超高层建筑伸臂加强层结构设计 原则及设置要点探讨

超高层建筑伸臂加强层结构设计 原则及设置要点探讨

李三元

身份证 号码： 36242119730618 ****

摘要：本文阐述了超高层建筑伸臂加强层结构设计原则，并通过工程实例对超高层建筑伸臂加强层结构设置要点进行了探讨，以供同仁参考。

关键词：超高层建筑结构；伸臂加强层；设计原则；设置要点

一、前言

近年来，随着我国城镇化建设的高速推进，城市人口越来越多，城市建筑高度也在不断增加，整体结构侧向刚度减小，结构基本周期加长，在侧向力作用下结构侧向位移增大，结构底部常出现不同程度的受拉，并加剧结构的 P-Δ 效应。因此为了保证整个建筑的安全性，必须确保下部结构牢靠，因此通常在下部结构布置的刚度大、墙体多、柱网密，越往上部建造，所需的墙、柱数量都相应减少，从而扩大柱网。导致整体的建筑物出现上部的活动空间远远比下部的活动空间要大，不符合建筑功能对空间的需求。为了实现建筑功能需求，必须打破原有的常规设计，在创新的过程中，就会使用到加强层结构，其功能主要是在结构转换的楼层设计水平转换构件，使得整个建筑符合其使用功能。下面就对超高层建筑伸臂加强层结构设计原则及设置要点进行了分析与探讨，以供同仁参考。

伸臂加强层结构建筑的设计原则

高层建筑中加强层的存在，非常容易造成建筑物在竖向层面的刚度突变， 而不利于建筑对震害进行抵抗，所以，设计人员必须充分考虑这一问题，做好对于加强层结构的布设，其布设的原则如下：一是尽量将竖向的构件适当的减少，以降低加强层的刚度突变频率，且尽量将加强层设置于较低的楼层位置，刚度应当适当控制于较小的范围。设计人员要充分考虑楼层的结构受力状况，根据其受力传递的途径，选择受力结构适当的形式作为其加强层主要结构，以保证设计人员对于结构的分析及质量的控制。二是加强层楼面应避免大开洞， 如必须开设， 则尽量远离边缘，并通过增设连系梁、洞口边加设暗梁等方法减少楼层刚度的损失。

加强层板厚一般大于180mm，强度等级大于 C30，相邻上下楼层板厚也宜适当加强，带加强层的建筑宜采用现浇结构，独立墙肢尽可能设置翼缘，大转角处宜设置转角墙、柱。同时随着预应力混凝土技术的发展，在高层建筑加强层设计中使用预应力技术控制加强层结构应力、裂缝和变形，进一步提高其抗震性能。

三、超高层建筑伸臂加强层的设置要点分析

在对超高层建筑加强层位置进行设置时，需首先确定出控制目标，以深圳某超高层建筑物为例，该建筑物结构体采用大型的框架–核心筒结构，高度达到350 m，设计的抗震烈度为7，可承受的基本风压为0.75kN/m² ，地下部位为4层，地上结构为79层。为深入分析加强层在不同高度具备的有效性，在建筑物避难层6个位置进行设置，来对伸臂加强层有效性展开分析。

（1）控制基本周期和顶点位移时。超高层建筑在风荷载作用下，不同的建筑伸臂加强层位置时结构基本周期参数见表1。

表1、不同伸臂加强层位置时基本周期对比

伸臂在建筑物中的位置	6层	17层	29层	41层	53层	65层
建筑物总高占比	0.09	0.23	0.36	0.53	0.65	0.87
基本周期/S	8.2	7.87	7.65	7.63	7.78	8.03

从运算结果中可以看出，伸臂加强层位置在中间部位或偏下的避难层中，建筑结构基本周期不高，而在建筑物顶部或者偏下部的避难层中结构基本周期则较长。对该建筑物设置一道伸臂加强层，达到建筑高度的0.53H时，在第41层的 周期达到最小值7.63s。在风荷载施加的作用力下，一道伸臂加强层在建筑物不同 高度位置形成的结构顶点位移产生的影响具体见表2。从最终的计算结果可以看出，伸臂加强层设置在建筑物中间部位和稍偏上的避难层时，建筑结构的顶点位移数值较小，而设置在建筑物顶部和偏下避难层，建筑物顶点位移就会变大。超 高层建筑只采用一道伸臂加强层，会在建筑物高度0.53H位置处的顶点位移达到最小，x方向产生的位移值为577 mm，y 方向的位移值为653mm。

表2、不同伸臂加强层位置时顶点位移对比

伸臂在建筑物中的位置		6层	17层	29层	41层	53层	65层
建筑物总高占比		0.09	0.23	0.36	0.53	0.65	0.87
基本周期/mm	x方向	667	618	592	577	581	608
	y方向	743	695	669	653	661	687

