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摘 要: 设置水平加强层是减少高层建结构侧移的一种有效方法，但在地震作用下，容易形成薄弱层，总结了抗震地区带加强层的框架－核心筒结构设计一般原则、结构构件抗震设计要求等，为同类高层建筑设计提供一些参考依据。
关键词：加强层；抗震设计；布置原则；
中图分类号：TU973 文献标识码：A
0 引言
高层建筑结构设计，水平位移是关键的控制指标之一。当高层建筑框架－核心筒结构的抗侧力刚度不能满足设计要求时，可考虑设置水平结构加强层，通常是利用技术层（设备层，避难层）设置刚度较大的水平外伸构件加强核心筒和框架柱之间的连系，必要时可设置刚度较大的周边环带构件，加强外周框架角柱与翼缘柱的连系。
加强层水平外伸构件一般有三种类型：一是梁（箱形梁）式，二是空(斜)腹杆桁架式，三是环向构件。
在地震作用下，设置水平加强层会引起结构刚度、内力的突变，容易形成薄弱层，使结构的损坏机制难以呈现延性屈服机制[1]。但因加强层能够经济有效的控制结构侧移，水平加强层被大量应用于实际工程中。总结了抗震地区带加强层的框架－核心筒结构设计一般原则、结构构件抗震设计要求等，为同类高层和超高层建筑的抗震设计提供了一些参考依据。
1 内力分析方法
对带加强层的框架－核心筒结构体系直接用基于壳元理论的有限元分析程序(如TBSA、SAP2000等)，进行整体结构的内力分析，求得的内力作为强度、刚度的设计依据。在这些程序中，采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用壳元模拟剪力墙。对于地震作用，采用振型分解反应谱法求出相当的等效水平力后，再用静力方法计算地震内力，也可采用弹性动力时程分析方法计算地震作用。经过众多的实际工程检验，这种线弹性的分析方法用于强度设计是完全可以满足规范要求的，但用于罕遇地震作用下的弹塑性变形计算则误差较大。《建筑抗震设计规范》第5.5.2条也规定了对一些建筑还应(或宜)进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，常用的方法有静力弹塑性分析法(Push一over方法)和弹塑性时程分析法。
2 带加强层的框架－核心筒结构设计一般原则
带加强层的框架－核心筒结构，结构刚度沿竖向发生突变，在重力、水平荷载作用下，加强层及其邻近楼层内力变化较大、应力集中、地震响应复杂，地震区采用时需慎重，9度抗震设防地区不应采用。
为了避免因结构部分构件的破坏而导致整体结构丧失承载力，对加强层区间主要抗侧力构件框架及筒体的抗震等级应考虑给予提高，建议根据设防烈度、构件种类和房屋高度按表1采用相应抗震等级，以此为依据按有关规范要求进行计算、采取相应构造措施。
为充分发挥加强层的刚度作用，使传力直接可靠，保证核心筒的强度延性，加强层水平伸臂构件宜贯通核心筒，其平面布置宜位于核心筒的转角、T字节点处，且使之与核心筒刚接可靠锚固；水平伸臂构件与周边框架的连接宜采用铰接或半刚接。
表1 带加强层的框架－核心筒结构抗震等级
结构类型 抗震设防烈度 6 7 8
非加强层区间 高度(m) A级 B级 A级 B级 A级 B级
框架 三 二 二 一 一 一
核心筒 二 二 二 一 一 特一
加强层
区间 框架 二 一 一 特一 特一 特一
核心筒 一 一 一 特一 特一 特一
水平伸臂构件 二 一 一 一 一 一
3 带加强层的框架－核心筒结构构件设计要求
3.1加强层水平外伸构件
3.1.1 梁（箱形梁）
