复杂高层建筑结构

11．7．1 复杂高层建筑结构的分类如第l章所述，复杂高层建筑结构可分为带转恢层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构和多塔结构5类。

这几种结构竖向布置不规则。

传力途径复杂，有的结构平面布置也不规则。

这些特征是某些建筑多功能发展的需要决定的。

11．7．2 复杂高后建筑结构的适用范围由于复杂高层建筑结构属于不规则结构．在地震作用下容易形成敏感的薄弱部位，所以应对其在地震区的适用范围予以限制。

我国《高规》指出，为了使其抗震性能良好并能满足有关抗震设防的要求，复杂高层建筑结构的应用范囤应符合下列规定：(1)9度抗震设计时，不应采用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构。

对于多塔结构，9度抗震设计时不允许采用。

(2)7度和8度抗震设计时、不宜同时采用超过两类的复杂高层建筑结构。

否则，在比较强烈的地震作用下，难以避免发生严重震害。

(3)对含有框架—剪力墙和剪力墙错层结构的适用建筑高度应严格限制。

7度和8度抗震设计时，错层剪力墙结构的高度分别不宜大于80m和60m；错层框架—剪力墙结构的高度分别不应大于80 m和60 m。

因为错层结构竖向不规则，错层附近的竖向抗侧力结构容易形成薄弱部位，楼盖体系山因错层受到较大的削弱，严格限制其适用高度十分必要。

(4)抗震设计时，B级高度高层建筑不宜采用连体结构。

震害表明，连体的位置越高，越容易倒塌；房屋越高，连体结构的地震反应越大。

(5)对于B级高度底部带转换层的筒中筒结构．当外筒采用剪力墙构成壁式框架时，其最大适用高度可比无转换层时的限高降低10％一20%，视设防烈度大小、转换层位置高低而定。

这一限制是考虑到转换层上、下刚度和内力传递途径突变的不利影响。

以下重点介绍带转换层的结构和带加强层的结构。

11．8 带转换层高层建筑结构设计11．8．1 转换层在高层建筑中的应用为了实现高层建筑内部上下层结构形式与柱网的变化，可以采用图11—12所示的各种形式的转换层结构，即：(1)梁式转换层：见图11—12a及b。

(2)桁架式转换层：见图11—12e；(3)空腹桁架式转换层：见图11—12f。

(4)厚板转换层：见图11—12c(5)箱式转换层：见图11—12d。

对于外围护结构(例如框筒)采用的转换层结构，由于建筑立面造型的需要可采用图11—13所示的转换层结构形式，即：梁式转换(图11—13a)；桁架式转换(图11—13b)；空腹桁架转换(图11—13c)；多梁式转换(图11—13d)；合柱式转换(图11—13e)；拱式转换(图11—13f)。

应当指出，各种形式的转换结构中，粱式转换结构在工程中的应用最广泛，因为它受力明确，设计与施工简单。

梁式转换结构一般用于上部密柱向下部稀柱的转换，或用于上层为剪力墙结构、下层为框架结构的转换。

当纵向和横向同时需要转换时，可以来用双向布置梁的转换方式。

例如图11—14a是北京国际贸易中心国际旅馆采用的粱式转换层，图11—14b是北京南洋饭店的梁式转换层；与此类似的还有广东肇庆星湖大酒店，标准层布置见第7章图7—3，其下即为粱式转换层。

