超高层建筑伸臂加强层结构设计相关问题研究

王小倩 姚瑞

摘要：超高层建筑伸臂加强层结构设计是建筑工程关键所在，设置加强层可有效提高结构抗侧刚度，伸臂桁架的设置位置及刚度大小应进行综合考虑。论文依据 5#塔楼进行伸臂桁架的设置位置及刚度大小分析研究。

关键词：超高层建筑;伸臂加强层;结构设计

引言：

在我国城市土地资源紧缺问题日益严峻的背景下，城市中的建筑正越 来越趋向于超高层建筑。超高层建筑将绝大部分建筑空间扩展到了上层，能够大大节省土地资源，但与此同时，也带来了一些设计方面的问题。其 中，超高层建筑伸臂加强层结构的设计问题是一项重难点，所以有必要针 对该问题展开深入研究，以促进超高层建筑的发展。

1 工程概况

xxx 中心 5#塔楼地上总建筑面积约 10.6 万 m2，结构高度 249.95m，幕 墙高度 266.6m。地下 3 层，地上 67 层，大屋面以上含 3 层屋架层，共设置 5 个避难层，中低区功能布局为办公公寓，标准层层高为 3.6m;高层区功 能布局为酒店，标准层层高为 3.4m。建筑平面呈长方形，X 向的长度为 49.55m，Y 向长度为 30.5m，结构 Y 向高宽比为 8.2，核心筒 Y 向高宽比为 23.6。采用钢筋混凝土框架-核心筒+伸臂桁架结构体系。框架柱从底层 1800 ×2400（型钢混凝土柱）逐渐收进至顶层 800×800（钢筋混凝土柱），型钢 混凝土柱延伸至 37 层;底部框架柱混凝土采用 C70，轴压比不大于 0.64。核心筒厚度：X 向 1.2～0.4m，Y 向 1.0～0.3m，核心筒角部设置型钢，混凝 土采用 C60，轴压比不大于 0.45，各种型钢钢材均为 Q355B。

本工程设防类别为乙类，结构设计基准期和设计使用年限均为 50 年。抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，场地类别为Ⅱ类。

2 针对大高宽比设计措施

针对本项目高宽比较大的特点，对比了有无加强层方案，对结构的刚 重比、剪重比、层间位移角、剪力墙名义拉应力等主要参数及结构的抗倾 覆能力进行了细致的分析。

2.1 方案比选

由于建筑布置造成该结构两个主轴方向动力性能差异较大，结构高宽 比 X 向为 5.04，Y 向为 8.2，核心筒高宽比 X 向为 8.14，Y 向为 23.6，Y 向 刚度相对较弱;故在不影响建筑功能的前提下，设计时尽可能地增加了 Y 向剪力墙截面及 Y 向框架梁截面尺寸，且提高了框架柱 Y 向刚度。但结构 在不设置伸臂加强层时，Y 向刚重比依然不满足要求，大震层间位移角接 近规范限值，且周期偏大。为进一步提高结构刚度及稳定性，在中部避难 层设置一道伸臂桁架加强层，加强层设置后，不仅结构刚度有较大提高，各参数也满足有关要求，底部核心筒拉应力显著减小。

2.2 加强层设置

当设置一道加强层时，一般认为居中略偏高设置较为有利。针对伸臂 桁架设置在不同避难层位置进行了效率分析，通过主要参数对比发现，在 结构避难层设置了 4 榀伸臂桁架后，结构的刚度、整体稳定性最好。5V 字 形伸臂桁架立面布置为兼备效率及建筑功能，伸臂形式采用 V 字形，并贯 通剪力墙。由于外框架伸臂之间的环带会桁架影响设备房间布置，同时为 避免结构在 X，Y 向的刚度差别太大，外框架伸臂之间不设置环带桁架，而设置大型钢混凝土梁，截面为 600×1000，内含型钢 H600×200×35×35 （Q355B），来协调外框架柱之间的受力及变形。伸臂桁架腹杆截面需满足 下列要求：1） 提供足够的侧向刚度协调框架及核心筒变形，使得刚重比等 控制参数满足规范要求;2）伸臂桁架承载力满足中震不屈服;3）避免加 强层刚度过大导致加强层下层薄弱层或软弱层出现;4）与伸臂相连剪力墙 不超过中度损伤。由可知，伸臂桁架截面太大时，刚度突变较大会导致加 强层下层形成薄弱层，伸臂桁架伸入剪力墙可缓解剪力墙损伤。对比常规 结构与设置两道伸臂加强层时的周期、顶点位移、层间位移角和结构底部 筒体倾覆力矩可知效果较明显。