梁作为加强层水平外伸构件时，一般宜跨满层设置，利用加强层上下层楼板作为有效翼缘从而构成箱形梁，以有效提高其抗弯刚度。梁腹板断面厚度不宜小于300mm，且宜由其剪压比控制计算确定[2]，见表2。
箱形梁抗弯刚度应计入相连层楼板作用，楼板有效翼缘宽度为：12hi(中梁)，6 hi (边梁)，hi为箱形梁上下翼缘相连接楼板厚度，不宜小于150mm 。
表2 箱形梁腹板适宜剪压比
抗震等级 一级 二级 三级 非抗震设计
混凝土强度等级 C40 0.09 0.11 0.13 0.13
C50 0.08 0.10 0.11 0.12
3.1.2 空(斜)腹杆桁架
空(斜)腹杆桁架作为加强层水平外伸构件时，一般宜跨满层设置，且其上弦点宜布置成与上部密柱、墙肢形心对中。
受压腹杆断面一般应由其轴压控制计算确定，以确保其延性。上下弦杆应计入相连楼板有效翼缘作用，按偏心受压或偏心受拉构件设计，其中轴力可按上下弦杆及相连楼板有效翼缘的轴向刚度比例分配。
3.1.3 加强层周边水平环带构件
各类加强层周边水平环带构件设计要求均同相应各类加强层水平外伸构件。
3.2加强层区间的筒体
加强层区间的核心筒体是带加强层高层建筑结构的关键构件之一，其在地震作用下将承受较大剪力、弯矩。为确保加强层区间简体的抗震延性，尤其避免在强震作用下的倒塌性破坏，加强层区间核心简剪力墙轴压比应从严控制，见表3。
表3 加强层区间核心筒剪力墙轴压比限值
抗震设计 非抗震设计
剪力墙
轴压比限值 特一级 一级 二级 三级
0.45 0.50 0.60 0.65 0.70
从结构受力的角度看，核心筒墙体不仅承受弯矩、剪力，还要承担框架梁的垂直荷载，因此要保证筒体剪力墙的厚度。在当前设计中，筒体部分底层混凝土强度等级一般不低于C40，对于高度超过120m的建筑物，筒体部分混凝土的强度等级最好能采用C60[3]。
3.3加强层区间的框架柱
加强層区间的框架柱在地震柞用下将产生较大剪力突变和弯矩突变。为确保加强层区间框架柱的抗震延性，尤其避免在罕遇地震作用下的倒塌性破坏，加强层区间框架柱轴压比应从严控制[3]，见表4。
表4加强层区间核心筒剪力墙轴压比限值
抗震设计 非抗震设计
框架柱
轴压比限值 特一级 一级 二级 三级
0.50 0.60 0.65 0.70 0.75
3.4加强层区间的楼（屋）盖
加强层区间核心筒、框架柱在水平荷载作用下的水平剪力将发生突变，为保证结构正常工作，必须保证加强层所在层上下相连楼盖（屋盖）刚度，且核心筒与框架柱间的楼板不宜开大洞。
4 其他相关设计原则
与加强层相连的楼（屋）盖一般均宜设后浇带，待主体结构施工完成后再行封闭，以消除施工阶段重力荷载作用下加强层伸臂应力集中的影响，此时应注意验算施工阶段整体结构的整体稳定、水平位移和结构强度。
高层建筑结构加强层设计的三个主要部分是相互依存的一个整体，结构加强层大梁（桁架）形成筒体结构沿高度方向的刚度突变，并引起位移内力突变；加强层上、下楼板将承担传递分配加强层区间的剪力突变值；核心筒墙体反向剪力平衡上、下楼板处剪力突变差值，同时平衡了部分在加强层区间出现的弯矩突变值。因此结构加强层各部分除各自应具备足够的刚度和强度外，三者之间还必须有可靠有效的连接，共同作用[4]，方可达到加强层控制结构水平位移之功能。
参考文献：
[1] 欧健军.框架－核芯筒高层建筑设置水平层问题的研究[J].建筑材料与施工，2004(2)：30-32
[2] 傅学怡.带刚性加强层R.C高层建筑结构设计建议[J]，建筑结构，1999，29(10)：44－47
[3] 张星熙，薛占营．高层建筑框架－筒体结构的设计[J].建筑结构，2000，30(12)：10-14.
