超高層建筑伸臂加強層結構設計相關問題研究

王 偉

(山西四建集團有限公司，山西 太原 030024)

在我國城市土地資源緊缺問題日益嚴峻的背景下，城市中的建筑正越來越趨向于超高層建筑。超高層建筑將絕大部分建筑空間擴展到了上層，能夠大大節省土地資源，但與此同時，也帶來了一些設計方面的問題。其中，超高層建筑伸臂加強層結構的設計問題是一項重難點，所以有必要針對該問題展開深入研究，以促進超高層建筑的發展。

1 超高層建筑伸臂加強層結構設置位置的選擇原則

在選擇超高層建筑伸臂加強層結構的設置位置之時，應遵循以下幾項原則。

第一，應當要滿足建筑的使用功能需求，盡量利用避難層來作為伸臂加強層結構的設置位置；第二，應當要根據相關結構控制目標進行有效的分析，如基本周期和頂點位移控制目標、底部筒體傾覆力矩控制目標、底部墻肢拉力控制目標等，根據分析結果合理選擇伸臂加強層結構的設置位置；第三，應當要確保伸臂桁架構件尺寸合理、可承受適當作用力、方便施工作業。

2 超高層建筑設置一道伸臂加強層結構的最佳位置

某超高層建筑項目為框架-核心筒結構建筑，總建筑高度為350m，包括地下4層+地上79層，可承受基本風壓為0.75kN/m，設計抗震設防烈度為7°。

2.1 控制基本周期和頂點位移時

2.1.1 基本周期對比分析

在風荷載作用下，在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的基本周期對比詳見表1。

表1 在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的基本周期對比表

分析結果顯示，當伸臂加強層結構設置在該項目的中間或者略偏上位置的避難層中時，它的基本周期較短；當伸臂加強層結構設置在該項目的頂部或者偏下位置的避難層中時，它的基本周期較長。

在該項目設置一道伸臂加強層結構的情況下，選擇設置位置為41層(0.54H)時的基本周期最短，僅為7.64s。

2.1.2 頂點位移對比分析

在風荷載作用下，在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的頂點位移對比詳見表2。

表2 在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的頂點位移對比表

分析結果顯示，當伸臂加強層結構設置在該項目的中間或者略偏上位置的避難層中時，它的頂點位移較小；當伸臂加強層結構設置在該項目的頂部或者偏下位置的避難層中時，它的頂點位移較大。在該項目設置一道伸臂加強層結構的情況下，選擇設置位置為41層(0.54H)時的頂點位移最小，x向僅為572mm,y向僅為652mm。

2.2 控制層間位移角時

在風荷載作用下，在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的層間位移角對比詳見表3。

表3 在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的層間位移角對比表

分析結果顯示：當伸臂加強層結構設置在該項目的中間位置的避難層中時，它的層間位移角較小；當伸臂加強層結構設置在該項目的頂部或者偏下位置的避難層中時，它的層間位移角較大。在該項目設置一道伸臂加強層結構的情況下，選擇設置位置為41層(0.54H)時的層間位移角最小，x向僅為1/514,y向僅為1/502。

2.3 控制底部筒體傾覆力矩時

在風荷載作用下，在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的底部筒體傾覆力矩及其減小量對比詳見表4。

表4 在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的底部筒體傾覆力矩及其減小量對比表

分析結果顯示：當伸臂加強層結構設置在該項目的中下位置的避難層中時，它在減小筒體傾覆力矩方面的效果更好。

2.4 控制底部墻肢拉力時

在風荷載作用下，在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的墻肢W1和W2底部拉力及其減小量對比詳見表5。

表5 在該項目的不同避難層設置伸臂加強層結構時的墻肢W1和W2底部拉力及其減小量對比表

分析結果顯示：當伸臂加強層結構設置在該項目的中下位置的避難層中時，它在減小底部筒體墻肢拉力方面的效果更好。

3 超高層建筑設置兩道或以上伸臂加強層結構的最佳位置

當超高層建筑設置一道伸臂加強層結構無法有效滿足實際需求時，可設置兩道或以上伸臂加強層結構。對該項目來說，若為兩道伸臂加強層結構，則第一道的設置位置可選擇在41層(0.54H)，第二道經計算分析后可選擇在53層(0.66H)。若為兩道以上伸臂加強層結構，以三道為例，則經計算分析后可選擇兩種方案：①方案(最優的層間位移角控制方案)為29層(0.37H)+41層(0.54H)+65層(0.88H)；②方案(最優的底部筒體傾覆力矩控制方案)為17層(0.24H)+41層(0.54H)+65層(0.88H)。

4 超高層建筑頂部設置伸臂加強層結構的可行性分析

目前業內普遍不建議在超高層建筑頂部設置伸臂加強層結構，對該項目來說，在頂部設置伸臂加強層結構達不到最優效果。相關建筑設計規范中也表明，建筑頂部不是第二、三道伸臂加強層結構的最好位置選擇。因此，在選擇伸臂加強層結構的設置位置時，盡量不要選擇在建筑頂部。

5 結 語

綜上所述，觀我國現階段的建筑業發展情況來看，無論是建筑高度還是建筑規模都在與日俱增，而隨著一棟棟“摩天大樓”的拔地而起，對其設計也提出了更高的要求。在超高層建筑設計中，伸臂加強層結構設計是一項重難點問題，特別是超高層建筑伸臂加強層結構設置位置的選擇十分關鍵，必須要保證伸臂加強層結構設計滿足建筑的使用功能需求且符合相關結構控制目標，同時還要確保伸臂桁架構件尺寸合理，可承受適當作用力，方便施工作業。