论城市建设中带加强层在高层结构中的应用
关键词：结构设计，带加强层，实例分析
在建筑行业中，研究带加强层复杂高层建筑在水平作用(风或地震作用)下的受力特点，提高结构的抗侧刚度和抗水平推力的能力，以及减少结构构件断面、提高建筑的有效使用面积，成为带加强层复杂高层建筑结构设计中迫切需要解决的重要课题。
1带加强层高层建筑结构研究的意义
高层建筑框架一核心筒结构当抗侧力结构不能满足设计要求时，常考虑利用建筑设备层和避难层，布置结构加强层，即在该楼层的核心筒与外围框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件或同时沿该层的外围框架设置刚度较大的周边环带。
加强层的结构类型，按加强层水平外伸构件区分，一般可归纳为如下三种基本形式，实体梁(或整层箱形梁)、斜腹杆桁架和空腹桁架。加强层周边水平环带构件一般可归纳为开孔梁、斜腹杆桁架和空腹桁架三种基本形式。
在高层框架一核心筒或巨型外框一内筒结构中，有时需要布置一个或若干个加强层，以提高结构整体侧向刚度，使其满足设计要求。带加强层结构体系对抗风是十分有效的但是在加强层及其附近楼层，结构的刚度和内力发生突变，对抗震不利。在确定加强层结构方案时，需要重点研究加强层的数量、设置位置、伸臂结构形式和刚度以及周边带状桁架的设置等问题。
设置加强层的高层建筑，经过适当的设计可以做到安全适用、技术先进、经济合理和方便施工，符合国家技术经济政策的要求。如上海的金陵联合办公大楼(37层，140m高)在2O层和35层设置加强层后，与不设置加强层相比节省混凝土600m3，减轻自重15000kN，节省大量投资。针对现代高层建筑的功能、美学要求和结构设计、施工的难易程度，在框一筒结构中将加强层同转换层、避难层和设备层结合起来，优化结构设计，具有重大的实用价值和技术经济意义。
2带加强层高层建筑结构的受力特点
带水平伸臂的高层建筑，由一个钢筋混土简体或带支撑的钢框架筒，通过刚性的水平伸臂与外柱连接构成。简体可以位于两个柱列之间且伸臂向两边伸出，也可以位于建筑物的一侧而悬臂向一边伸出与柱相互连接。
当水平荷载作用于结构上时，由伸臂约束的柱将阻止简体的转动，因而使简体的水平位移和弯矩比只有单独简体受水平作用时小。其结果相当于增加了结构作为一个竖向悬臂构件受弯时的截面高度，并相应减小了迎风面和背风面其它柱子(非伸臂约束的柱)的拉力和压力。
除了位于伸臂端部的柱子以外，通常还要布置其他周边柱来帮助约束伸臂，这可以通过在伸臂高度处设置一条像带子一样的深裙梁来实现。为了使伸臂和深裙梁在抗剪和抗弯时有足够的刚度，通常将它们做成至少一层、一般为两层高。为了减少因其引起的使用不便，通常将其布置在设备层。
一个结构有时通过在顶部设一臂层而有效的增加自身刚度，对这种情况，也叫做“顶帽”结构。每增加一个伸臂层都会增加结构的侧向刚度，但所增加的量是递减的。在很高的高层建筑，有时会用到四个伸臂层。
尽管伸臂体系在增加结构抗侧刚度方面非常有效，但它不会增加结构的抗剪能力，剪力必须主要由简体部分承担。
3带加强层高层建筑结构设计中存在的问题
目前在加强层设计中主要存在以下问题：
(1)设计人员对加强层的组成概念模糊，对加强层提高结构抗侧刚度的作用认识不足。设计中当高层建筑结构的层间侧移不能满足《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3—20029(以下简称《高规》)的要求时，常以设置周边环带来代替加强层，但仅有周边环带是起不到加强层的作用的。
(2)国内高层建筑多为钢筋混凝土结构，为了满足施工方便，在加强层设计中伸臂多采用混凝土实腹大梁。而用混凝土实腹大梁作为加强层的伸臂，会出现“强梁弱柱”，对抗震十分不利。
(3)对加强层的设置位置和设置数量还研究得不透。加强层设置在高层建筑的什么位置?一共设置几道才合理?《高规》对带加强层的高层建筑只是在结构布置和构造措施上相对简单的进行了原则性的规定，应用于具体的实际工程时存在指导性和约束性不强的问题。
4带加强层高层建筑结构设计实例分析
(1)工程介绍
