水平加强层在超高层钢结构中的应用研究
钢结构跃层加层技术及其工程应用研究
层， 总长 ７ ７ ｍ ， 宽１ ２ ・ ８ ６ ｍ ， 高１ ７ ・ ４ ８ ｍ。建 造时未考虑 ８ 度抗震， 经过 ４ ０ 多 年的使用， 现需要进行抗震加固。甲方与开发商计划在对原结构抗震加 固的基础上， 在其上增加 ５ 层钢结构框架， 层高 ３ ・ ６ ｍ ， 柱距 ６ ・ ６ ｍ ， 共 １ ３ 榀。 钢框架跨度 １ ３ ・ ７ ６ ｒ ｎ ， 首层高 １ ８ ・ ０ ３ ｍ ， 总高度为 ３ ６ ・ ０ ３ ｍ 。 焊接 Ｈ型钢 梁、 柱纵 横向刚接采用 Ｑ ３ ４ ５ 钢材。 各节点全部采用焊接 ｝ 板采用压型 钢板组合楼盖。该地区基本风压 ０ ・ ４ ５ ｋ Ｎ 『 瑚 楼盖恒载 ３ ・ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ ２ ， 房间活 荷载 ２ － ０ ｋ Ｎ ／ ｍ 走廊活荷载 ２ ・ ５ ｋ Ｎ ／ ｍ ￣ ， 屋面活荷载 ０ ・ ５ ｋ № 外墙体 自重 １ ・ ０ ｋ Ｎ ／ ｍ ２ ， 内墙体 自 重０ ・ ３ ｋ Ｎ ／ ｍ ｚ ， １ １ 类场地， ８ 度抗震设防； 刚架柱与基础为 刚接 。 ２ ． ２工程计算分析 ２ ． ２ ． １本工程亦利用有限元分析软件 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 完成， 计算模型为平面 结 构。 ２ ． ２ ． ２分别采用分离式和整体式外套框架跃层加层结构进行计算并 加以比较。本文计算暂时未考虑外套框架与旧房横墙共同工作的潜在 作用， 计算简图如图２ 。
１ ． ２ ２ 良好的抗震性能。 因为钢结构本身具有很强的弹塑ｌ 生， 在遇到
强烈震 动的情况 下 ， 可 以吸收很大 的能量 ， 减轻震 动对建筑 结构造 成 的 伤害， 增强了建筑的抗震性能。 １ ． ２ ． ３施工方便。利用钢结构进行施工 ， 操作安装工艺比较简单 ， 只 需要 在厂家将 钢结构 的基本构造 做出 ， 然后 在施 工 现场进行组 装 即可。 在操作的过程中， 不需要进行脚手架的安装也不需要大面积施工场地， 操作手段简单。钢结构加层不会受到原有建筑平面的限制 ， 并且工期 短， 能够在短时间内创造出巨大的效益。 １ ． ２ ． ４钢结构跃层施工时， 可以对新老建筑的外层统一装修， 增强建 筑的美观陛， 施工简便的方式将会在建筑市场中具有更加广阔的空间。 ２工程实例设计分析 ２ １工程概况 某建筑是在五十年代建成的内廊式多层砖混结构房屋。房屋共 ５
带加强层高层结构探讨
带加强层高层结构探讨 张法新 【摘 要】简要介绍了带加强层高层结构的发展，对带加强层高层结构的受力、变形及抗震性能的研究现状进行系统分析和总结，指出目前这一研究领域存在的主要问题和发展方向，以供相关研究人员参考借鉴。%The paper briefly introduces the development of high-rise structure with strengthened stories,systematical analyzes and summarizes its stress,deformation and seismic resisting performance,and points out major problems and development tendency in the research field,with a view to provide some guidance for relevant researchers.
