高层建筑加强层(伸臂结构)浅谈
摘要：
如今高层建筑的迅猛发展，高层建筑不断地向高度更高，结构更复杂的方向发展。但是对于高层建筑，水平荷载起控制作用，随着高度的增高，风荷载，地震横向荷载对其影响越来越严重。但是按照传统规范来设计很难保证高层建筑水平位移达到要求，就算在规范要求内，建筑的功能要求也很难满足。所以很多国家对加强结构自身抗侧能力做研究，如上世纪60年代，北美，日本，欧洲等采用水平加强层来抵抗水平荷载作用。实际工程表明水平加强层的确起了很大的作用。虽然我国高层建筑起步比较晚，鉴于国外经验，也纷纷应用加强层来抵抗水平荷载。
本文对设置水平加强层的必要性，优缺点，加强层的主要形式及作用机理进行概述。并对水平加强层在地震作用下受力性能进行分析，提出设置耗能梁端方案。
关键词：高层结构 水平加强层 框架—筒体 抗侧刚度 水平位移
引言
在高层、超高层建筑中，水平荷载是主要的控制因素，结构的侧向位移则成为设计中主要的控制指标。往往在高层中运用框架一核心筒结构、筒中筒结构，但当其抗侧刚度不能满足要求时，常在结构中的某些楼层设置伸臂构件，构成加强层来控制建筑物的水平位移。加强层一般结合设备层，避难层使用。虽然能有效减少结构水平位移，但是在地震作用下由于加强层的设置会引起结构整体发生刚度以及内力的突变，形成新的薄弱层，出现“强梁弱柱，强减弱弯”的情况，使建筑结构的破坏难以预测，不容易呈现出延性屈服机制。为改善此类情况，故在设计中提出了设置耗能构件的方案。
1. 加强层介绍
1.1 加强层简介
加强层是连接内筒和外围结构的水平外伸臂（梁或桁架）结构的楼层，主要是为了控制并减小高层建筑结构的水平位移和结构自震周期以满足规范要求，最终满足建筑使用功能的要求和人的舒适感要求。加强构件主要有三种类型，伸臂、腰桁架和帽桁架、环向构件。三者功能不同，不一定同时设置，但如果设置，一般设在同一层。
伸臂是指刚度很大的连接内筒和外柱的框架-核心筒结构的实腹梁或桁架，通常是沿高度选择一层,两层或几层布置伸臂构件。由于伸臂的刚度很大,在结构产生侧移时，它使外柱拉伸或压缩，从而承受较大轴力，增大了外柱抵抗的倾覆力矩，同时使内筒反弯，减小侧移。
腰桁架和帽桁架也是设置在内筒和外柱间的刚度很大的桁架或梁，但它的作用是减少内筒和外柱的竖向变形差，从而减少楼盖大梁的变形。
环向构件是指沿结构周围布置一层楼高或两层楼高的桁架，它的主要作用是加强结构外圈的竖向构件的联系,加强结构的整体性，由于它的刚度很大,也可以协调周圈竖向构件的变形,减小竖向变形差,使竖向构件受力均匀。
1.2 优缺点分析
设置水平加强层后能使结构的内力重新分布，明显改善结构受力状态，使内力分布趋于均匀，发挥结构自身的抗侧潜力，减小结构的侧移，增大结构抗侧刚度。抗侧刚度的提高，在满足设计要求的情况下，可以减小构件的截面尺寸。从而节约了材料用量，同时提高了建筑使用面积，带来一定的经济效益。
但是由于设置了水平加强层，造成结构体系竖向刚度突变，存在许多问题，例如在地震作用下，由于局部刚度突变，加强层上下附近的结构构件内力突变，地震反应复杂，不容易判断其薄弱环节。而且由于设置的加强层很多都是实梁形式，实梁加强层刚度很大，在地震作用下很难呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制，往往塑性铰的位置会首先出现在外框架柱上，这是不允许的。
1.3 作用机理
