带加强层高层建筑结构设计综述

周 超

（贵州大学土木建筑工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 研究背景

高层建筑以空间利用率高、占地面积小、可缓解土地紧张和住房困难等优点，得以迅速发展。但是不可忽视的是，随着楼层高度的增加，相应的水平作用的影响也在加大，侧向位移也在迅速增加，如何使高层建筑的侧向位移符合规范的要求，成为结构师们迫切需要解决的重要课题。设置加强层对框架—核心筒结构来说是一种既可以减小结构侧移又可以提高结构抗侧刚度的有效方法。

2 加强层布置原则

加强层一般是在结构当中的一层或几层设置，通常是利用结构的设备层或者避难层设置刚度较大的伸臂构件联系核心筒和外围框架柱，也可在外围框架设置周边环向构件以加强联系，使之均匀受力。加强层包括伸臂、环向构件、腰桁架和帽桁架等加强构件，这些构件的功能各不相同，不一定需要同时设置，但如果设置，它们通常被布置在同一层，凡是具有三者之一时，都可简称为加强层或刚性层。

3 从力学角度分析加强层

在水平荷载的作用下，框架—核心筒结构的核心筒和外围框架共同承担水平剪力。基于框架的抗侧刚度是远小于核心筒的，这就决定了主要是由核心筒承担水平方向的剪力。由水平方向荷载产生的弯矩通过下面3种力矩可以达到平衡：①外围框架柱的弯矩，②核心筒的弯矩，③外围框架柱通过轴向拉压力形成的整体力偶矩。如果不设置加强层，整体力偶矩的大小在整体弯曲效应的影响下会由核心筒与外围框架间联系梁及框架间裙梁的刚度决定。但是，如果设置水平加强层的话，结果就会完全不同。在加强层的作用下，可以使结构的内力重新分配，使核心筒、框架柱以及梁的内力大小及方向朝着减小结构位移的方向发生变化。加强层通过伸臂和周边环向构件使外围框架柱参与整体抗弯，由于伸臂自身的刚度就非常大，在结构发生侧向位移时，外围框架柱就会产生拉伸或者压缩，因为框架柱的轴向刚度大、变形大，所以会承受很大的轴向力。因此，加强层的设置会使加强层下面的外围框架柱产生很大的轴向拉压应力，外围框架柱就会产生一个很大的力偶矩，而这个力偶矩的方向正好与倾覆力矩的方向相反，加强层就会在核心筒上产生一个反方向的约束弯矩，核心筒的弯矩图就会发生改变，使核心筒的弯矩减小，核心筒反弯的同时也就减小了侧向位移。通过加强层竖向剪力得以有效地从剪力墙向外围框架柱传递，可以有效地把核心筒和外围框架柱连成一个整体的抗弯构件，使外围框架柱与核心筒按近似于平截面假定的方式共同工作，这样结构的抗侧刚度和抗倾覆能力自然就大大提高了，结构的侧移也就随之得到有效减小。

4 加强层带来的问题及相关措施

设置加强层虽然在减小侧向位移方面有很好效果，但是在地震区，它会引起结构刚度和内力的突变。如果没有有效的措施，还可能导致结构薄弱层的产生，导致“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制难以呈现。因此在地震区是否设置加强层应持慎重态度，如需设置应同时采取有效的措施以减小其所引起的不利方面。

加强层的刚度较其他层要大很多，因此在某一层中设置加强层势必会使这层和上下几层的刚度差距非常大，必然会引起这层的内力突变非常严重。采用“变刚度”设置加强层的方法可以有效地降低结构内力的突变，它是在加强层的上下几层内设置刚度逐步减小的伸臂或环向桁架，这样加强层的设置就不至于很突兀，内力突变将明显减小。相关研究表明，在加强层处层间位移角突变值采用变刚度加强层可以减小到等刚度加强层的80%，柱子的剪力可以减小到60%，证明这样做效果还是很好的。

在地震的作用下，也可以采用“有限刚度”设置加强层，使高层建筑满足规范对整体刚度的最低要求，不造成因设置加强层而使整体刚度过大，减小了结构破坏的可能性。“有限刚度”加强层通过设置多道刚度尽量小的加强层，避免结构刚度和内力突变的发生，避免薄弱层的形成，希望“强柱弱梁”“强剪弱弯”的延性屈服机制在遭遇罕见地震时还能呈现出来。

在外围框架设置周边环向构件也可以提高结构的整体抗侧刚度，只是提高的幅度较设置水平伸臂低，但是所引起的内力突变也比设置水平伸臂要小，属于“有限刚度”设置加强层的一种方法。可以在几层设置，也可以隔几层设置，最极限的情况是每层都设置周边环向构件，这种情况就类似于筒中筒结构了。通过一个6度区209m的框架核心筒作对比分析，原模型顶点位移324 mm，在0.6H处设置一道周边环向构件后，顶点位移为272 mm，沿全长等高设置四道周边环向构件后，顶点位移降为225 mm，位移的减小效果还是很明显的。因此可以认为，在位移值没有超出规范要求的情况下，通过设置周边环向构件来满足规范的要求也是一个很好的措施。

5 结束语

如果能把建筑看成是一棵竹子的话，那么加强层就像是当中的一个个竹节。设置加强层能有效地提高结构的抗侧刚度，达到使结构顶点位移减小的效果，同时又无法避免地会造成结构刚度的突变，导致内力在加强层附近急剧地增长，产生结构的薄弱层。因此在中等或强震地区，对设置刚性加强层要持慎重态度。如果必须通过设置加强层来达到规范要求的话，可采用“变刚度”或者“有限刚度”的方法来设置加强层。

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