超限高層建筑結構加強層設置方案比選
——以某54層商住樓為例

汪方羲

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當前，高層建筑的結構設計中已經廣泛應用帶加強層的現澆混凝土框架-核心筒結構體系。設置加強層會引起結構豎向剛度突變，位移和應力易向加強層附近集中，形成結構薄弱層，因此設計中一般從概念上強調調整原建筑結構剛度應適當，設置“有限剛度”加強層僅用來彌補原結構整體剛度不足，使結構整體剛度滿足規范的最低要求，以減少水平作用下建筑非結構構件的損壞。從類型上分，常見的加強層有水平伸臂加強層及周邊環帶構件加強層兩種。在框筒結構中，水平伸臂加強層與環帶加強層一同設置，能進一步增加結構的整體剛度，同時將與水平伸臂相連少數柱子上產生的附加軸力分散到其他框架柱，使外圈框架柱所受軸力二次調整均勻。

現行設計標準《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.3節，僅對設置加強層的高層結構在結構布置給出建議性意見，對加強層及上下樓層區域抗震構造加強措施上給出基本要求，應用于具體的加強層實際工程設計時存在指導性、約束性不強以及無具體量化界定的問題。具體工程設計中結構加強層設置的類型、位置及數量怎樣確定、水平伸臂加強層是否應和環帶加強層一同設置等問題，一般均由設計人員依據類似工程設計經驗確定，缺乏詳細的、明確的指導性意見[1-2]。

為探索出合理的帶加強層超限高層結構抗震設計方法，本論文以安徽蚌埠S6地塊商住樓筒體-稀柱框架結構為研究對象，以結構位移角為控制指標，比較不同位置、數量、類型的水平剛層加強層對結構的作用，通過加設結構加強層、改變加強層的位置和數量分別得到了不同結構設計方案，并基此比較不同方案對整體結構的周期、整體側向位移以及結構應力的影響，為結構工程師更好地把握混凝土框架-核心筒結構安全度，使類似結構抗震設計更加經濟合理提供應用參考。

1 工程概況

安徽蚌埠S6地塊商住樓，位于鳳陽西路北側、中山街東側、圈堤西路南側，總建筑面積約67 000m2，地下2層，為地下停車庫。地上54層，1～2層為大堂，局部為商業；第15、30及45層為避難層，其他為公寓。主要屋面高度為180m，超過7度區框筒結構130m的A級高度限值。項目效果圖及平面圖如圖1所示。

(a)建筑效果圖

(b)標準層平面圖圖1 建筑效果圖及平面布置圖

圖2 結構平面布置圖

未設置結構加強層時，分析結果表明：該高樓樓層剪重比偏小，不符合《抗規》5.2.5條要求；同時，在地震作用及風荷載作用下，X向多處樓層位移過大，于36層處出現最大層間位移角1/731，多處樓層層間側移角不滿足規范要求，因此應適當加大X向抗側力剛度。

2 設置方案

參照《高規》10.3.2條建議及相關文獻理論分析，加強層的位置宜：布置一個加強層時，位置可位在建筑高度0.6倍附近；兩個加強層時，可布置在建筑頂層和建筑高度0.5倍處。《高規》第10.3.2條僅對加強層設置辦法給出概念性的建議，具體至該工程，第15層、第30層及第45層具有設置加強層條件。

該工程結合相關文獻研究成果及建筑條件，擬在第30層及第45層設置結構加強層。按“有限剛度”設置原則，通過設置不同位置加強層以及單獨設置水平伸臂加強層、單獨設置環帶加強層與同時設置水平伸臂及環帶加強層，對其進行樓層結構彈性位移敏感性分析比較。方案比較時，加強層水平伸臂構件采用工字鋼500×1000×100，在核心筒與外圍框架柱間呈人字型設置，各層沿X向布置兩道與核心筒轉角節點剛接相連，周邊環帶加強層采用工字鋼400×600×80，在外圍框架柱間人字型設置。混凝土梁加交叉斜筋加強，保證梁抗剪承載力大于抗彎承載力。