[4] 葛家琪，张涛.带有结构加强层的超高层主体结构设计研究,建筑科学，2003，19(1)：4-7
关键词：加强层；抗震设计；布置原则；
中图分类号：TU973 文献标识码：A
0 引言
高层建筑结构设计，水平位移是关键的控制指标之一。当高层建筑框架－核心筒结构的抗侧力刚度不能满足设计要求时，可考虑设置水平结构加强层，通常是利用技术层（设备层，避难层）设置刚度较大的水平外伸构件加强核心筒和框架柱之间的连系，必要时可设置刚度较大的周边环带构件，加强外周框架角柱与翼缘柱的连系。
加强层水平外伸构件一般有三种类型：一是梁（箱形梁）式，二是空(斜)腹杆桁架式，三是环向构件。
在地震作用下，设置水平加强层会引起结构刚度、内力的突变，容易形成薄弱层，使结构的损坏机制难以呈现延性屈服机制[1]。但因加强层能够经济有效的控制结构侧移，水平加强层被大量应用于实际工程中。总结了抗震地区带加强层的框架－核心筒结构设计一般原则、结构构件抗震设计要求等，为同类高层和超高层建筑的抗震设计提供了一些参考依据。
1 内力分析方法
对带加强层的框架－核心筒结构体系直接用基于壳元理论的有限元分析程序(如TBSA、SAP2000等)，进行整体结构的内力分析，求得的内力作为强度、刚度的设计依据。在这些程序中，采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，用壳元模拟剪力墙。对于地震作用，采用振型分解反应谱法求出相当的等效水平力后，再用静力方法计算地震内力，也可采用弹性动力时程分析方法计算地震作用。经过众多的实际工程检验，这种线弹性的分析方法用于强度设计是完全可以满足规范要求的，但用于罕遇地震作用下的弹塑性变形计算则误差较大。《建筑抗震设计规范》第5.5.2条也规定了对一些建筑还应(或宜)进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，常用的方法有静力弹塑性分析法(Push一over方法)和弹塑性时程分析法。
2 带加强层的框架－核心筒结构设计一般原则
带加强层的框架－核心筒结构，结构刚度沿竖向发生突变，在重力、水平荷载作用下，加强层及其邻近楼层内力变化较大、应力集中、地震响应复杂，地震区采用时需慎重，9度抗震设防地区不应采用。
为了避免因结构部分构件的破坏而导致整体结构丧失承载力，对加强层区间主要抗侧力构件框架及筒体的抗震等级应考虑给予提高，建议根据设防烈度、构件种类和房屋高度按表1采用相应抗震等级，以此为依据按有关规范要求进行计算、采取相应构造措施。
为充分发挥加强层的刚度作用，使传力直接可靠，保证核心筒的强度延性，加强层水平伸臂构件宜贯通核心筒，其平面布置宜位于核心筒的转角、T字节点处，且使之与核心筒刚接可靠锚固；水平伸臂构件与周边框架的连接宜采用铰接或半刚接。
表1 带加强层的框架－核心筒结构抗震等级
结构类型 抗震设防烈度 6 7 8
非加强层区间 高度(m) A级 B级 A级 B级 A级 B级
框架 三 二 二 一 一 一
核心筒 二 二 二 一 一 特一
加强层
区间 框架 二 一 一 特一 特一 特一
核心筒 一 一 一 特一 特一 特一
水平伸臂构件 二 一 一 一 一 一
3 带加强层的框架－核心筒结构构件设计要求
3.1加强层水平外伸构件
3.1.1 梁（箱形梁）
梁作为加强层水平外伸构件时，一般宜跨满层设置，利用加强层上下层楼板作为有效翼缘从而构成箱形梁，以有效提高其抗弯刚度。梁腹板断面厚度不宜小于300mm，且宜由其剪压比控制计算确定[2]，见表2。