【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2015(000)014 【总页数】3页(P22-23,24) 【关键词】带加强层高层结构;变形;抗震;问题 【作 者】张法新 【作者单位】天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457
【正文语种】中 文 【中图分类】TU973 在超高层框架—核心筒结构中，在设备层或避难层设置刚度较大的水平伸臂构件，加强核心筒与外围框架的联系，调动周边框架柱轴力抵抗更多的整体倾覆力矩，构成抗侧效率更高的带加强层框架—核心筒结构。Barkacki提出了加强层的概念，并与 1962年在加拿大蒙特利尔一幢47层高的钢结构大楼应用以来，各国学者和工程师对这种结构体系进行了大量研究。近年来，带加强层高层结构在国内得到了应用，并日趋广泛，例如上海金茂大厦(421 m)和中国台北101塔(508 m)。 带加强层高层结构起初的研究主要集中在加强层的位置、数量和刚度等优化问题上，随后结合实际工程对结构的受力性能开展了深入研究。 1.1 分析模型 建立力学概念明确、假定合理的分析模型是研究带加强层高层结构受力与变形性能的关键，目前为止，分析模型主要分为两大类：二维简化模型和有限元模型。 1)二维简化模型。根据模型的假定和分析方法的不同，二维简化模型主要有：变形协调模型和连续化模型。变形协调模型最早由Taranath提出，该模型力学概念明确，反映加强层的工作机理与变形模式。但在实际情况中，伸臂的刚度并不是无穷大，需考虑伸臂的弯曲和剪切变形影响以及核心筒截面、框架柱的变化，才能减小与实际结构的误差。Smith采用连续化模型研究带加强层结构体系，其与变形协调模型的主要区别在于将框架近似为1个剪切型悬臂构件，框架与核心筒之间连续地采用刚性链杆连接，刚性链杆只传递水平荷载。连续化模型抓住了结构的主要影响因素，忽略局部差异，能较准确反映结构的受力与变形规律，但伸臂链杆数量较少，其分析精度较差，随着伸臂链杆数量的增多，其分析精度将提高。2)有限元模型。二维简化模型属于平面模型，能基本反映带加强层结构的受力与变形性能，但其基本假定与实际结构存在较大误差，分析精度有限，且研究工作大多停留在静力分析层次，对于大型、复杂的实际工程，必须建立三维有限元模型进行静力或动力弹塑性分析，才能准确、全面掌握带加强层高层结构的抗震性能。二维简化模型便于快速掌握带加强层结构的受力特性，但分析精度有限；有限元模型的分析结果更接近实际结构，但其建模时间和计算工作量非常大，不利于进行参数分析和快速估算，实际分析中可综合两类模型的优缺点予以考虑。 1.2 加强层位置、数量和刚度的优化研究 国内外学者采用简化计算模型对加强层的优化位置与数量进行了分析，Taranath得出单道加强层宜设置在结构0.545倍高度的位置，Moudarres和Coull应用传递函数矩阵法求得了加强层的最优位置，但该模型加强层的刚度假设为无穷大，与实际结构的误差较大。加拿大的Smith提出了考虑加强层有限刚度的均匀伸臂结构的近似分析方法，Hoenderkamp进一步考虑加强层的弯曲和剪切变形影响；张杰考虑了伸臂的实际刚度，研究了伸臂位置对结构的侧移与内力的变化规律，但没有明确伸臂实际刚度的取值范围。杨克家对伸臂刚度取值进行了优化，但采用的伸臂构件为实体梁，且没有考虑地震作用对伸臂刚度的影响。童根树推导了双伸臂巨型结构整体失稳的临界方程，揭示了伸臂巨型结构在本质上更加接近于框架结构的性质。Malekinejad把伸臂桁架及其所在的核心筒集中为一个剪切核心区统一处理，把整个结构作连续化分析，并用matlab编程分析了结构的动力特性。 1.3 受力性能研究 由于实际工程的大量需求，使得国内外学者和工程师对带加强层高层结构受力性能展开了深入地研究，虽然二维简化模型力学概念明确，初步设计阶段较好，但简化模型的假定与实际结构往往不一致，结构要获得详细的弹塑性受力性能，需要进行三维有限元分析。张正国用ETABS和SAP有限元软件对比分析了某加强层结构的变形和内力规律，结果表明简化模型与实际模型的分析结果有较大出入。徐培福等人应用多种有限元分析程序(TBSAP，SATWE，SAP)，揭示了该体系的一些诸如内力突变、薄弱层及难以实现延性屈服机制等对抗震不利的动力性能。王元清等采用两个以上的不同力学模型对武汉国际证券大厦结构进行性能分析，计算可见结构刚度突变的楼层为薄弱层。苏原提出采用较小刚度伸臂的同时加大伸臂截面高度的设计概念以减小结构内力的突变。