时一一并参与与计算。。桁架伸臂臂构件可可以直接接参与三三维空间间分析。。采用杆杆件-薄壁杆件件空间分分析程序序时，上上、下弦弦杆作为为楼面梁梁、竖向向腹杆作作为柱、、斜腹杆杆作为斜斜柱处理理。结构构内力和和位移计计算中，，设置水水平伸臂臂桁架的的楼层宜宜考虑楼楼板平面面内的变变形。如果实体体梁高度度小于层层高时，，实体梁梁可视为为一般楼楼面梁直直接参与与计算。。当实体梁梁高度等等于层高高（图14-26）时，将将其位置置定在实实体梁的的上层楼楼面，截截面按实实际尺寸寸输入，，再在实实体梁的的下层楼楼面增补补刚度很很小的““虚梁””来降低低柱子的的层高。。两层楼楼面的全全部荷载载均由实实体梁承承担，““虚梁””楼面荷荷载可设设为零。。但须注意意：当采用假假定楼板板刚度为为无限刚刚性时，，由于楼楼板不能能变形，，伸臂桁桁架的上上、下弦弦没有伸伸长或缩缩短，不不能得到到弦杆、、腹杆的的正确内内力。在在带加强强层高层层建筑结结构整体体结构分分析后，，尚应取取整体分分析中的的变形作作为边界界条件及及竖向荷荷载，对对加强层层进行局局部分析析。图14-26伸臂实体体梁为一一层高时时计算简简图（二）加加强层的的刚度选选择和结结构布置置1、在地震震作用下下，框架架—核心筒结结构宜采采用“适宜刚度度”的加强强层框架-核心筒结结构在地地震作用用下，若若结构整整体刚度度不能满满足设计计要求时时，提高高结构整整体刚度度的途径径有：采用刚度度很大的的“刚性性”加强强层（从概念念上强调调“刚性性”加强强层增强强整体结结构刚度度，往往往还希望望使整体体刚度越越大越感感觉安全全，其结结果反而而还使结结构刚度度突变，，内力剧剧增，在在罕遇地地震作用用下结构构在加强强层附近近容易形形成薄弱弱层而破破坏）在调整增增强原结结构刚度度的基础础上，设设置“适适宜刚度度”加强强层（从概念念上强调调尽可能能调整增增强原结结构的刚刚度，采采用“适适宜刚度度”加强强层只是是弥补整整体刚度度之不足足，而且且只希望望结构整整体刚度度满足规规范的最最低要求求，以减减少非结结构构件件的破损损。）采用“有有限刚度度”加强强层其目目的是尽尽量减少少结构刚刚度突变变和内力力的剧增增，仍希希望结构构在罕遇遇地震作作用下还还能呈现现“强柱柱弱梁””、“强强剪弱弯弯”的延延性屈服服机制，，避免结结构在加加强层附附近形成成薄弱层层）图14-27水平伸臂臂构件刚刚度变化化的影响响加强层宜利用用建筑避难层层、设备层空空间。加强层层内水平伸臂臂构件宜布置置在核心筒墙墙与外围框架架柱之间，这这种布置方式式要比沿加强强层外围柱设设置周边环带带构件对减少少结构整体位位移利一些。。如水平伸臂臂构件与周边边环带构件同同时布置，则则对减小结构构整体位移的的作用不明显显，但可使水水平伸臂构件件所受剪力和和弯矩减小，，加强层上、、下楼板的翘翘曲影响将减减少。加强层采用的的水平伸臂构构件、周边环环带构件宜采采用桁架形式式，可通过调调整桁架腹杆杆的刚度，使使加强层既能能适当弥补结结构整体刚度度的不足，又又能尽量减少少结构的内力力突变。在罕罕遇地震作用用下，宜使加加强层桁架腹腹杆先屈服破破坏，避免加加强层附近的的外围框架柱柱和核心筒墙墙肢发生破坏坏。加强层若若采用实体梁梁，仅可通过过改变梁的厚厚度以调整加加强层的刚度度，其调整幅幅度比较少，，且实体梁很很难做到“强强剪弱弯”二、带加强层层高层建筑结结构适用高度度带加强层框架架-核心筒结构体体系的最大适适用高度同框框架-核心筒结构体体系，其适用用高度应符合合表14-1的规定。三、带加强层层高层建筑结结构抗震等级级加强层区间的的框架柱、核核心筒是带加加强层高层建建筑结构的关关键构件，应应确保加强层层区间框架柱柱、核心筒的的安全，《高层建筑混凝凝土结构技术术规程》（JGJ3-2001）规定：加强层及其相相邻的框架梁梁、柱和核心心筒剪力墙的的抗震等级应应提高一级采采用，一级提提高至特一级级，若原抗震震等级为特一一级则不再提提高。带加强层高层层建筑结构抗抗震设计，应应根据设防烈烈度、构件种种类和房屋高高度按表14-2采用相应的抗抗震等级，进进行相应的计计算并采取相相应的构造措措施。三、带加强层层高层建筑结结构构件的设设计要求1、加强层水平平外伸构件当实体梁（或或整层或跨若若干层高的箱箱形梁）作为为加强层水平平外伸构件时时，一般宜满满层设置，利利用加强层楼楼板作为有效效翼缘，以有有效提高其抗抗弯刚度，其其设计要求同同其用作转换换结构时的要要求。实体梁腹板截截面厚度不宜宜小于300mm，且宜由其剪压压比控制计算算确定，其适适宜值如表14-3。箱形梁抗弯刚刚度应计入相相连层楼板作作用，楼板有有效翼缘宽度度为:12hi；(中梁)，6hi(边梁),hi为箱形梁上下下翼缘相连楼楼板厚度，不不宜小于150mm。当采用斜腹杆杆桁架、空腹腹桁架作为加加强层外伸构构件时，其设设计要求同其其用作相应转转换结构时的的要求。2、加强层区间间核心筒体加强层区间的的核心筒是带带加强层高层层建筑结构的的关键构件，，分析表明，，在带加强层层的框架-核心筒结构中中，核心筒墙墙肢弯矩和剪剪力在加强层层的上、下几几层大幅度的的增大。因此此，为确保加加强层区间核核心筒的安全全，加强层区区间核心筒应应提高一级抗抗震