摘要：隨著高層建筑的快速發(fā)展，帶剛性加強(qiáng)層的高層建筑越來(lái)越多。本文首先介紹了剛臂的形式、種類和構(gòu)成，然后詳細(xì)介紹了帶剛性加強(qiáng)層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：剛性加強(qiáng)層；高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑中，當(dāng)筒體稀柱框架結(jié)構(gòu)高寬比較大（＞6）、筒體高寬比較大時(shí)（＞12），常在設(shè)備層、避難層設(shè)置整層高的剛度較大的從核心筒體外伸的斜腹桿衍架、直腹桿空腹析架、實(shí)體梁等，簡(jiǎn)稱剛臂，將核心筒體和周邊框架柱連接起來(lái)，以進(jìn)一步發(fā)揮周邊框架柱的軸向剛度作用，吸收更多的水平荷載，產(chǎn)生的傾覆彎矩，從而達(dá)到進(jìn)一步有效提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，以既滿足建筑平畫(huà)功能的要求，又能滿足結(jié)構(gòu)的位移、強(qiáng)度、穩(wěn)定、延性的要求。這時(shí)設(shè)備層的避難層同時(shí)又成為結(jié)構(gòu)的剛性加強(qiáng)層，整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)稱作帶剛性加強(qiáng)層的高層建筑結(jié)構(gòu)。

1 剛臂的形式、種類和構(gòu)成

剛臂按其材料劃分，可分為鋼，鋼混凝土組合，鋼筋混凝土三類。鋼結(jié)構(gòu)的剛臂—般由斜腹桿桁架構(gòu)成宜與鋼結(jié)構(gòu)的核心筒鋼支撐或鋼框架以及周邊鋼框架枝鉸接相連。鋼混凝土組合的剛臂，型鋼外包混凝土組合時(shí)，宜與型鋼外包混凝土的核心筒、周邊框架柱剛按相連；鋼管內(nèi)填混凝土組合時(shí)，宜與鋼管內(nèi)填漢凝土混凝土的周邊框架住、核心筒鉸接相連。鋼筋混凝土的剛臂一般宜與鋼筋混凝土的核心筒、周邊框架性剛接相連。這主要是從材料、構(gòu)造的施工方便可行性考慮的。剛臂按其組成形式來(lái)看，可有斜腹桿鉸接、剛接桁架，直腹桿剛接空腹桁架、實(shí)體梁(開(kāi)洞或不開(kāi)洞)、鉸接交叉、K形、△形等支撐體系。剛臂的形式、種類、材料的選擇主要取決于主體結(jié)構(gòu)的材料、形式，建筑、設(shè)備的功能需要，剛臂結(jié)構(gòu)的受力、延性、剛度要求等。

2 剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的剛度匹配

剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的研究表明，剛臂、框架柱與筒體之間的剛度匹配極其重要。剛臂線剛度一般均小于筒體線剛度，研究表明，當(dāng)剛臂與筒體的線剛度之比β1=0.1～0.3時(shí)，隨著剛臂剛度增加，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度提高十分明顯，且在β10.3時(shí)達(dá)最大；當(dāng)β1＜0.1時(shí)剛臂過(guò)弱，作用極微；當(dāng)β1＞0.3后，整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增加不多?？蚣苤恼w抗側(cè)剛度一般取比較接近和大于筒體剛度，研究表明，當(dāng)框架柱整體抗側(cè)剛度與筒體剛度之比β2＜3時(shí)，隨著框架柱軸向剛度增加，整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增強(qiáng)效果十分顯著，當(dāng)β2＞3后，效果不明顯。

2、剛性加強(qiáng)層合理數(shù)量及其最佳位置

剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的研究表明，隨著剛性加強(qiáng)層數(shù)量的增加，整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增強(qiáng)，但

當(dāng)剛性加層數(shù)量超過(guò)6個(gè)時(shí)，其效果不很顯著。所以，一般而言，剛性加強(qiáng)層數(shù)量不宜超過(guò)6個(gè)。對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，一般每15～20層需設(shè)置一個(gè)消防避難層，若利用它兼作剛性加強(qiáng)層，很顯然對(duì)于100層左有的超高層建筑剛性加強(qiáng)層數(shù)量一般在4～5個(gè)左右，是可行的?？紤]到滿足建筑功能的要求，剛性加強(qiáng)層一般宜沿建筑物高度均勻分布設(shè)置，這樣的布置，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能一般是比較好的。當(dāng)結(jié)構(gòu)和筒體高寬比不是太大，只需要一個(gè)或二個(gè)剛性加強(qiáng)層即能滿足要求時(shí)，研究表明，一個(gè)剛性加強(qiáng)層時(shí)最佳位置在中部偏上0.6H左右，二個(gè)剛性加強(qiáng)層時(shí)，最佳位置可在頂層，中部0.5H左右，H為結(jié)構(gòu)總高；

3、剛管的合理構(gòu)成

剛臂的平面位置設(shè)置要注意宜與筒體的轉(zhuǎn)角節(jié)點(diǎn)、丁字節(jié)點(diǎn)相連．以充分發(fā)揮筒體和剛臂的作用，要避免剛臂與筒體的非轉(zhuǎn)角，丁字節(jié)點(diǎn)的墻體垂直相交連接，以避免剛臂支座節(jié)點(diǎn)處筒體局部墻身應(yīng)力過(guò)于集中，剛臂作用受到削弱。同時(shí)，剛臂的合理構(gòu)成要注意到，盡量避免和改善由于剛臂的設(shè)置帶來(lái)的剛性加強(qiáng)層本層及上下樓層框架桂的層間水平剪力及其彎矩的急劇增大、應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)——結(jié)構(gòu)薄弱層。