徐培福认为应设置“有限刚度”加强层，以减少结构构件的破损。 1.4 伸臂斜腹杆桁架常见的形式 为了实现“有限刚度”加强层的概念，加强层伸臂宜采用斜腹杆桁架形式，既能适当提高结构的整体刚度，又能尽量减小构件的内力突变。统计相关工程案例，常见的伸臂斜腹杆桁架的形式有：1)单斜杆桁架；2)人字形桁架；3)V字形桁架；4)三折线形桁架；5)两跨人字形桁架；6)两跨V字形桁架；7)单层X形桁架；8)跨层X形桁架；9)跨层K形桁架。其中，第7)和第8)桁架形式中斜腹杆在交叉点处连接。 2.1 节点或局部结构试验 为有效加强外围框架柱与内部核心筒的联系，伸臂桁架需传递巨大的内力，导致节点区内力、构造复杂，通常要满足“强节点弱构件”“节点保持弹性”等设计要求，且在不同结构中节点的设计指标也有所差异，节点的设计难度较大。国内外学者对伸臂桁架的节点连接进行了试验研究，Shahrooz等对采用预埋螺钉连接方式的节点进行了6个1/3比例模型的抗拔试验研究，得出节点承载能力不同计算方法会对试验结果产生较大误差的初步结论；而后又制作了带楼板和不带楼板的2个典型节点连接构件，通过低周反复试验得出楼板对试件抗震性能影响不大，并修正了连接部位的设计公式。邹昀对采用钢骨钢筋混凝土形式的节点试验表明，该节点构造形式能保证钢骨不发生平面外失稳，破坏现象主要表现为节点区混凝土的开裂。聂建国对伸臂桁架—核心筒剪力墙节点进行了较为系统的拟静力试验，对比采用外包钢板构造明显优于内嵌钢板构造，并针对外包钢板节点形式提出全杆系简化模型和设计方法。陈以一设计了三种不同的反复加载路径，考察不同加载方式下伸臂桁架节点的滞回特性和耗能能力的差别。 2.2 整体结构试验 沈朝勇等对一座带钢骨混凝土桁架及钢桁架转换层的高层结构模型进行了振动台试验，在罕遇地震试验阶段，下部转换层及附近楼层产生一定的破坏后，地震能量转嫁到了结构中部的加强层，使该处加强层的内力和变形突变显著从而产生破坏。由文献[3]的振动台试验现象可知，核心筒裂缝多出现于结构的底部和加强层及其附近楼层，有弯曲型和剪切型的裂缝；伸臂桁架、环带架杆件出现压曲现象也较多，伸臂斜撑节点出现开裂现象较少；部分试验中加强层上、下层外框柱开裂或者出现压酥丧失承载力。振动台试验结果表明，由于结构刚度在伸臂楼层出现了突变，传力途径发生改变，易使结构在加强层伸臂及其附近楼层形成薄弱层。 上述研究成果表明，当高层结构侧移过大时，设置加强层能有效增加结构的抗侧刚度、减小结构的变形，但在地震作用下，加强层会使结构的竖向刚度、内力产生较大突变，易使结构的破坏集中在加强层及其附近楼层，存在薄弱层等不利于结构抗震的问题。如何实现多道设防，改善加强层结构的抗震性能是科研工作者和工程师们需要解决的问题。以上带加强层结构关于静力和动力方面的性能研究，目前虽然在伸臂数量设置、位置优化以及伸臂刚度的确定方面有了一定的成果，但也存在一些不足之处，主要体现在：1)理论研究主要还是处于弹性阶段；2)平面简化分析模型采用了较多的假定，与实际结构存在较大误差；3)指出了带加强层结构的薄弱部位，但仅从构造上进行弥补，没有提出有效的方法，不能从根本上解决其存在薄弱层和不利于抗震的问题。
超高层建筑中钢混结构应用探讨
超高层建筑中钢混结构应用探讨1 钢-混凝土混合结构国内外研究现状分析钢-混凝土混合结构体系与传统混凝土结构相比，有如下特点：构件截面尺寸小、结构自重轻、结构延性好、抗震性能强、施工速度快等；与钢结构相比，在抗侧刚度、防火性能、综合造价、舒适度等方面有明显优势。
是一种适用于超高层建筑的新型结构体系。
钢-混凝土混合结构在1972年首先被应用于国外。
美、日、法等国陆续建成了一批混合结构建筑。
80年代，我国静安希尔顿饭店成功运用了这一新型结构体系；90年代后我国又陆续建成了一批高度200m左右的建筑，如北京京广中心、上海森茂大厦、深圳发展中心、国际航运大厦等；21世纪后，我国相继建成了一批高度超过300m的超高层建筑，如上海金茂大厦、上海环球金融中心、广州西塔、上海中心、天津117 大厦、平安国际金融中心、北京国贸三期等。
图1 我国建成的部分超高层建筑钢-混凝土组合结构已经被广泛应用于超高层建筑结构中，加强该结构体系的研究及工程经验的总结，显得尤为重要。
1991 年底，建研院进行了23层钢框架-钢筋混凝土筒体混合结构模型试验[1]。
研究结果表明：该类混合结构整体性能更优于钢结构和混凝土结构。
1999年，同济大学利用地震振动台上完成了一个25 层钢-混凝土混合结构的模拟试验[2] ，研究结论认为混合结构能满足我国抗震规范中提出的三水准设防要求。