采用ABAQUS建立三维模型对一榀贯通剪力墙的伸臂桁架进行有限元分 析，与该榀伸臂桁架相连的周边构件的内力同时作用在模型上，伸臂桁架核 心筒外斜腹杆型钢截面为 H500×500×60×70，伸入剪力墙的斜腹杆型钢截 面为 H500×400×40×40，钢材均为 Q355B，该剪力墙水平配筋率为 0.8%。

结果表明，罕遇地震下，伸臂桁架整个型钢最大应力为 307.1MPa，柱 纵筋最大应力为 284.8MPa，型钢混凝土梁纵筋最大應力为 264.3MPa，核心 筒内钢筋最大应力为 260.7MPa，均小于钢筋屈服应力。罕遇地震下，与伸 臂桁架相连的剪力墙混凝土局部区域出现受压损伤，最大损伤因子约为 0.31，面积约 20%，属于中度损伤。

2.3 抗倾覆验算

根据大高宽比项目特点，重点对水平荷载下刚度较弱的 Y 向结构倾覆 进行验算，通过对伸臂桁架所处位置及伸臂桁架高度不同的分析，可知随 着高度的增加无论是 X 方向还是 Y 方向倾覆力矩均是增加的，而倾覆力矩 减小量百分比逐步减小。从而可得，小、中震下结构抗力均大于效应，未 出现零应力区，满足规范要求。结构在 Y 向大震等效弹性方法计算下，底 部出现零应力区，占比约为 5.15%，小于 25%，说明大震下结构不会发生 倾覆。

2.4 整体稳定性验算

采用 MIDASGen 进行结构的整体弹性屈曲分析。结果表明第一屈曲模 态为 Y 向平动，屈曲系数为 12.1，第二屈曲模态为 X 向平动，屈曲系数为 12.57，均大于 10，说明结构整体稳定性满足要求。

3 针对斜柱设计措施

由于建筑造型要求，高层立面局部收进，故在错层结构位置通过 2 层 斜柱转换。3 根斜柱分别位于西北角、东北角、西南角，其中 X，Y 向的倾 斜角度为 6°。针对重力荷载下斜柱间框梁，对比了斜柱与核心筒之间是 否设置拉梁及是否考虑楼，考虑楼板作用后，斜柱间框梁拉力显著减小;而斜柱与核心筒之间设置拉梁（截面 600×700）后，随着拉梁刚度增大，拉梁拉力增加，而斜柱间框梁拉力减小。为不影响建筑净高，在斜柱与核 心筒的楼板之间设置暗梁，其高度同板厚为 150mm，宽度为 1000mm，暗 梁配筋率不小于 2%，按抗震钢筋锚固。与斜柱相连所有框架梁按不考虑楼 板作用进行承载力复核。

斜柱采用型钢柱，与斜柱起始层相连的框架拉梁采用型钢梁;同时加 厚斜柱附近楼板，加强配筋，楼板厚度不小于 150mm，配筋双层双向通长 布置、间距不大于 150mm 且配筋率不少于 0.3%;斜柱及其上下端樓层相 邻核心筒剪力墙抗震等级提高为特一级，且设置约束边缘构件。

4 超高层建筑设置两道或以上伸臂加强层结构的最佳位置

当超高层建筑设置一道伸臂加强层结构无法有效满足实际需求时，可 设置两道或以上伸臂加强层结构。对该项目来说，若为两道伸臂加强层结 构，则第一道的设置位置可选择在 41 层（0.54H），第二道经计算分析后 可选择在 53 层（0.66H）。若为两道以上伸臂加强层结构，以三道为例，则经计算分析后可选择两种方案：①方案（最优的层间位移角控制方案） 为 29 层（0.37H） +41 层（0.54H） +65 层（0.88H）;②方案（最优的 底部筒体倾覆力矩控制方案） 为 17 层（0.24H） +41 层（0.54H） +65 层 （0.88H）。

5 超高层建筑顶部设置伸臂加强层结构的可行性分析

目前业内普遍不建议在超高层建筑顶部设置伸臂加强层结构，对该项 目来说，在顶部设置伸臂加强层结构达不到最优效果。相关建筑设计规范 中也表明，建筑顶部不是第二、三道伸臂加强层结构的最好位置选择。因 此，在选择伸臂加强层结构的设置位置时，尽量不要选择在建筑顶部。

结论：

综上所述，观我国现阶段的建筑业发展情况来看，无论是建筑高度还 是建筑规模都在与日俱增，而随着一栋栋“摩天大楼”的拔地而起，对其 设计也提出了更高的要求。在超高层建筑设计中，伸臂加强层结构设计是 一项重难点问题，特别是超高层建筑伸臂加强层结构设置位置的选择十分 关键，必须要保证伸臂加强层结构设计满足建筑的使用功能需求且符合相 关结构控制目标，同时还要确保伸臂桁架构件尺寸合理，可承受适当作用 力，方便施工作业。

参考文献：

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