带加强层与错层高层结构设计与施工1006

1、1带加强层与错层高带加强层与错层高层结构设计与施工层结构设计与施工2一、加强层的概念一、加强层的概念加强层：指设置加强层：指设置了刚度较大水平了刚度较大水平构件的楼层。有构件的楼层。有时将加强层称为时将加强层称为伸臂。伸臂。31、加强层的结构形式、加强层的结构形式42、加强层的工作机理、加强层的工作机理5工程名称工程名称层数层数总高总高/m加强层数加强层数加强层类型加强层类型位移控制位移控制内力控制内力控制 其其 他他上海锦江上海锦江饭店饭店 44 44 154 154 2 2 桁架桁架顶 点 位 移顶 点 位 移减小减小13%最大柱拉最大柱拉力 减 小力 减 小20%自振周期自振周期降低降低

2、8%河南某办河南某办公大楼公大楼 34 34 117.2 117.2 2 2 梁式梁式顶 点 减 小顶 点 减 小28%，层间，层间减小减小25%外柱弯矩外柱弯矩增增13.2% 混凝土省混凝土省6 9 0 立 方立 方米米深圳商业深圳商业中心中心 52 52 167.2 167.2 2 2 梁式梁式顶 点 减 小顶 点 减 小30%外框剪力外框剪力为为42%，内 筒 为内 筒 为58%北京国际北京国际大厦大厦 41 41 153.3 153.3 3 3 梁式梁式风 载 下 小风 载 下 小14%，地震，地震下小下小10%加强层高加强层高4.2m广州天河广州天河娱乐广场娱乐广场主楼主楼 33 3

3、3 125.6 125.6 2 2 梁式梁式顶点小顶点小32%，层间小层间小35%加强层高加强层高3.5m表表1-2 1-2 设加强层与不设加强层对比设加强层与不设加强层对比63、带加强层结构的优点与缺点、带加强层结构的优点与缺点优点：优点： （1）增大结构的抗侧刚度，减少结构的侧移。）增大结构的抗侧刚度，减少结构的侧移。 （2）可将设备层、避难层等做成加强层，实现）可将设备层、避难层等做成加强层，实现 使用功能要求与结构需要的统一。使用功能要求与结构需要的统一。 （3）可减小剪力墙、筒体的截面尺寸，节省材）可减小剪力墙、筒体的截面尺寸，节省材 料用量。料用量。缺点：缺点： 主要缺点是使结构的

4、竖向刚度、内力和变形发生主要缺点是使结构的竖向刚度、内力和变形发生突变。突变。4、工程应用情况、工程应用情况7 工程名称工程名称 层层 数数 总高总高/m 加强层数量加强层数量加强层类型加强层类型上海环球金融中上海环球金融中心大厦心大厦 101101 492492 3 3 桁架桁架上海金茂大厦上海金茂大厦 8888 372372 3 3 桁架桁架深圳地王大厦深圳地王大厦 8181 384.3384.3 4 4 桁架桁架深圳赛格广场深圳赛格广场 7171 353.8353.8 4 4 桁架桁架天津国贸中心天津国贸中心 6363 226226 3 3 桁架桁架东京新宿行政楼东京新宿行政楼 5454

5、 223223 4 4 桁架桁架墨尔本墨尔本BHP大楼大楼 4141 150150 2 2 桁架桁架8二、加强层的最佳位置及影响因素二、加强层的最佳位置及影响因素（一）加强层的最佳位置（一）加强层的最佳位置1、按刚性加强层分析、按刚性加强层分析基本假定：基本假定：（1）外排柱与核心筒横截面沿高度不变；）外排柱与核心筒横截面沿高度不变；（2）忽略转动惯量和剪切变形影响，忽略）忽略转动惯量和剪切变形影响，忽略 一般楼盖影响；一般楼盖影响；（3）加强层与外排柱铰接，与核心筒刚）加强层与外排柱铰接，与核心筒刚 接，核心筒承担弯矩，外排柱不承担接，核心筒承担弯矩，外排柱不承担 弯矩；弯矩；（4）水平加强

6、层的弯曲刚度无限大。）水平加强层的弯曲刚度无限大。9计算简图：计算简图：1975年美国学者年美国学者Taranath计算模型：计算模型：10 由图可求得结构的内力和位移方程，根据由图可求得结构的内力和位移方程，根据顶点位移最小的条件，可得下表所示的均顶点位移最小的条件，可得下表所示的均布荷载下加强层的最佳位置。布荷载下加强层的最佳位置。加强层数量加强层数量 X1/H X2/H X3/H X4/H 1 2 3 4 0.455 0.312 0.243 0.202 0.686 0.534 0.443 0.779 0.646 0.829作为工程实际应用，可近似在等分点处布置加强层。作为工程实际应用，可