2004年底，中国建筑科学院完成了一个30层钢2混凝土混合结构模型试验[3] ，26个组合剪力墙高轴压比抗剪性能试验，27 个高含钢率型钢混凝土组合柱受力性能试验，提出了钢-混凝土混合结构设计建议。
此外，混合结构也进行了多次振动台试验，为分析其抗震性能提供了宝贵的资料，对混合结构进行弹塑性分析也提供了对比数据，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3）[4]和《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》（DG/TJ08215）[5]对混合结构的设计提出了具体指导内容。
我国已开展了一定数量的工程实践，得出了工程指导文件和实践经驗，但对这一新型结构的认识尚有空白之处，值得结构工程领域科技工作者的进一步研究与分析。
用钢铁铸就辉煌——建筑钢结构专家系列介绍(五十三)
型复杂 结构 的关键科 学 问题及设 计理 论研 究 ” 超 高 层 建 筑 结 构 的抗 震 设 计 理 论 ” ，作 为 修 订 组 与 了 《 层 民 用建 筑 钢 结 构 设 计 规 程 》 的修 订 。 高 团 “ 结 构 住 宅体 系 研 究 ”课 题 组 成 员 、 专 家 钢
模 板脚 手 架扣 件
均 为 标 准 件 ，组 装 方 便 快捷 。作 业 人 员
接 运送 至施工 作业 面 。
培 训 能 很 快 掌 握 操 作 技 术 ，并 且 便 于 管
『 方 式 简 单 ，不 受 结 构 外 形 的 限制 ，也 着 埋 构 件 或 预 留孔洞 ，通 过 管扣 件 可 以很 行 附着 。
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６ 础 不 需 要 像 塔 吊 、施 工 电梯 一样 做 特殊 ．基
处 理 ．受 场 地条件 的 限制较 小 。
７ ．基 座 底 部 带 可 调 节 滚 轮 ，移 动 起 来 省 力 、 方便 。 ８ 工 速 度 快 。依 靠 自身 升 降 平 台可 以直 接 ．施 将 施 工 材 料 运 输 至作 业 位 置 ，不 需 占用 塔 吊等 垂
工 程 的 结 构体 系优 化 设 计 、 节 点 分析 研 究 工作 ：３ 西 安 水 、 晶 岛 设计 ，项 目负 责 人 ；４ 国 家 大 剧 院 壳 体 钢 结 构 施 工 验 、 算 ， 项 目负 责 人 ；５ 上 海 同盛 国 际 大 厦 设 计 ， 项 目负 责 、 人 ；６ 、吉 林 市 万 人 体 育 馆 屋 盖 钢 结 构 设 计 ，项 目负 责 人 ： ７ 、北 京 人 民 医 院 新 住 院 楼 钢 结 构 设 计 ，项 目负 责 人 ：８ 、 国 家大 剧 院壳 体 钢 结 构 施 工 详 图设 计 ，项 目负 责 人 ：９ 、北 京 新 源 大 厦 设 计 ， 项 目负 责 人 ： １ 、 中央 电视 台 新 台 址 的 ０ 部 分 技 术 工 作 近 几 年 发 表 过 论 文及 专 题 报 告 有 “ 层 建 筑 钢 结 构 梁 高 柱 节 点试 验 研 究 ” 《 筑 结 构 》 “ 家 大 剧 院 壳 体 钢 结 构 建 、 国
带刚性加强层的高层建筑结构设计研究
带刚性加强层的高层建筑结构设计研究摘要：随着高层建筑的快速发展，带刚性加强层的高层建筑越来越多。
本文首先介绍了刚臂的形式、种类和构成，然后详细介绍了带刚性加强层的高层建筑结构设计。
关键词：刚性加强层；高层建筑；结构设计高层建筑中，当筒体稀柱框架结构高宽比较大（＞6）、筒体高宽比较大时（＞12），常在设备层、避难层设置整层高的刚度较大的从核心筒体外伸的斜腹杆衍架、直腹杆空腹析架、实体梁等，简称刚臂，将核心筒体和周边框架柱连接起来，以进一步发挥周边框架柱的轴向刚度作用，吸收更多的水平荷载，产生的倾覆弯矩，从而达到进一步有效提高结构的整体抗侧刚度，以既满足建筑平画功能的要求，又能满足结构的位移、强度、稳定、延性的要求。
这时设备层的避难层同时又成为结构的刚性加强层，整个高层建筑结构称作带刚性加强层的高层建筑结构。
1 刚臂的形式、种类和构成刚臂按其材料划分，可分为钢，钢混凝土组合，钢筋混凝土三类。
钢结构的刚臂—般由斜腹杆桁架构成宜与钢结构的核心筒钢支撑或钢框架以及周边钢框架枝铰接相连。
钢混凝土组合的刚臂，型钢外包混凝土组合时，宜与型钢外包混凝土的核心筒、周边框架柱刚按相连；钢管内填混凝土组合时，宜与钢管内填汉凝土混凝土的周边框架住、核心筒铰接相连。
