淺析伸臂桁架和腰桁架在超高層結構設計中的重要性

在外框柱與核心筒之間設置伸臂桁架的主要目的是減小結構側移，它的機理是提高水平荷載作用下的外框架柱的軸力，從而增加框架承擔的傾覆力矩，同時減小了內核心筒的傾覆力矩。它對結構形成的反彎作用可以有效的增大結構的抗側剛度，減小結構側移動，一般情況下也會減小外框架的剪力分擔比。對于框架核心筒結構，設置伸臂桁架后減小側移顯著，而對于筒中筒結構而言，減小側移的效果很小。

在結構周圍設置腰桁架的作用作用是使各框架柱承受的軸力均勻變化，因此也可以達到提高外框架抗傾覆力矩的能力以及減小側移的目的，但是不如伸臂有效。在框架核心筒結構中，視外框柱的數量和布置方式，可以設置腰桁架，也可以不設置；由于腰桁架可以減小框筒結構的剪力滯后，因而在筒中筒結構中，腰桁架可以加大結構的整體剛度并減小其側移。

結構可以根據具體情況，僅設置一種或者同時設置以上兩種構件，設置了伸臂桁架、腰桁架的樓層可統稱為加強層。

加強層后，造成結構沿高度方向剛度不均勻，剛度突變帶來內力突變，因此在加強層及上下相鄰層構件的內力會出現較大的改變，設置是方向性的改變，加強層的剛度越大，內力突變的程度也越大，這種突變會產生薄弱層效應。

因此，在結構抗風設計中，采用伸臂桁架、腰桁架的效果很好，它可以采用剛度大的加強層，以形成較大的抗側剛度。

而在抗震設計的結構中，應盡可能的減小出現薄弱層形成的不利效應，因此可以不設置加強層時，就不必設置加強層，需要設置加強層時，也不宜采用剛度過大的伸臂和腰桁架，以避免加強層范圍出現過大的剛度突變。

沿高度可以布置一個樓層（一道）或多個樓層（多道）的伸臂桁架和腰桁架。研究表明，多道伸臂桁架減小側移的效果優于一道伸臂桁架，但是伸臂結構數量與減小側移并不成正比，當設置四道以上的伸臂桁架時，減小側移的效果就不再明顯。

伸臂設置的位置不同，其減小側移的效果也不相同，研究表明，當沿高度僅設置一道伸臂桁架時，可以設置在結構的2/3H處減小側移效果最好，而要減小內筒傾覆彎矩則越靠下越好；設置兩道伸臂桁架時，其中一道可設置在0.7H高度處，另一道大約設置在0.5H處。一般的高層結構設計中，伸臂桁架設置位置需要做敏感性分析，以研究其最有效和最適合具體結構的位置。

筒中筒結構中腰桁架的設置則要視減小剪力滯后的效果而定。

由于具體結構的類型和建筑布置的不同，結構的加強層一般宜與高層建筑的設備層和避難層統一，但是應強調建筑機電和結構的合作優化，包括加強層的位置，數量等。

從具體的技術層面上講，伸臂桁架和腰桁架的剛度不宜太大，如果采用整層樓高的鋼筋混凝土實腹大梁，不僅剛度突變過大，而且與它相連的上下層框架柱將非常不利，這些柱子容易出現塑性鉸及裂縫，甚至破壞，呈“強梁弱柱”的不利抗震概念。因此，伸臂桁架、腰桁架均宜采用桁架結構，其中鋼結構施工方便，優于鋼骨混凝土桁架。

由于抗震結構中設置加強層，具有不利的效應，加強層的剛度遠大于其他樓層，并出現內力突變，因此應提高加強層以及與加強層相鄰的豎向構件的抗震性能。

一般情況下，加強層及上下相鄰層中混凝土構件的抗震構造措施應提高一級采用，特一級時可不再提高。

伸臂桁架的上下弦是桁架的重要構件，必然有拉伸和壓縮變形，有時又樓板剛好處于同一標高，因此若按照樓板無限剛的假定進行計算，則應將伸臂桁架單獨開來，以便釋放上下弦的拉伸和壓縮變形，或者計算的時候樓板采用彈性膜假定，實際設計中一般在加強層均需要根據具體情況提出不同的構造措施和計算假定。

當伸臂桁架或腰桁架兼做轉換層構件時，不僅需要驗算其豎向變形和承載力，而且對于這種構件的抗震性能應提出特殊的嚴格要求。

在高烈度設防區，當在較高的或者特別不規則的高層建筑中設置加強層時，還宜采取進一步的性能設計要求和措施。為了保證它在中震或大震作用下的安全性，可以要求其桿件和相鄰桿件在中震或大震下不屈服，甚至更高的性能要求。根據結構高度及其重要性，宜采用靜力彈塑性分析或時程分析檢驗結構在中震及大震下的表現，以評估其達到設計抗震性能目標的能力。

伸臂桁架和腰桁架、外框架及核心筒相連，除了必須按照提高一級的抗震等級設計外，在實際設計中還需要注意以下各項措施。

伸臂桁架和核心筒之間的連接應采用剛接，伸臂桁架對核心筒的作用力（彎矩、剪力和軸力）很大，因此宜將其貫穿核心筒，并與另一邊的伸臂相連，或伸臂深入墻中應有足夠的錨固長度，且有可靠的錨固措施以均勻傳遞伸臂的集中力。

與伸臂桁架相連部位的混凝土墻內應設置豎向鋼骨；如果原來結構中已經設置鋼骨，則應利用此鋼骨與伸臂桁架構件相連，如果未設置鋼骨，則可以在相鄰樓層設置局部鋼骨。

但是在結構施工階段，應對伸臂桁架結構與核心筒之間連接采用措施，使二者之間可以豎向滑動，以避免由于施工階段內外結構構件的豎向變形差在伸臂結構中產生過大的初始應力。待結構的豎向變形差基本消除后，再進行連接。

伸臂桁架與外框柱的連接雖然可以采用鉸接，但是為了保證連接的可靠性，柱中宜有鋼骨（或局部鋼骨）與其上先弦連接。

加強層及其上下各一層的外框鋼骨混凝土柱，應沿柱全高加密箍筋；鋼柱的板件寬厚比限值應按照設防烈度提高一度的要求確定。

由于加強層上下產生的內力突變，加強層上下層樓板會傳遞很大的剪力，因此應適當增強樓板的剛度，樓板厚度不宜小于150mm，且不宜開較大的洞口，樓板的混凝土強度等級不宜小于C30，且應設置雙向雙排鋼筋。有必要時，尚應控制樓板在指定側向力下的應力水平。

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原標題：超高層鋼結構設計要點 伸臂桁架、腰桁架

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