對比設置方案如下：方案一于建筑第30層設置一道水平伸臂加強層；方案二于建筑第45層設置一道水平伸臂加強層；方案三于建筑第30層及第45層設置兩道水平伸臂加強層；方案四于建筑第30層及第45層設置兩道周邊環帶加強層；方案五于建筑第30層設置一道水平伸臂加周邊環帶加強層。

水平伸臂加強層與周邊環帶加強層三維示意圖如圖3所示。

圖3 水平伸臂加強層與周邊環帶加強層三維示意圖

3 對比結果

設置加強層后，各加強層方案在常遇地震及風荷載作用下層間位移角如圖4～圖8所示(圖中豎向坐標為樓層，如56代表56樓層處)。

圖4 方案一層間位移角曲線圖

圖5 方案二層間位移角曲線圖

圖6 方案三層間位移角曲線圖

圖7 方案四層間位移角曲線圖

圖8 方案五層間位移角曲線圖

當前，關于加強層優化布置的研究很多，但研究時采用的工程計算簡圖、分析對比指標各有差異，考慮的影響因素也有所不同。該工程結構設計，從控制樓層彈性位移角度來說，主要結構特性對比如表1所示。

表1 加強層設置方案主要結構特性對比

由計算結果，對比分析各加強層設置方案綜合如下：

(1)對比方案一與二，當只設置一道加強層時，于第30層設置控側移效果優于在第45層處設置，兩樓層分別在底部固定端以上0.56H及0.83H處(H為結構總高度)，結合初算模型最大層間位移角出現于第36層約0.65H處，從一定角度上驗證了《高規》第10.3.2條單道加強層0.6H設置的合理性；

(2)對比方案一與三，因建筑條件限制，無法按《高規》10.3.2-1條建議于建筑頂層和0.5倍總高度設置加強層，兩道加強層距離不足，設置兩道水平伸臂加強層剛度提高數值有限，對結構底部的傾覆彎矩和剪力基本沒有影響，控側移效率不如設置一道加強層，因此設置兩個加強層沒有明顯的意義；

(3)對比方案一、三及四，于第30層及第45層處設置兩道環帶加強層后，外圍框架柱形成兩道“加強箍”，整體側向剛度有所增加，能夠減少結構頂點側移和前兩階自振周期[5-6]。加設環帶加強層后，在風荷載作用下，對結構側移的控制效果好于設置一道水平伸臂加強層，在地震作用下,設置兩層環帶對結構側移及結構自振周期的影響效果與設置一道水平伸臂加強層時基本相同。單獨設置兩道環帶加強層所增加的支撐斜梁數量遠多于兩道水平伸臂加強層，成本增加較大，且提高結構整體剛度效果卻不如兩道水平伸臂加強層的明顯。

(4)根據相關資料[7]研究，對于帶有剛度很大的水平伸臂加強層的現澆混凝土框架-核心筒結構，結構整體傾覆力矩可以利用水平伸臂下框架柱的拉壓力形成的反向彎矩來平衡，產生的額外拉壓力使水平伸臂下框架柱的軸力遠大于其它外圍框架柱，外圍框架柱軸力分布極不均勻。加設環帶構件后，剛度很大的環帶迫使外圍框架的翼緣柱共同變形，使得各外圍框架柱軸力差異變小，各柱軸力趨向均勻，同時可以改善加強層樓板的受力狀態。比較方案一與無加強層模型，地震作用下層間最大位移角減少約3%，小于資料[8]所統計的加強層位移控制減少值，即所加水平伸臂加強層剛度有限。加設剛度有限的水平伸臂加強層后，水平伸臂下框架柱與其它外圍框架柱軸力差別不大，因此附加環帶加強層作用有限。

綜上分析，該工程最終按“有限剛度”設置原則，于第30層處設置水平伸臂加強層為相對最優方案。

4 結語

在高層框筒結構中利用避難層及設備層設置結構加強層，能進一步發揮周邊框架柱的軸向剛度作用，有效提高整個結構的抗側剛度。就減少結構的側移量來說，水平伸臂加強層效果好于環帶加強層；當只設置一道加強層時，“最佳位置”為建筑高度0.6H附近，與規范推薦位置一致。

同時，對照在地震作用下的位移及內力曲線，設置結構加強層會造成結構內力突變及結構整體傳力途徑的改變。因此，設置結構加強層必須予以專門的計算分析，并采用有效的加強措施。