7、近似在等分点处布置加强层。注：注：x1、x2、x3是从顶部起算。是从顶部起算。 112、按弹性加强层分析、按弹性加强层分析3，47加强层的最佳相对位加强层的最佳相对位置为：置为： i=b0+bi式中：式中： 为刚度特征为刚度特征系数，系数， 为为0时，伸时，伸臂刚度无限大。系数臂刚度无限大。系数bi见下表。见下表。121314151617（二）楼盖刚度及连接方式的影响（二）楼盖刚度及连接方式的影响181920（三）外环梁的作用（三）外环梁的作用天津华信商厦天津华信商厦51：21地下地下3层，地上层，地上48层，屋顶高层，屋顶高206m。第。第21层和第层和第36层设加层设加强层。外环梁高选用三

8、种尺寸：强层。外环梁高选用三种尺寸：1200mm、800mm、400mm，代号分别为，代号分别为120、80、40，第，第21层设加强层时层设加强层时的代号为的代号为J21,第第36层设加强层层设加强层的代号为的代号为J36。22232425三、带加强层结构算例三、带加强层结构算例1、 基本情况基本情况 某建筑某建筑50层，各层层高层，各层层高3.5m，房屋总高，房屋总高175m。平面如下图所示，钢框架中柱截面尺寸为。平面如下图所示，钢框架中柱截面尺寸为750mm750mm65mm，角柱为，角柱为1000mm1000mm75mm，梁高，梁高700mm，混，混凝土核心筒筒壁厚凝土核心筒筒壁厚50

9、0mm，隔墙厚，隔墙厚300mm。楼面。楼面恒载恒载8kN/m2，活荷载，活荷载2kN/m2。基本风压。基本风压w0=0.40kN/m2，基本设防烈度为，基本设防烈度为7度，度，类场地类场地土，第一组，阻尼比土，第一组，阻尼比0.04。算例算例1：26a）标准层及加强层平面图）标准层及加强层平面图b）结构剖面图）结构剖面图c）三维透视图）三维透视图ETABS软件反应谱分析软件反应谱分析C1W1外围钢框架D10000C1000030000350030003500A10000432300001000010000B110000主梁（加强层）（加强层）主梁主梁（加强层）（加强层）主梁（加强层）主梁（加

10、强层）主梁主梁（加强层）主梁（加强层）3000010000A50X350010000BCD272、模型方案、模型方案模 型 方 案刚接半刚接铰接无加强层17、34层10、20、30、40层13、25、38层25层283、周期与振型比较、周期与振型比较连接形式连接形式不设加强不设加强层层25层设加层设加强层强层17、34层设加强层设加强层层13、25、38层设加层设加强层强层10、20、30、40层层设加强层设加强层铰接铰接7.2656.3595.9785.7285.554刚接刚接6.3495.9365.7145.5485.423刚接刚接/ /铰接百分比铰接百分比87.

11、39%93.34%95.58%96.86%97.65%半刚接半刚接6.8656.1895.8785.6615.507半刚接半刚接/ /铰接百分比铰接百分比94.50%97.33%98.32%98.84%99.15%注：周期单位为注：周期单位为 s 。2901020304050H0.76H0.86H0.48H0.90H0.64H0.34HMode1Mode4Mode3Mode2振型 楼层01020304050HMode10.76H0.86H0.48H0.90H0.62H0.32HMode3Mode2Mode3Mode4振型楼层a）X向振型向振型b）Y向振型向振型304、结构顶层位移对比、结构顶层

12、位移对比0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.760.800.840.880.920.961.00顶点侧向位移相对百分比加强层相对位置 刚接 刚接 半刚性连接半刚性连接 铰接铰接01234150160170180190200210220230240250顶点侧向位移加强层数量 刚接 刚接 半刚性连接 半刚性连接 铰接 铰接连接形式不设加强层25层设加强层17、34层设加强层13、25、38层设加强层10、20、30、40层设加强层铰接246mm192mm170mm161mm154mm刚接189mm168mm160mm154mm149mm刚接/铰接百分比76.65

13、%87.57%93.96%95.59%96.68%半刚接/铰接220mm181mm166mm158mm152mm百分比315、结构楼层变形对比、结构楼层变形对比02040608010012014016018001020304050楼层水平位移(mm) 刚接刚接 铰接铰接 半刚接半刚接030609012015001020304050楼层楼层位移(mm) 刚接 刚接 铰接 铰接 半刚接 半刚接0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.001401020304050楼层层间位移角 刚接刚接 铰接铰接 半刚接半刚接0.00000.00020.