在第7章图7—4个结出了短肢剪力墙与下面大空间的柱式转换工程结构平面图。

1．8．2 转换层结构布置在高层建筑结构设计中进行转换层结构布置时应符合下列原则规定：(1)避免高位转换。

转换层位置越高对抗震越不利。

对部分框支剪力墙结构，转换层的设置高度，8度设防时不宜超过3层，7度设防时不宜超过5层，6度设防时可适当提高。

对于底部带转换层的框架—核心筒结构和筒中筒结构，由于转换层上、下内力传递突变程度小于框支剪力墙结构，其转换层结构的设置高度可适当提高。

(2)减小转换层上、下刚度的突变，控制在规范允许的范围内。

(3)合理选择转换层结构形式。

厚板转换层只限于非震区和6度抗震设计采用。

对于大空间地下室的厚板转换层不受此限。

B级高度框支剪力墙结构不宜采用框支主、次梁布量方案。

A级高度可以采用，但设计中应对框支粱用有限元法进行应力分析，按应力分析配筋并加强构造。

(4)特别严格遵守落地剪力墙(筒体)和框支柱布置的有关规定。

11．8．3 转换层构件的设计计算要点11．8．3．1 框支梁和转换梁框支梁在大多数情况下为偏心受拉构件，并承受很大的剪力，约为普通楼盖主梁的数十倍。

将上部柱距扩大的一般转换梁也承受如此强大的剪力，为此设计时应采取下列设计措施：(1)严格遵守《高规》关于框支梁截面高度要求及框支梁截面组合的最大剪力设计值的限制条件。

(2)为了承受强大的剪力，梁截面要有合适的宽度，截面的高宽比宜小于1．5。

同时，箍筋宜采用粗钢筋甚至高强钢筋，肢数可在8肢以上。

(3)框支梁的支座及上部墙体门洞附近，粱的剪力均较大，箍筋应加密；当梁上洞口靠近梁支座范围时，可加腋提高受剪承载力。

(4)框支梁本身不宜开洞，否则在计算上和构造上应进一步处理。

(5)框支梁受力复杂，宜在结构整体计算后按有限元方法进一步作精确应力分析。

(6)当内力太大时，也可采用型钢混凝土框支梁。

对于一般的转换粱也应符合上述设计要求。

11．8．3．2 空腹桁架采用空腹桁架作转换层时，一定要保证其整体的受力作用。

空腹桁架的上、下弦杆宜考虑楼板共同工作，竖腹杆应按“强剪弱弯”的原则配筋；要加强竖腹杆的箍筋配置及其两端的连接构造。

要加强上、下弦杆与框架柱的锚固。

11．8．3．3 厚板转换厚板转换最宜用于复杂的商住楼。

即当上部住宅势力墙结构布置很不规则场等要求布置大柱网时，采用厚板转换是一种好的结构形式。

当在非震区及6度设防地震区设计时．可按《高规》进行设计，也可采用中国建筑科学院厚板程序TBPL计算。

否则应在整体分析后按有限元方法，采用中厚板单元等近一步计算，详见第13章，并采取更严格的构造措施和试验研究。

11．8．3．3 箱形转换层箱形转换层要求箱形转换构件具有足够大的平面刚度来保证整体工作。

箱形转换层结构上、下楼板厚度不宜小于180mm，并在配筋时要考虑自身平面内的拉力、压力及局部弯矩的影响。

以上各点更具体的规定，详见《高规》。

11．9 带加强层高层建筑结构设计11．9．1 加强层结构的形式什么是加强层？现以框架—核心筒为例予以说明。

为了提高这种结构的侧向抗力和刚度．一个途径是把外框架的稀柱变为＜4m的密柱，这就是整体性很强、侧向刚度很大的筒中筒结构。

另外一个途径，就是把核心筒的墙体轴线上连系外框、内筒的梁的截面高度从下层到上层增加到等于层高而变成一片剪力墙，这时外框与内筒整体性大大增加，结构的侧向刚度自然十分强大。

实际上，并不需要从下到上的全部梁截面增高，仅需将l一3个层的梁截面高度增加到一个层高(图11—15)就会有理想的效果。

因为这时梁截面的刚度已是普通梁的50—100倍。

这样的结构层就是加强层。

该增高的梁称为水平刚臂或水平外伸构件。

以水平刚臂构成的加强层，可以采用下列几种结构形式：(1)梁式加强层——如上所述，将普通大梁增大至所带高度(不一定等于层高，计算确定)；(2)桁架式加强层——水平刚臂是桁架，具有水平、垂直及斜向杆件；(3)空腹桁架式加强层——水平刚臂是空腹桁架．只含有水平及垂直杆件；(4)箱式加强层——由整个一层的墙、外围梁与上、下楼板一起构成。

