高层建筑框架结构设计探究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图8-18表示在框架—核心筒结构中设置伸臂后的剖面图和侧移曲线，图中给出了几种情况侧移曲线的比较。因此，如何设置和设计伸臂是框架—核心筒—伸臂结构设计的主要问题，将在第9章9.1节中进一步介绍。图8-20（续）b）框架—核心筒—伸臂结构内筒墙肢内力沿高度分布

图8-17 伸臂的作用原理

a）伸臂结构在水平荷载作用下的变形 b）侧移 c）筒体弯矩

伸臂是指刚度很大的、连接内筒和外柱的实腹梁或桁架，通常是沿高度选择一层、两层或数层布置伸臂构件。图8-17描述了伸臂的作用原理，由于伸臂本身刚度较大，在结构侧移时，它使外柱拉伸或压缩，从而承受较大轴力，增大了外柱抵抗的倾覆力矩，伸臂对内筒有反向的约束弯矩，内筒的弯矩图改变，使内筒弯矩减小，内筒反弯也同时减小了侧移。伸臂加强了结构抗侧刚度，因此把设置伸臂的楼层称为加强层。图8-18表示在框架—核心筒结构中（本章分析例题）设置伸臂后的剖面图和侧移曲线，图中给出了几种情况侧移曲线的比较。

图8-18 框架—核心筒—伸臂结构剖面示意及侧移曲线比较

图8-19给出了两组框架-核心筒结构中翼缘框架轴力分布比较，图8-19a是平板体系框架—核心筒与平板体系框架—核心筒+伸臂（伸臂在36层、55层）结构的比较，图8-19b是有梁板体系的框架—核心筒与有梁板体系框架—核心筒+伸臂（伸臂层数与上同）的比较，通过比较可见无论在平板体系时，或具有楼板大梁时，伸臂都可增大翼缘框架中间柱的轴力，但是增大的幅度不同。

“平板+伸臂”结构的翼缘框架中间柱的大轴力是通过伸臂作用产生的（由于没有楼板大梁，就不存在②、③轴带剪力墙的框架）。为增加柱轴力，伸臂可以代替每层楼板中的梁，如果用平板+伸臂，则可以减小楼层高度或增加净空。

图8-19 框架—核心筒—伸臂结构的翼缘框架柱轴力分布的比较

a）“平板”与“平板+伸臂”的比较 b）“梁板”与“梁板+伸臂”的比较

在梁板结构中设置了伸臂（“梁板+伸臂”结构），可继续增大中间柱的轴力，但增大不多，因为伸臂和楼板大梁的作用类似，而本结构中的楼板大梁已经较大，已经使中间柱的轴力增大了，伸臂的作用相对减小。

一般情况下，框架—核心筒结构的楼盖跨度较大，需要设置楼板梁，那么设置伸臂后，就可以减小楼板梁高度，可采用预应力梁或减小梁间距等各种方法以满足竖向荷载的要求，这样有利于减小层高或增加净空。

图8-20

a）框架—核心筒—伸臂结构柱内力沿高度分布

伸臂对结构受力性能影响是多方面的，增大框架中间柱轴力、增加刚度、减小侧移、减小内筒弯矩是其主要优点，是设置伸臂的主要目的。但是伸臂也带来一些不利影响，它使内力沿高度发生突变，内力的突变不利于抗震，尤其对柱不利。图8-20a给出了框架—核心筒结构有无伸臂时，柱受力沿高度变化的比较，由图可见，设置伸臂时，伸臂所在层的上、下相邻层的柱弯矩、剪力都有突变，不仅增加了柱配筋设计的困难，上、下柱与一个刚度很大的伸臂相连，地震作用下这些柱子容易出铰或剪坏，图8-20b给出了核心筒墙肢的剪力和弯矩图，墙肢内力也会发生突变，主要是结构沿高度的刚度突变，对抗震不利，因此在非地震区，设置伸臂的利大于弊，而在地震区，必须慎重设计，否则会弊大于利。

伸臂层柱子内力突变的大小与伸臂刚度有关，伸臂刚度愈大，内力突变愈大；伸臂刚度与柱子刚度相差愈大，则愈容易形成薄弱层（柱端出铰或剪坏）。因此，如何设置和设计伸臂是框架—核心筒—伸臂结构设计的主要问题，将在第9章9.1节中进一步介绍。

图8-20（续）

b）框架—核心筒—伸臂结构内筒墙肢内力沿高度分布

高层建筑框架结构设计探究

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