高层建筑钢筋混凝土结构概念设计

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：高层建筑结构内设置伸臂的主要目的是增大外框架柱的轴力，从而增大外框架的抗倾覆力矩，增大结构抗侧刚度，减小侧移。表9-1统计了几幢高层建筑实际工程设置伸臂后侧移的减小幅度，由表中可见，对于一般框架—核心筒结构，伸臂可以使位移减小约15%～20%，有时更多，而筒中筒结构设置伸臂减小侧移的幅度不大，只有5%～10%。

高层建筑结构内设置伸臂的主要目的是增大外框架柱的轴力，从而增大外框架的抗倾覆力矩，增大结构抗侧刚度，减小侧移。表9-1统计了几幢高层建筑实际工程设置伸臂后侧移的减小幅度，由表中可见，对于一般框架—核心筒结构，伸臂可以使位移减小约15%～20%，有时更多，而筒中筒结构设置伸臂减小侧移的幅度不大，只有5%～10%。统计的结果与上一节优化分析的结果是一致的，原因是：伸臂的作用与框筒结构中的密柱深梁作用是重复的，密柱深梁已经使翼缘框架柱承受了较大的轴力，再用伸臂效果就不明显了。

表9-1 应用伸臂结构效果实例

（续）

注：R_y=加伸臂后结构侧移/未加伸臂时结构侧移

表中的海口洛杉矶城是钢筋混凝土筒中筒结构，48层，高161.40m，用空间结构分析程序计算比较了该结构设置伸臂或不设置伸臂的差别^[66]（采用空间结构分析得到的结论与9.1.1节中用简图所作的优化分析结论相同。）。伸臂设置在35层，是结构平面部分收进的楼层。分析了两种窗裙梁的情况：如果窗裙梁较大（1.35m），设置伸臂后顶点位移减小到原结构的96.2%，层间位移减小到原结构的89.7%；如果窗裙梁较小（0.90m），设置伸臂后顶点位移减小为原结构的92.9%，层间位移减小为原结构的85.4%。由分析比较可见：第一，窗裙梁愈大，设置伸臂减小位移的效果愈小，因为窗裙梁愈大，剪力滞后愈小，柱子的轴力已经较大，设置伸臂的效果相对减小。第二，减小层间变形的作用比减小顶点位移大。第三，该结构的窗裙梁原设计为0.90m，不设置伸臂时的层间位移及顶点位移都已经很小，分别为1/1400和1/1900左右，都已满足规范要求，原本就不需要设置伸臂去减小位移。

在抗侧刚度较小的框架—核心筒结构中，设置伸臂可以增大抗侧刚度，减小侧移，但是伸臂会使结构内力发生突变，如果设计不当，或措施不足时容易造成薄弱层，影响内力突变幅度的因素是伸臂本身的刚度和伸臂的道数。图9-3比较了一幢70层的框架—核心筒结构设置伸臂数量不同对核心筒剪力和弯矩的影响[67]，其中设置一道伸臂时剪力和弯矩的突变最大，顶点位移降为75.4%；设置两道伸臂时内力突变幅度减小，而顶点侧移降低更大；设置4道伸臂时内力突变幅度最小，而顶点位移降为原结构的51.6%。

图9-3 伸臂数量对核心筒剪力和弯矩影响的比较（同济大学）

a）无伸臂 b）第35层设伸臂 c）第35、50层设伸臂 d）第20、35、50、60层设伸臂

一道伸臂减小侧移的效率最高，伸臂的数量多一些，减小侧移的绝对值加大，但伸臂减小侧移的效率降低（伸臂数量增加1倍，用钢量增加1倍，侧移减少却小于1倍，用钢量增加），而核心筒和框架柱的弯矩、剪力突变的程度却减少。可以设想，在一定的位移降低要求下（位移降低到满足规范要求），如果要求内力突变幅度尽可能减小，那么选择的方案可以是：①设置两道或多道刚度不大的伸臂，每道伸臂的本身刚度都可以减小；②最极端的情况就是将伸臂分散到每层楼中，也就是，设置楼层大梁而不设置大刚度的伸臂。从第8章图8-16有楼板大梁的框架—核心筒结构（未设置伸臂）的分析可见，只要楼板大梁达到一定刚度，也能使翼缘框架柱轴力提高，实质上楼板大梁与伸臂的效果是一致的，实际上它就是数量很多的“多道伸臂”的效果，而它们使内筒反弯的作用和使外柱轴力加大的作用沿高度均匀分布。

综上所述，关于结构中设置伸臂的方案可以得到如下一些概念：

1）在筒中筒结构中，框筒主要依靠密柱深梁使翼缘框架各柱受力，结构抗侧刚度很大，伸臂的作用与此重复，设置伸臂的作用相对较小，反而带来柱沿高度内力突变的不利后果，因此在筒中筒结构中，一般不再设置伸臂。

2）当采用框架—核心筒结构时，一般在非地震区或风荷载控制、或烈度不高的地震区，采用伸臂方案增加结构抗侧刚度和减小位移，是较好的选择。在中等地震或强震地区，则应该做方案比较，要看层间位移是否满足规范和规程要求，慎重选择伸臂的刚度和数量。如果结构的层间侧移能满足规范和规程要求，则不必设置伸臂，例如大连远洋大厦，经过方案比较后就没有设置伸臂，见10.12节中的介绍。

七彩云南第壹城二号办公楼位于昆明市呈贡区，抗震8度设防。主体结构地上35层、地下3层，总高157.85m。为了避免设置伸臂等加强构件（避免竖向刚度突变），采用了每层楼加楼板大梁的框架—核心筒结构体系，见图9-4。框架大梁采用工字形钢梁（截面为800mm×500mm），框架梁与外框架柱刚接，与剪力墙也刚接，大梁增大了框架柱的轴力，提高了框架承担的剪力和倾覆力矩，没有伸臂，结构抗侧刚度也能满足要求。

3）设置伸臂方案可以有多种选择：①选择有效部位，设置一道刚度不大的伸臂；②设置多道伸臂，每道伸臂本身刚度不大；③每层设置刚度较大的楼板大梁。但是请注意，一道伸臂的内力突变幅度较大，而多道伸臂的用钢量及造价将增大，每层设置大梁将使层高加大，方案选择就是权衡利弊的过程。

图9-4 七彩云南第壹城二号办公楼结构平面

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