伸臂加强层在建筑物的不同高度，顶点位移有着不同的位移值。伸臂加强层楼层位置的差异，会在风荷载条件下对建筑 物结构顶点风振加速度产生影响，针对不同伸臂加强层顶点位移数据进行分析，伸臂位置没有对建筑顶部风振加速形成较大的影响，处在居中位移对建筑物稳定性比较有利。如果伸臂加强层设置在建筑高度的0.53H，建筑物顶部风振加速度达到最小值。

结合上述分析数据，可以得知该分析案例只设置一道伸臂加强层时，位于建筑物高度0.53H时，建筑结构顶点风振加速度、形成位移和基本周期为最小值。

（2）控制层间位移角时

超高层建筑在风荷载的影响下，只设置一道伸臂加强层在建筑物的不同高度产生的层间位移角见表3，本文对 x,y 方向产生的层间位移角进行数值计算，当伸臂加强层设置在建筑物中部避难层时，建筑结构产生的层间位移角会变大。如果设置一道伸臂，当达到建筑物高度的0.53H时，层间产生的位移角达到最小值，x方向达到1/513，而 y方向的位移角为1/501。如果把对建筑物结构层位移角进行有效控制作为分析目的，本案例将伸臂加强层设置在建筑物高度0.53H 最为合适，建筑物基本周期和顶点位移相符。

表3、不同伸臂加强层位置时顶点位移对比

伸臂在建筑物中的位置		6层	17层	29层	41层	53层	65层
建筑物总高占比		0.09	0.23	0.36	0.53	0.65	0.87
层间位移角	x方向	1/407	1/429	1/466	1/513	1/478	1/449
	y方向	1/370	1/392	1/421	1/501	1/426	1/403

（3）控制底部筒体倾覆力矩时

超高层建筑物在风荷载施加的作用力下，对没有伸臂加强层和不同伸臂加强层设置位置进行对比，底部筒体具备的倾覆力矩减小量比例为∆ M=(M–Mi)×100%/M，M是没有伸臂加强层建筑结构底部筒体具备的倾覆力矩，Mi表现为不同伸臂加强层位置建筑结构底部筒倾覆力矩。2种倾覆力矩减小量比例计算结果数值具体见表4，可发现，伸臂加强层在建筑物偏中下位置时可以发挥更好的筒体倾覆力矩作用。

表4、不同伸臂加强层建筑物位置底部筒体倾覆力矩和倾覆力矩减小量占比

伸臂具体位置	建筑物总高度的比例	倾覆力矩/×106kN.m		倾覆力矩减小量占比例/%
		x方向	y方向	x方向	y方向
无	无	81	95
6层	0.09	59	71	25	22
17层	0.23	59	73	26	23
29层	0.36	63	77	23	21
41层	0.53	67	81	17	18
53层	0.65	74	83	11	12
65层	0.87	75	87	7	7

（4）控制底部墙肢拉力时

超高层建筑在外界风荷载作用力下，对只设置一道伸臂加强层在楼层不同高

度位置来对底部墙肢拉力形成的影响进行分析，具体位置如图1所示。

墙肢 W₁为1.0m×4.0m，W₂为1.0 m×5.3m。不同伸臂加强层和没有伸臂

加强层位置进行对比，建筑物底部墙肢拉力减小量占比为∆ N=(N_t–N_i)×100%/N_i，N_t是没有伸臂加强层位置情况下的建筑结构底部墙肢拉力，N_i是在不同伸臂加强层位置 具备的建筑结构底部墙肢拉力。从对比结果中可以看出，只设置一道伸臂加强层且位置设置在建筑物结构偏中下位置时，会更好地减少建筑底部筒体墙肢拉力，从而筒体荷载施加的作用力也会相应的变小。

四、结语

总之，高层加强层对减小水平结构测移的作用机理是较显著的，它的设置可以使结构整体受力趋于合理，有利于结构构件的设置，加强层的最佳位置按实际情况考虑水平加强层的弯曲变形影响使，最优位置是受筒体与水平加强层之间的刚度之比、筒体与外柱的相对刚度之比值影响的，受加强层作用递减率的影响， 加强层个数不宜过多，应从经济、合理两方面来考虑加强层的数量和布置。超高层建筑的加强层设置需要结合具体的使用要求，可以在避难层位置处设置。再考虑建筑物结构控制目标来开展有效性分析，从而确定出最优的位置和设置数量。

参考文献

[1]王伟杰.昆明索菲特大酒店超高层建筑结构设计[J].上海建设科技，2018（2）：1–5.

[2]卢啸，杨蔚彪，张万开，等.某超高层建筑不同抗侧力体系抗震性能对比研究[J].建筑结构学报，2016，37（4）：102–109.

[3]魏琏，林旭新，王森.超高层建筑伸臂加强层结构设计的若干问题[J]. 建筑结构，2019，49（7）：1–8.

[4] 吴宏磊，丁洁民，崔剑桥，等. 超高层建筑结构加强层耗能减震技术及连接节点设计研究 [J]. 建筑结构学报，2014，35（3）：8–15.

[5]胡鑫.高层结构水平加强层对整体稳定性的影响[J].住宅与房地产，2017（15）：180–181.