钢筋混凝土的刚臂一般宜与钢筋混凝土的核心筒、周边框架性刚接相连。
这主要是从材料、构造的施工方便可行性考虑的。
刚臂按其组成形式来看，可有斜腹杆铰接、刚接桁架，直腹杆刚接空腹桁架、实体梁(开洞或不开洞)、铰接交叉、k形、△形等支撑体系。
刚臂的形式、种类、材料的选择主要取决于主体结构的材料、形式，建筑、设备的功能需要，刚臂结构的受力、延性、刚度要求等。
2 刚性加强层结构的设计要点1、刚性加强层结构的刚度匹配刚性加强层结构的研究表明，刚臂、框架柱与筒体之间的刚度匹配极其重要。
刚臂线刚度一般均小于筒体线刚度，研究表明，当刚臂与筒体的线刚度之比β1=0.1～0.3时，随着刚臂刚度增加，整体结构的抗侧刚度提高十分明显，且在β10.3时达最大；当β1＜0.1时刚臂过弱，作用极微；当β1＞0.3后，整体结构抗侧刚度增加不多。
超高层建筑钢结构施工技术研究李艳秋
超高层建筑钢结构施工技术研究李艳秋发布时间：2021-09-23T11:27:41.281Z 来源：《防护工程》2021年15期作者：李艳秋1、田旭2、蔡井超3 [导读] 钢结构施工技术在当前超高层建筑施工作业中发挥着积极的作用。
论文从分析超高层钢结构的特征入手，着重介绍了钢结构施工技术带来的影响，以及钢结构施工过程中的关键技术，围绕施工实例阐明了钢结构施工技术的重要作用，旨在为超高层建筑钢结构施工作业的顺利开展，提升超高层建筑工程项目建设水平提供支持。
李艳秋1、田旭2、蔡井超3中建一局集团第五建筑有限公司广东深圳 518000【摘要】钢结构施工技术在当前超高层建筑施工作业中发挥着积极的作用。
论文从分析超高层钢结构的特征入手，着重介绍了钢结构施工技术带来的影响，以及钢结构施工过程中的关键技术，围绕施工实例阐明了钢结构施工技术的重要作用，旨在为超高层建筑钢结构施工作业的顺利开展，提升超高层建筑工程项目建设水平提供支持。
【关键词】超高层建筑；钢结构；施工技术引言超高层建筑结构更加复杂，如果仍然沿用传统的钢筋混凝土材料，难以承担超高层建筑巨大的重量，无法满足其稳定性和耐久性的相关要求。
钢结构材料以其较高的强度和弹性模量成为超高层建筑的主要施工材料，钢结构的加工和安装已成为目前现代化超高层建筑常用施工技术。
钢结构施工工程是一个综合系统的工程，在应用时必须全面了解整个体系结构，把握各技术要点，确保该技术应用的有效性，从而为建设高标准的超高层建筑提供技术支撑。
1超高层建筑钢结构发展概述基于土地资源利用率要求，超高层建筑建设规模持续增大。
钢结构已经成为超高层建筑结构的首选，构件强度高、单位承载力大，可满足建筑高度不断增加的需求，也有利于确保底部稳定。
相关研究显示，钢结构具有自重轻、施工迅速、质量可靠等优势，与传统建筑结构相比，超高层建筑钢结构施工可有效减少施工中的资金消耗，保证项目按期保质完成，最终获得应有的经济效益，促进我国建筑行业的稳定、健康发展。
课题研究论文：浅谈超高层建筑钢结构施工技术的应用
92221 工程建筑论文浅谈超高层建筑钢结构施工技术的应用一、钢结构选型钢结构通常是框架、平面架、网架、索膜、轻钢、塔桅等结构形式，其理论与技术大都成熟，亦有部分难题没有解决，或没有简单适用的设计方法，结构和选形式，方应考虑它们的特点，基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落，而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉力为主的悬索结构体系。
结构的布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合考虑。
一般说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础，柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线。
否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。
框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。
通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。
二、超高层建筑钢结构施工准备1、材料准备水泥：325号以上矿渣硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