某办公大楼地面以上共48层，建筑高度215m，建筑面积约8．3万m(见图一)。抗震设防烈度为7。，设计地震分组为第一组，设计基本加速度0．15g，II类场地，特征周期0．35s，结构阻尼比0．04，建筑物抗震设防分类为丙类。基本风压值取W。=O．95kN／m(n=100)。结构采用钢管混凝土一钢梁一混凝土核心筒体系，在②～⑤轴间布置伸臂桁架加强层，楼面采用组合楼板。外围框架梁与柱刚接，内部径向框架梁与墙铰接、与柱刚接，伸臂桁架与墙刚接、与柱铰接。
(2)计算分析
算例分析采用中国建筑科学研究院开发的SATWE(2005．04版)。该工程平面和立面规则。SATWE能够客观、准确、可靠的反映结构的抗震受力特征。
由于受建筑平、立面的限制，结构两个方向刚度相差较大，Y向相对较弱。通过计算可知，x向主要由地震工况控制，Y向主要由风荷载工况控制，而结构在Y向风荷载作用下的层间位移和顶点位移都远大于x向风荷载及两向地震作用下的层间位移和顶点位移。本工程当没有设置加强层时，Y向风荷载作用下的层间位移和顶点位移大大超出《高规》的限值，因此，算例不考虑未设加强层的结构方案，而主要探讨如何充分利用设置加强层来加强Y向刚度以减小该方向风荷载作用下的层间位移。
在Y向分别设置一道、两道、三道加强层，同时改变加强层的设置位置、设置数量和加强层的刚度得到七个结构方案。（见表1）利用这七个不同的加强层设置方案模型，分析其在风荷载和地震作用下的力学特性，得到结构设计控制性指标——弹性层间最大位移角。（见表2）
比较方案一、三，采用一道较大刚度伸臂桁架比采用两道较小刚度伸臂桁架，在Y向风荷载和地震作用下弹性层间最大位移角更小。比较方案六、七，伸臂设置数量与位置相同，伸臂刚度不同，伸臂刚度较大时弹性层间位移角明显更小。
当结构层间位移角不能满足《高规》要求时，合理确定加强层伸臂的刚度在加强层的设计中起到决定性的作用。加强层伸臂必须具有足够的刚度才能达到有效减小结构层间位移角的目的。
比较方案一、二、六，伸臂桁架刚度相同，分别设置一、二、三道加强层，在Y向风荷载和地震作用下弹性层间最大位移角递减明显，当弹性层间最大位移角不能满足‘高规》要求时，增加加强层的数量是一个非常直接有效的途径。
比较方案二、四、五，伸臂刚度、设置数量相同，设置位置不同，其减少弹性层间位移角的效果相差较大，加强层的合理设置位置应根据实际情况经分析后确定。
5带加强层高层建筑结构的设计建议
针对加强层设计中出现的一些问题，结合以上分析提出以下建议：
(1)明确加强层的组成。加强层就是在高层建筑的适当楼层设置的适宜刚度的水平伸臂构件。必要时，也可设置周边水平环带构件。伸臂是加强层中必定具有的组成部分，而环带是在设计中觉得有必要时才设置的，也是加强层的组成部分。仅仅有环带是不能称为加强层的。
(2)根据本文算例和国内外大量关于加强层的参考文献“可以看出设置水平加强层能够非常有效地减少高层框一剪(筒)结构的侧移，设置水平加强层后引起了结构内力重新分布，充分利用了外侧框架柱的抗压(拉)刚度，使高层框一剪(筒)结构的整体抗弯曲效应大大增强。当高层结构中层间位移角达不到《高规》的要求时，可通过合理设置加强层来实现结构设计中的安全经济合理。
(3)加强层伸臂和环带推荐采用钢桁架和钢筋混凝土桁架。由于桁架杆件的刚度与柱刚度处于同一数量级，更接近满足“强柱弱梁”的抗震设计要求。采用桁架式加强层，它在基本保持结构抗侧刚度的同时，极大的减小了内力分布的不均匀程度。
(4)《高规》推荐加强层设置位置，未充分考虑加强层设置的各种影响因素如核心筒刚度与外柱刚度之比、核心筒线刚度与伸臂线刚度之比和高层结构沿高度截面的变化。设计中应针对不同抗震设防标准和结构实际特点采用不同的加强层刚度和设置位置。
(5)根据建筑的抗震设防标准，当建筑物抗震设防标准较高时，可采用多道刚度较小(有限刚度)的加强层，并同时增加核心筒的刚度，有限刚度加强层用来弥补建筑物整体刚度的不足，减少刚度突变和内力剧增，避免结构在加强层附近形成薄弱层。对抗震设防标准较低地区可采用刚度较大的伸臂和使建筑物顶部侧移最小的伸臂设置位置及其邻近位置。