应当注意，必要时在加强层设置周边水平环带构件，以加强整个结构的抗侧刚度，如图11—15所示。

加强层水平刚臂构件早期常用钢结构，现已扩展到采用钢筋混凝土结构。

11．9．2 加强层对高层建筑结构工作性能的影响如上所述，出于加强层水平刚臀的设置，使核心筒与外柱连成整体共同工作，并使核心筒和外柱因外力作用而产生的竖向变形得到协调。

核心筒弯曲时由于受到外柱轴向变形的限制．各个横截面不再能自由转动，从而减小了结构的层间位移和顶点侧移。

总之，设置加强层可以使外柱参与整体抗弯，增强结构整体抗侧能力，减小核心筒的弯矩，减小结构的侧移，以下分别说明。

11． 9．2．1 减小核心筒弯矩的因素如图11—16所示，当仅在结构顶部设置一道水平刚臂时(图11—16b，)，核心筒受到的弯矩要比无水平刚臂时(图11—6a)少M t。

当在半高处设量第二道水平刚臂以后(图11—16c)，下部核心筒受到的弯矩比上述图11—16b少M2，比无水平刚臂时(图11—16a)少M1+M2。

研究表明，不仅刚臂的设置道数，而且刚臂的设置高度位置及核心筒、外柱、刚臂之间的相对刚度，对核心筒弯矩的减小都有影响。

图11—17a给出了一般情况下核心筒弯矩M减小的百分数与刚臂道数的关系曲线。

图中ω为与筒体、刚臂和外柱刚度有关的参数。

由图11—17可知，设置一道刚臂时核心筒弯矩减小较显著，当多于两道时弯矩减小的效果则逐渐减弱。

11．9．2．2 减小结构侧移的影响因素1．刚臂的道数图11—17b给出了设置加强层以后，结构顶点的侧移△比未设加强层时减小的百分数。

可以看出，设一道刚臂时，结构顶点侧移减小的幅度最大，效果最显著，随着刚臂道数的增多，结构顶点侧移减小的幅度逐渐减弱。

刚臂道数对结构侧移的影响规律与其对核心筒弯矩的影响规律很相似。

2．刚臂所在位置尚度和核心筒与外柱的刚度比设置刚臂使结构侧移减小的程度，不仅与刚臂道数有关，还与刚臂所在高度位置、核心筒与外柱刚度比α以及刚臂的抗弯刚度有关。

图11—19给出了一框架—核心筒结构在梁高h=2m、3m和4m 3种井字形双向实腹梁刚臂情况下，按7度抗震设防，地层顶点侧移△计算结果与无刚臂加强层的比较。

由图可知：当刚臂截面高度h＝2m时，减小侧移的效果己相当显著。

梁高再进一步增大时，减小侧移的效果逐渐减弱。

11． 9．23 加强层对构件内力竖向分布的影响1．外柱轴力的竖向分布不设刚臂时，水平地震作用下，柱子轴力沿建筑高度为一自上而下递增的平滑斜线。

设置刚臂以后，加强层处柱子轴力突变，轴力分布曲线被分为上、下两段，在每一段内轴力变化趋缓。

2．核心筒弯矩的竖向分布不设刚臂时，水平地震作用下核心筒弯矩在结构底部最大，由下往上很快衰减，且可能在顶端附近出现零点。

设有刚臂时，核心筒底部弯矩减小，但沿竖向的分布复杂，一般会出现两处突变、两个弯矩零点。

3．核心筒和外柱剪力的竖向分布当设加强层以后，核心筒和外柱的剪力沿竖向的分布特点是在加强层高度的剪力均发生突变。