14、00040.00060.00080.00100.001201020304050楼层层间位移角 刚接 刚接 铰接 铰接 半刚接 半刚接地震作用下地震作用下风荷载作用下风荷载作用下326、结构楼层变形对比、结构楼层变形对比-1000000100000 200000 300000 400000 500000 60000001020304050筒体及框架弯矩（kNm） 筒体 筒体 框架 框架楼层-20000200040006000800001020304050 筒体及框架剪力（kN） 筒体 筒体 框架 框架楼层337、加强层对核心筒墙肢内力的影响、加强层对核心筒墙肢内力的影响48139.3843337

15、.739137.6157549.52123364.0713482.869417.72913063.92841.85567.3572899.873247.062453.111586.375136.981473.252186.971563.69754.85893.55634.491269.45487.46506.5544376.8839984.597212.9543983.947-767.2483727.09118824.4214509.61-8042.76-10984.5-7127.223552.7517308.4274516.122-657.30336.2072100.192495.45210

16、5.191254.91-4674.391124.731923.621158.14341.24-4959.8229.39880.83-388.7-397.18弯矩（弯矩（kNm）剪力（剪力（kNm）地震弯矩地震弯矩风荷弯矩风荷弯矩地震剪力地震剪力风荷剪力风荷剪力348、加强层对外框架柱内力的影响、加强层对外框架柱内力的影响202.81109.061048.89306.66129.89247.711023.96160.89271.14271.8188.90160.3171.7244.5876.32581.6775.6872.82588.6480.239.8045.453513.093514.913

17、459.232545.631723.11835.161728.77115.2713.997.39175.8383.65151.68912.35423.04-887.99-112.50-377.67357.81115.89798.96-815.78-131.42-354.5266.47-117.6852.6132.8052.75-58.65329.56-460.15335.31-58.6657.2862.40-62.48368.57-513.05374.57-68.4359.858.3434.37-1.89-3.80-35.20651.971354.191370.302122.102928.65

18、2997.542999.64a）弯矩（）弯矩（kNm）b）剪力（）剪力（kN）c）轴力（）轴力（kN）35算题算题2：1、基本情况、基本情况45层，层，162m。平面。平面和立面图形如右图所和立面图形如右图所示，分析方案如表示，分析方案如表4-38。362、一道刚臂时刚臂位置与顶点位移的关系、一道刚臂时刚臂位置与顶点位移的关系373、刚臂数量与位移和层间位移角的关系、刚臂数量与位移和层间位移角的关系384、不同方案时柱、不同方案时柱Z1的轴力的轴力395、连接方式对结构性能的影响、连接方式对结构性能的影响注：注：GG 梁筒刚接，梁柱刚接；梁筒刚接，梁柱刚接； GJ 梁筒刚接，梁柱铰接；梁筒刚接

19、，梁柱铰接； JG 梁筒铰接，梁柱刚接；梁筒铰接，梁柱刚接； JJ 梁筒铰接，梁柱铰接。梁筒铰接，梁柱铰接。4041柱柱Z1的轴力和剪力的轴力和剪力四、带加强层结构工程实例四、带加强层结构工程实例实例实例1：大连国贸大厦：大连国贸大厦 地下地下5层，地上层，地上 79层，层，420m高。高。42 分别在第分别在第23、37、50、62、79层设置层设置桁架式加强层。桁架式加强层。434445 实例实例2：重庆重宾保：重庆重宾保利国际广场利国际广场 58层，层，286.8m高，高，钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架-核心核心筒结构。筒结构。464748水平伸臂桁水平伸臂桁架：上、下架：上、下弦采用型钢

20、弦采用型钢混凝土杆件，混凝土杆件，腹杆采用钢腹杆采用钢杆件。杆件。4950515253 错层结构是指将同层楼面分成两个或两错层结构是指将同层楼面分成两个或两个以上的区段，并将他们沿房屋高度方个以上的区段，并将他们沿房屋高度方向错动形成的结构。向错动形成的结构。 错层结构在高层建筑结构中其实普遍存错层结构在高层建筑结构中其实普遍存在，如楼梯间。不过此处讨论面积较大在，如楼梯间。不过此处讨论面积较大的错层。的错层。54五、错层结构的概念五、错层结构的概念55湖南大学复临舍教学楼楼梯湖南大学复临舍教学楼楼梯156湖南大学复临舍教学楼楼梯湖南大学复临舍教学楼楼梯2571 1、错层结构分类、错层结构分类