进场时必须有质量证明书及复试试验报告。
砂：宜用粗砂或中砂。
混凝土低于C30时，含泥量不大于5%，高于C30时，不大于3%。
石子：粒径0.5～3.2cm，混凝土低于C30时，含泥量不大于2%，高于C30时，不大于1%。
掺合料：粉煤灰，其掺量应通过试验确定，并应符合有关标准。
混凝土外加剂：减水剂、早强剂等应符合有关标准的规定，其掺量经试验符合要求后，方可使用。
2、机械准备主要机具：混凝土搅拌机、磅秤（或自动计量设备）、双轮手推车、小翻斗车、尖锹、平锹、混凝土吊斗、插入式振捣器、木抹子、长抹子、铁插尺、胶皮水管、铁板、串桶、塔式起重机等。
3、作业条件浇筑混凝土层段的模板、钢筋、预埋件及管线等全部安装完毕，经检查符合设计要求，并办完隐、预检手续。
浇筑混凝土用的架子及马道已支搭完毕，并经检查合格。
高层结构水平加强层对整体稳定性的影响
1802017年5月下【规划设计】住宅与房地产高层结构水平加强层对整体稳定性的影响胡 鑫（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510000）摘要：侧向位移的大小是影响高层建筑的一个关键因素。
为了使结构在侧向力的作用下产生的顶部侧移达到国家相关规范的要求，高层建筑结构通常会设置一个或多个水平加强层来提高结构整体的抗侧刚度，抑制顶部侧移的发展。
但是加强层刚度的增加在抗震设计中意味着刚度的突变，对结构抗震带来负面影响。
通过20层框架-核心筒结构的计算可以发现：不同形式的加强层均可以提高抗侧刚度，减小顶部位移；相比于其他形式的加强层，水平伸臂桁架梁加强层对抗震性最为有利。
关键词：抗侧刚度；水平加强层；高层结构；桁架梁中图分类号：TU981 文献标志码：A 文章编号：1006-6012（2017）05-0180-021 前言随着经济的快速发展，城市化进程的不断加快，越来越多的高层建筑、超高层建筑出现在大、中型城市。
高层建筑不仅可以在既有占地面积的基础上最大限度的增大建筑面积，缓解城市化进程中的人口集中现象。
同时高层建筑还是一个地区经济繁荣与科技进步的象征，尤其超高层建筑已然成为一个城市的地标，体现着城市现代化的程度。
由于侧向力成为影响高层结构内力、变形的最主要因素，因此提高高层结构的侧向刚度可以提高其整体稳定性。
高层结构中，竖向荷载的作用下的底部轴力随着建筑高度的增加线性增加，即N=f（H）；侧向力作用下的底部弯矩与建筑高度成三次方关系，即M=f（H3）；侧向力作用下的顶部侧向位移与高度成四次方的关系，即u=f（H4）。
所以侧向位移往往成为决定高层结构方案布置的控制因素。
水平均布荷载 u=（qH4）/8EI水平倒三角荷载 u=（qH4）/120EI由上述可知，侧向位移与结构的侧向刚度成反比的关系。
对于高层结构，为了控制侧向位移，当已有的抗侧力结构构件无法满足抗侧刚度的要求的时候，就需要增加抗侧力构件的尺寸或提高其材料强度等级，但是构件尺寸的增加及材料强度等级的增大作用有限，此时常常考虑利用建筑设备层和避难层布置结构加强层来增大其抗侧刚度。
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为研究设置水平加强层结构的抗侧移效果 、内 力分布和传递方式等地震效应 ,我们结合实际工程
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建筑科学
第 17 卷
对若干个工程实例和算例进行了三维空间有限元弹 性计算和二维平面弹塑性时程分析 ,得出一些共同 的规律 。图 1 中的天津国贸中心大厦为其中一典型 工程 ,本文以该工程为例 ,说明带水平加强层的超高 层钢结构在地震作用下的一些共同规律 。该大厦是 一栋整体多功能综合性建筑 ,其主塔楼部分地面以 上有 64 层 ,总高度为 25518m ,是我国目前已建成或 在建的建筑中最高的全钢结构超高层塔楼 。该结构 内芯为框架支撑结构 ,其中 ,第 11 、23 、34 和 53 层为 设备层 ;相应地 ,在第 23 层 、34 层和 53 层 ,设置了 三道水平加强层 (包括水平伸臂构件和周边环带) , 其中最底下一个加强层占据了第 23 和 24 两层 。
这种在加强层处的变形突变 ,必然伴随着结构 传力途径的改变和内力的突变 。
图 2 结构整体侧向位移图
图 1 天津国贸中心大厦
211 加强层对结构整体刚度的影响 结构设置了水平加强层后 ,前几个振型的自振