在水平荷载和地震作用下，框架一核心筒结构的内筒承担了大部分水平剪力，水平荷载和地震作用产生的倾覆力矩由以下三种力矩与之平衡：
(1)核心筒的弯矩： (2)外框架柱的弯矩；
(3)外框架柱的轴向压力和拉力形成的力矩（这种力矩是由于建筑物的整体弯曲效应产生的）。 具体作用机理：由于核心筒的抗侧刚度远大于外框架，故水平力大部分均由它来承担。核心筒受均布水平荷载作用时表现为弯曲变形，这在高层结构中将会产生很大的顶点位移。而核心筒与框架之间传递整体弯矩的能力较差，改变这种受力状况的有效途径之一就是建立起框架与核心筒强有力的联系，从而提高整体抗侧刚度，加强层的主要作用就是提供这种可靠的联系。在设置水平加强层后，由于水平加强层和核心筒刚度都很大，二者形成了一个整体刚度较大的体系。在水平荷载的作用下，加强层随着核心筒剪力墙的弯曲变形而发生转动，使与水平加强层左右两端相连的外框架柱产生一定的轴向拉压变形，让柱子参与整体抗弯。这样，弯矩转化为柱子轴力，外框架柱轴向刚度较大的优点得以充分利用。可见．设置水平加强层后会使加强层下面的外框架柱轴向拉压力显著增大，水平加强层两端相连的外框架柱拉压轴力就对结构行成一个较大的与水平荷载倾覆弯矩方向相反的弯矩，减小了核心筒剪力墙弯矩，从而约束整体结构的自由转动，使结构侧移减小。
2. 水平加强层在地震中反应
现对带2层加强层的结构受力分析，在侧向荷载作用下内力图如下：
图1 结构在侧向力作用下轴力，剪力，弯矩图
加强层位于第17、34层，从内力图中我们可以清楚的看到在加强层附近外柱的轴力和内筒弯矩发生突变，而就是在这些地方容易形成薄弱层。根据其他网上的相关资料及其他学者的研究也证明在发生破坏的地方往往是加强层上部楼层和下部楼层，我们暂且可称之为“关键层”。
2.1 加强层模型
对于研究加强层的层数和布置位置，加强层的刚度等问题在高层和超高层建筑问题中尤为重要，所以需要建立合理、力学概念明确的分析模型。加强层的模型主要为二维简化模型和有限元模型，以下主要对简化模型予以叙述。 二维简化模型：根据模型的假定和分析方法，对加强层结构进行分析的简化模型主要分为两类：变形协调模型和连续化模型。这两类模型的划分界定并不绝对，可以针对不同的分析目标，综合运用。
2.1.1 变形协调模型：
1975年Taranath提出了以下简化分析模型，如图2，该简化分析模型采用的基本假设有：
（1） 结构处于线弹性工作阶段； （2） 加强层的刚度为无穷大； （3） 芯筒和外围框架柱仅由加强层连接，忽略普通楼层梁和楼盖的连接作
用；
（4） 加强层与筒体间为刚性连接，与外柱铰接，筒体与基础刚性连接。 Taranath根据该简化模型得出单道加强层最优设置位置为离顶层0．455倍结构全高的位置。由于该模型考虑的加强层刚度为无穷大，会对结果产生较大的影响。
图2 具有2个加强层的简化分析模型
2.1.2连续化模型：
其主要特点是忽略结构局部差异，如同开口剪力墙计算，将刚臂连续化。但
在刚臂数量较少时，精度较差，随着刚臂的数目增多，其计算精度将升高。如图3所示对框架一核心筒结构进行整体稳定性分析，基本假设有： （1） 假定核心筒与框架的构件截面性质沿着高度方向保持不变； （2） 核心筒只考虑弯曲变形；
（3） 框架近似为i个剪切型悬臂构件，其整体弯曲变形忽略不计。 （4） 框架与核心筒之间连续地采用刚性链杆连接，链杆代表楼板的横隔板作用，
只传递水平荷载，使框架和核心筒共同变形。