這是因?yàn)?，?dāng)整體結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)移變形時(shí)，剛臂與筒體、框架柱相連的節(jié)點(diǎn)將發(fā)生側(cè)移和轉(zhuǎn)角，當(dāng)剛臂與筒體、框架柱剛接時(shí)，由于剛臂的線剛度一般遠(yuǎn)大于框架柱的線剛度，剛臂將強(qiáng)迫框架柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到變形協(xié)調(diào)；而剛臂實(shí)際一般又是置身于一個(gè)層層具有樓蓋，樓面梁將筒體與框架柱連成整體的一個(gè)筒體稀柱框架結(jié)構(gòu)之中。剛性加強(qiáng)層的上下各層樓蓋與筒體相連又向時(shí)要約束框架柱各樓層節(jié)點(diǎn)的側(cè)移變形，從而使剛性加強(qiáng)層及其上下樓層的框架柱在水平荷載作用下產(chǎn)生較大的層間水平剪力和彎矩。分析研究表明，當(dāng)剛臂與筒體、框架柱剛接，而樓蓋與筒體、框架柱鉸接時(shí)，雖然此時(shí)剛臂的抗側(cè)效果最大，但相應(yīng)應(yīng)力集中最為尖銳。建議這種情況下，剛臂宜做成鉸接的斜腹桿衍架或支撐，以釋放此部分應(yīng)力集中；同時(shí)又仍能發(fā)揮剛臂的巨大作用。反之，當(dāng)筒體稀柱框架結(jié)構(gòu)的樓面梁層層剛接整個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有一定的剛度時(shí)．框架柱已經(jīng)承擔(dān)了相當(dāng)部分的整體傾覆彎矩，已經(jīng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)作出較大貢獻(xiàn)，此時(shí)剛臂的進(jìn)一步設(shè)置，起到了進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的作用，相應(yīng)也帶來(lái)了一定的應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中的現(xiàn)象大有改善。所以本質(zhì)上講，剛臂層多設(shè)，剛臂剛度適當(dāng)減弱，剛接樓面梁剛度適當(dāng)加大，有利于改善應(yīng)力集中。

剛臂的合理構(gòu)成還要注意要使剛臂自身具有較好的延性。由于剛臂對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)貢獻(xiàn)很大，剛臂較好的延性實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的延性將起到很大的作用。所以建議在鉸接的斜腹桿衍架，支撐的剛臂中引入阻尼；在剛接的剛臂中，采用空腹桁架或帶開(kāi)孔的弱連梁的實(shí)體梁，以便塑性鉸能在空腹衍架中的直腹桿桿端、實(shí)體梁洞口連梁梁端實(shí)現(xiàn)。

4、帶剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

地震波輸入動(dòng)力計(jì)算分析表明，由于剛性加強(qiáng)層的引入使結(jié)構(gòu)的剛度沿豎向有突變，帶剛性加強(qiáng)層的高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)十分復(fù)雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要針對(duì)具體工程認(rèn)真做好地震荷載動(dòng)力分析。從剛臂的層數(shù)，剛度構(gòu)成，樓面梁、框架柱、筒體剛度的協(xié)調(diào)入手，分析調(diào)整，以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的不利影響。

5、帶剛性加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)的施工模擬分析

高層建筑豎向主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在垂有荷載作用下的壓應(yīng)力水平不可能完全一致，這主要是由于高層豎向主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件不僅要承受垂直荷載，還要承受水平荷載引起的剪力。

豎向構(gòu)件在垂直荷載下壓應(yīng)力水平的差異，不可避免地要引起豎向構(gòu)件在垂直荷載下的彈性壓縮變形、徐變壓縮變形的差異，相連的樓屋蓋水平構(gòu)件必定要參與協(xié)調(diào)，減小此差異變形，同時(shí)承受附加的內(nèi)力。豎向構(gòu)件的壓應(yīng)力水平調(diào)正協(xié)調(diào)的過(guò)程就是二次應(yīng)力產(chǎn)生轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

實(shí)際的結(jié)構(gòu)通常是隨著施工逐層形成，垂直荷載力的大部分——結(jié)構(gòu)自重，也是隨之而逐層施加到結(jié)構(gòu)上去的。對(duì)于帶剛性加強(qiáng)層的高層結(jié)構(gòu)，由于剛臂的剛度遠(yuǎn)大于樓面梁剛度，其調(diào)正協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件豎向變形差異的能力更強(qiáng)，貢獻(xiàn)更大；相應(yīng)承受的內(nèi)力也最大，施工模擬的計(jì)算準(zhǔn)確更顯尖銳和重要。

實(shí)際工作中建議為減緩剛臂因垂直荷裁下豎向構(gòu)件變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中，利于結(jié)構(gòu)更好地抗側(cè)工作，可采取則臂設(shè)后澆帶的方法來(lái)基本消除這部分附加二次應(yīng)力；因?yàn)樨Q向構(gòu)件差異壓縮變形中的彈性變形部分、初期徐變部分在剛臂后澆帶合攏前已經(jīng)發(fā)生，從而可大大減輕剛臂的負(fù)擔(dān)。有利于整體結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理有效的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]傅學(xué)怡.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1999(02)

[2]張正國(guó)，傅學(xué)怡，王建俊，韋宇寧.帶剛臂超高層結(jié)構(gòu)工作性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1996(04)