周期有明显的减小 ,详见表 1 所示 。同时 ,在设置水 平加强层后 ,结构各层的位移反应也明显减小 ,约为 22 % ,如图 2 所示 。从图 2 所示的结构整体变形图 可看出 ,不设水平加强层时 ,结构象一根悬臂梁 ,主 要以弯曲变形为主 ;设加强层后 ,由于周边柱的反力 矩作用 ,结构的弯曲变形在加强层处出现了反弯点 。
图 6 为内芯框架柱的弯矩变化图 。从图中可明 显看到 ,设置加强层后 ,加强层的上下层的内芯柱靠 近加强层端的弯矩急剧增大 。设置加强层后 ,层间 位移角变小 ,而弯矩为什么反而增大 ? 这是由于外 柱中轴力形成的反弯矩作用 ,使得内芯框架在加强 层处出现反弯点 ,加强层上 、下层柱靠近加强层端的 反向转角突然增大 (见图 4 中的 GA 、HB 、EI 和 FJ 柱) ,致使弯矩急剧增大 。从图 6b 中还可看出 ,无加 强层时 ,柱端弯矩在设备层处也有较大的波动 ,这是
第1期
易方民 ,等 :水平加强层在超高层钢结构中的应用研究
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由于设备层本身就是一刚度较小的加强层 ,故在加 强层的上下层的内芯框架柱的弯矩也有突变 。
图 3 层剪力沿高度方向的分布
图 5 外围框架柱和内芯框架柱的内力变化示意图
图 4 加强层变形图
性均匀减小的 ;设有加强层时 ,轴力在加强层处发生 突变 ,从上往下在每个加强层处 ,柱轴力突然增大 , 而各个加强层层间区内 ,轴力基本保持均值 。图 5b 为内芯框架柱轴力的变化示意图 。由图可见 ,不设 加强层时 ,内芯框架柱轴力沿高度方向基本按均匀 变化 ;设置加强层后 ,柱的轴力在加强层的下层突然 减小 。总体比较 ,设置加强层后 ,外围框架柱的轴力 增大 ,内芯框架柱的轴力减少 。
伴随着这种结构体系在工程中的大量应用 ,国
[ 收稿日期 ]2000 - 06 - 09 [ 基金项目 ]国家自然科学基金委员会和建设部联合资助重大项目
(项目批准号 :59895410) [ 作者简介 ]易方民 , (1972 年 —) ,男 (汉) ,工学博士
内外许多研究者很早也都开始研究和优化这种结构 形式 ,并取得了很多成果 。然而大部分的研究工作 都集中在推导计算不同平面简化计算模型情况下水 平加强层的最优位置[1 ,2 ] 。本文结合高层钢结构的 实际工程和一些算例 ,研究了带水平加强层结构的 地震响应及工作特点 ;分析了地震作用下结构内力 的传递方式 、分布等性能 ;探讨设置加强层引起内力 突变的原因 ;在分析比较了几种方案的基础上 ,探讨 了加强层的数量 、抗弯刚度以及周边环带等对结构 抗侧刚度 、内力突变等的影响 。最后本文发展了文 献[ 3 ,4 ]等提出的水平加强层有限刚度概念 ,提出一 种选择各水平加强层刚度的计算公式 。
(11 中国建筑科学研究院 , 北京 100013 ; 21 冶金部建筑研究总院 , 北京 100088)
[摘 要 ] 结合实际工程 ,深入地研究了设置水平加强层后超高层钢结构的地震响应 ;通过对几种不同方案的比较 ,进一 步研究了加强层的数量 、抗弯刚度以及周边环带等对结构抗震性能的影响 ;最后本文提出了一种水平加强层刚度的选择方 法 ,供工程应用参考 。
[ Abstract] Based on t he numerical computation of real structures , a t horough research on t he eart hquake response of outrigger2 braced super2tall steel structures is introduced in t his paper. In comparison among several different schemes , furt her research on t he influence of t he quantity and bending stiffness of outrigger and t he exterior belt on t he eart hquake resistant performance of structures is also presented. In t he end t his paper put forward a met hod of selecting t he stiffness of outrigger for reference in practice.