箱形梁抗弯刚度应计入相连层楼板作用，楼板有效翼缘宽度为：12hi(中梁)，6 hi (边梁)，hi为箱形梁上下翼缘相连接楼板厚度，不宜小于150mm 。
表2 箱形梁腹板适宜剪压比
抗震等级 一级 二级 三级 非抗震设计
混凝土强度等级 C40 0.09 0.11 0.13 0.13
C50 0.08 0.10 0.11 0.12
3.1.2 空(斜)腹杆桁架
空(斜)腹杆桁架作为加强层水平外伸构件时，一般宜跨满层设置，且其上弦点宜布置成与上部密柱、墙肢形心对中。
受压腹杆断面一般应由其轴压控制计算确定，以确保其延性。上下弦杆应计入相连楼板有效翼缘作用，按偏心受压或偏心受拉构件设计，其中轴力可按上下弦杆及相连楼板有效翼缘的轴向刚度比例分配。
3.1.3 加强层周边水平环带构件
各类加强层周边水平环带构件设计要求均同相应各类加强层水平外伸构件。
3.2加强层区间的筒体
加强层区间的核心筒体是带加强层高层建筑结构的关键构件之一，其在地震作用下将承受较大剪力、弯矩。为确保加强层区间简体的抗震延性，尤其避免在强震作用下的倒塌性破坏，加强层区间核心简剪力墙轴压比应从严控制，见表3。
表3 加强层区间核心筒剪力墙轴压比限值
抗震设计 非抗震设计
剪力墙
轴压比限值 特一级 一级 二级 三级
0.45 0.50 0.60 0.65 0.70
从结构受力的角度看，核心筒墙体不仅承受弯矩、剪力，还要承担框架梁的垂直荷载，因此要保证筒体剪力墙的厚度。在当前设计中，筒体部分底层混凝土强度等级一般不低于C40，对于高度超过120m的建筑物，筒体部分混凝土的强度等级最好能采用C60[3]。
3.3加强层区间的框架柱
加强層区间的框架柱在地震柞用下将产生较大剪力突变和弯矩突变。为确保加强层区间框架柱的抗震延性，尤其避免在罕遇地震作用下的倒塌性破坏，加强层区间框架柱轴压比应从严控制[3]，见表4。
表4加强层区间核心筒剪力墙轴压比限值
抗震设计 非抗震设计
框架柱
轴压比限值 特一级 一级 二级 三级
0.50 0.60 0.65 0.70 0.75
3.4加强层区间的楼（屋）盖
加强层区间核心筒、框架柱在水平荷载作用下的水平剪力将发生突变，为保证结构正常工作，必须保证加强层所在层上下相连楼盖（屋盖）刚度，且核心筒与框架柱间的楼板不宜开大洞。
4 其他相关设计原则
与加强层相连的楼（屋）盖一般均宜设后浇带，待主体结构施工完成后再行封闭，以消除施工阶段重力荷载作用下加强层伸臂应力集中的影响，此时应注意验算施工阶段整体结构的整体稳定、水平位移和结构强度。
高层建筑结构加强层设计的三个主要部分是相互依存的一个整体，结构加强层大梁（桁架）形成筒体结构沿高度方向的刚度突变，并引起位移内力突变；加强层上、下楼板将承担传递分配加强层区间的剪力突变值；核心筒墙体反向剪力平衡上、下楼板处剪力突变差值，同时平衡了部分在加强层区间出现的弯矩突变值。因此结构加强层各部分除各自应具备足够的刚度和强度外，三者之间还必须有可靠有效的连接，共同作用[4]，方可达到加强层控制结构水平位移之功能。
参考文献：
[1] 欧健军.框架－核芯筒高层建筑设置水平层问题的研究[J].建筑材料与施工，2004(2)：30-32
[2] 傅学怡.带刚性加强层R.C高层建筑结构设计建议[J]，建筑结构，1999，29(10)：44－47
[3] 张星熙，薛占营．高层建筑框架－筒体结构的设计[J].建筑结构，2000，30(12)：10-14.
[4] 葛家琪，张涛.带有结构加强层的超高层主体结构设计研究,建筑科学，2003，19(1)：4-7