21、58 包含型错层结构 交叉型错层结构错层柱（墙）错层柱（墙）错层柱（墙） 混合型错层结构2 2、错层结构的形式、错层结构的形式59603、错层结构的受力特点、错层结构的受力特点 （1）楼盖被分割，楼面在自身平面的）楼盖被分割，楼面在自身平面的 刚度被削弱。刚度被削弱。 （2）错层处的框架柱或墙可能被形成）错层处的框架柱或墙可能被形成 短柱或短墙。短柱或短墙。 （3）错层处的梁柱节点应力集中，受）错层处的梁柱节点应力集中，受 力复杂，容易发生破坏。力复杂，容易发生破坏。61六、错层结构的受力分析六、错层结构的受力分析（一）柱的抗侧刚度（一）柱的抗侧刚度0D =11D=136EIh36EIh2D=

22、1MMh1312ccEIDDh62F1、并联柱的抗侧刚度、并联柱的抗侧刚度1231nniiDDDDDD总123n1D3DDn2D632、串联柱的抗侧刚度、串联柱的抗侧刚度1D2DmDFD121111111mmiiDDDDD总1jijjmjjDQFD各柱剪力：各柱剪力：64（二）错层结构手算方法（二）错层结构手算方法1、在错层框架的某一跨或某几跨中增设虚梁、在错层框架的某一跨或某几跨中增设虚梁652、根据柱的串联、并联情况，将增设虚梁跨、根据柱的串联、并联情况，将增设虚梁跨的框架等效为一根独立柱。的框架等效为一根独立柱。663、求框架在水平荷载下的各柱剪力。、求框架在水平荷载下的各柱剪力。674

23、、将等代柱的剪力按、将等代柱的剪力按照照“柱间无荷载时柱柱间无荷载时柱剪力不变及同层柱剪剪力不变及同层柱剪力按力按D值大小分配值大小分配”的原则，分配给设置的原则，分配给设置虚梁框架的各柱，求虚梁框架的各柱，求得各柱的剪力。得各柱的剪力。68（二）分析例题（二）分析例题680080006800800012 kN12 kN400040004000480013.2 kN7.2 kN691234567891011121314151617181920211245910152014196.5825.425.46.586.5813.13.8113.11.64.26.714.85.616.225.729.6

24、等效框架柱剪力等效框架柱剪力添加虚梁添加虚梁等效框架等效框架701 .63 .52 .14 .23 .51 0 .26 .71 6 .21 2 .21 6 .11 4 .86 .71 3 .59 .54 .01 5 .61 7 .21 1 .68 .61 6 .11 2 .21 0 .67 .01 .94 .55 .71 .37 .74 .0 51 .4 4按近似计算法的剪力按近似计算法的剪力按精确计算法的剪力按精确计算法的剪力71七、改善错层结构受力性能的措施七、改善错层结构受力性能的措施1、提高错层柱的抗震等级，加大配筋量。、提高错层柱的抗震等级，加大配筋量。2、将错层柱全柱范围内箍筋加密

25、，改善柱的脆、将错层柱全柱范围内箍筋加密，改善柱的脆性。性。3、当柱的截面尺寸较大时，沿柱两个方向的中、当柱的截面尺寸较大时，沿柱两个方向的中线设缝。线设缝。724、当错层高度较小时，在梁端加腋。、当错层高度较小时，在梁端加腋。5、适当加大非错层柱的截面尺寸和适当减、适当加大非错层柱的截面尺寸和适当减小错层柱的截面尺寸，调整柱的刚度比，小错层柱的截面尺寸，调整柱的刚度比，降低错层柱的弯矩和剪力，改善错层柱的降低错层柱的弯矩和剪力，改善错层柱的受力性能。受力性能。736、在错层框架中设置、在错层框架中设置撑杆，减小错层柱剪撑杆，减小错层柱剪力。力。7、在错层框架中设置、在错层框架中设置剪力墙，减小错层柱剪力墙，减小错层柱剪力。剪力。74八、两种改进的错层八、两种改进的错层 结构算例分析结构算例分析（一）设撑杆的错层（一）设撑杆的错层 框架结构框架结构7576777879