[ Keywords] outrigger ; super2tall steel structure ; eart hquake response ; bending stiffness
1 前 言
在高层和超高层建筑结构中 ,水平荷载引起的 结构侧移是设计中的主要控制指标之一 。沿高度方 向布置水平加强层作为减少侧移的一种有效手段 , 目前在世界各国得到了广泛的重视和应用 。这种体 系通过在技术层 (设备层 、避难层) 设置刚度较大的 加强层来加强内芯与周边框架柱的联系 ,它充分利 用周边框架柱的轴向刚度而形成的反弯矩来减少内 筒体的倾覆力矩 ,从而达到减少结构在水平荷载作 用下的侧移 。
[ 关键词 ] 加强层 ; 超高层钢结构 ; 地震响应 ; 抗弯刚度 [ 中图分类号 ] TU973 + ; TU973 + 131 [ 文献标识码 ] A
A Study on t he Application of Outrigger to Super2tall Steel Structures
一方面是由于加强层造成的应力集中 ;另一方面是 在结构上部设置一道加强层时 ,则仅结构上部抗侧
由于内芯框架的支撑在该楼层突然减少 ,造成层屈 移效果较好 。但这两种情况均比方案 2 (仅在结构
服剪力较上下层小很多 ,易形成薄弱层 。
22～23 层设置一道加强层) 的抗侧移效果差 。这是
3 几种方案的比较
第 17 卷第 1 期 2001 年 2 月
[ 文章编号 ]1002 - 8528 (2001) 01 - 0015 - 06
建 筑 科 学
BU ILDIN G SCIENCE
Vol117 ,No. 1 Feb. 2001
水平加强层在超高层钢结构中的应用研究
易方民1 , 高小旺1 , 张维 1 , 王 巍1 , 肖 伟1 , 杨蔚彪2
上 ;柱端的塑性铰主要Байду номын сангаас中在加强层上下层的柱端 果均匀 。其中方案 4 和方案 5 分别为只在中部和上
和底层的柱端 。柱端的塑性铰尤其集中在最上一个 部设置一道水平加强层 。从表 3 中可看出 ,仅在中
加强层上部楼层的柱端 。这是由于两方面的原因 , 部设置一道加强层时 ,结构中部抗侧移效果较好 ;仅
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建筑科学
第 17 卷
层的出现 。图 7 为天津国贸大厦在罕遇大震作用下 中下部分抗侧移效果均较好 ,但上部仍相对较差 ;方
塑性铰的分布 。从图 7 中可看出 ,梁端的塑性铰主 案 6 即为原结构 ,它在上 、中 、下设置了三道水平加
要集中在两侧 ,即中间内芯筒与外框架柱的连系梁 强层 ,从表 3 中数据明显可看出 ,结构整体抗侧移效
因为这一加强层占据两个楼层 ,而方案 4 和方案 5 中的加强层仅占一层 。
为了研究在设置不同数量 、不同位置的水平加 强层等情况下 ,结构的抗侧刚度及内力分布状况 ,我 们以天津国贸大厦为背景 ,计算比较了多种设置加 强层的方案 ,表 2 列出了其中较典型的七种方案 。
表 4 为考虑内芯筒柱的柱端弯矩时 ,三种方案 的计算结果的比较 。表 4 中 ,方案 2 为在结构的第 22～23 层设置了一道加强层 ;方案 7 设置了三道加 强层 ,但每个加强层中支撑的截面积仅相当于原结 构的 15 %。比较方案 2 和方案 7 两种情况 ,在抗侧
图 6 内芯框架柱弯矩 图 7 罕遇大震 作用下的塑性铰 分布图
(3) 加强层引起的薄弱层 通过前面几部分的 讨论可知 ,沿高度方向设置水平加强层 ,能够有效的 增加结构抗侧移刚度 ,减小结构侧向位移 ;但同时在 水平加强层处 ,由于外柱的反力矩作用而引起的变 形突变 ,将导致在加强层处形成了应力集中 。尤其 是在加强层的上下层的内芯框架柱 (如图 4 中的 EI、FJ 、GA 和 HB 段) 中 ,其组合应力远远大于其他 构件 ,在大震作用下很容易发生屈服 ,从而导致薄弱
(2) 设置加强层对外围框架柱及内芯框架柱内 力的影响 设置水平加强层后 ,外围框架柱和内芯 框架柱的内力在加强层处发生了突变 ,如图 5 和图 6 所示 。
图 5a 为外围框架柱的轴力的变化示意图 。由 该图可以看出 ,不设加强层时 ,轴力沿高度方向除在 设备层有较小的跳跃外 ,基本上是沿高度方向按线