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摘要∶本文重点对带有加强层的高层建筑结构水平位移特征曲线，内力分布规律进行分析，寻求结构加强层范围内筒体结构的力学特性，并以此为依据，对加强层范围内筒体结构的设计和构造措施作一些探讨。
关键词∶结构加强层；加强层伸臂；结构规律；计算模型；大核心区
Abstract: This paper focuses on the high-rise building structure with horizontal strengthened layer displacement characteristic curve, the distribution law of internal force analysis for structure, strengthen mechanical properties of cylinder structure layer within the scope of, and as a basis, to strengthen the design and construction measures of tube structure layer within the scope of the application are discussed.
Key words: structure reinforcement; reinforced layer arm; structure; calculation model; core area
中图分类号:TB482.2文献标识码：A 文章编号：
引言：
高层、超高层建筑结构设计，水平位移是关键的控制因素。结构在水平荷载作用下，筒体剪力墙为主要抗侧力结构。为了满足建筑布局大空间越来越高的功能要求，筒体剪力墙的设置受到限制，而设置结构加强层是控制结构水平位移的有效措施之一，结构加强层设计有三个主要部分：结构加强层大梁（桁架），加强层上、下层楼板，加强层范围内筒体结构。目前的高层结构设计理论对结构加强层自身构件即加强层大梁（桁架）及加强层上下层楼板的分析设计已有相当深刻的认识，此处不赘述。
1 结构加强层伸臂合理计算模型的建立
结构加强层伸臂有两种常用设计形式：实腹大梁，桁架（含空腹桁架）。结构加强层常用作建筑设备层、避难层。实腹大梁的形式在实际工程中很少有。与之相应，结构加强层伸臂的计算模型有两种：一是将加强层伸臂进行等刚度代换后，作为大梁输入进行整体结构计算，简称大梁计算模型；二是将加强层伸臂作为桁架输入进行整体计算，简称桁架计算模型。仅从结构的几何特性看，两种计算模型均应是可行的。大梁计算模型上机操作方便，更为设计者所常用。为了确定合理的加强层伸臂计算模型，下面以一种典型的带有结构加强层的高层框架-筒体结构为算例，见表1。用两种计算模型分别对结构在水平荷载作用下进行结构电算。电算采用ETABS程序。结构的水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果分别见表2、表3。
表一 带有结构加强层的高层框架 ———筒体结构算例基本信息
表2大梁水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果
根据表2、表3 统计结果，现在对加强层伸臂的两种计算模型的合理性进行对比分析。
（1）水平位移、层位移角曲线对比两种计算模型下结构水平位移曲线，难以分辨两者之间的差异。结构层位移角在两种计算模型下，均出现极小值。在大梁计算模型下，层位移角极小值发生在加强层上一层；而在桁架计算模型下，层位移角极小值则发生在加强层自身。根据材料力学基本概念，桁架计算模型的结论是合理的，大梁计算模型求得的层位移角曲线在加强层处是失真的。
（2）弯矩规律曲线两种计算模型下，筒体结构在加强层处弯矩均发生反向突变。在大梁计算模型下，弯矩突变发生于加强层上一点；而桁架计算模型下，弯矩在整个加强层上下有个渐变过程。产生上述差异的原因在于力学计算单元不同，大梁计算模型，将整个加强层伸臂视作一个杆系单元，它与核心筒的连接即为一点；而桁架计算单元，如实地将加强层范围内筒体结构作为计算单元纳入了整体结构的计算体系内。因此桁架计算模型可以合理地求出加强层范围内筒体结构的弯矩分布规律。结构加强层伸臂常为一层楼高，甚至两层楼高，该范围内筒体结构对结构水平位移、内力的刚域作用不容忽视，而大梁计算模型将加强层范围内筒体结构简化为一点，致使位移、内力分布规律在该范围内失真。
（3）剪力规律曲线两种计算模型下，筒体结构的剪力分布在加强层范围内有着本质区别。大梁计算模型下，筒体结构剪力曲线平缓；桁架计算模型下，筒体结构在加强层处出现了幅值很大的反向剪力。这一内力特性与结构位移特征、弯矩规律有着必然的联系。有关这个内力特性现象产生的机理及其合理性将在下节论述。
2 结构位移特征，主体结构内力规律特性及其产生机理分析
（1）结构位移特征，主体结构内力规律特性根据第1节计算分析结果，带有结构加强层的超高建筑结构，在水平荷载作用下，其位移、内力具有以下重要的规律特征：
①结构的层位移角在加强层处达到极小值；
②主体结构在结构加强层上、下楼板处弯矩达到极大值，并在加强层范围内弯矩发生反向突变；
③主体结构在加强层范围内出现幅值非常大的反向剪力，并在加强层上、下楼板处产生很大的剪力差值。
（2）结构位移、内力规律特征产生机理分析结构在某一特定荷载作用下，其变形是由结构自身的材料性质即结构刚度所决定的。结构刚度在结构加强层处突然增大，根据材料力学基本概念，在水平荷载作用下，结构加强层处的水平位移角将达到极小值，同时在加强层上、下层位移角值现反向渐变规律。
结构的位移与其内力之间存在着必然的联系，根据材料力学公式：
式中y为结构沿高度方向坐标，以地面为零点；U为结构水平位移；θ为结构位移角；MQ;分别为结构弯矩和剪力；E1为结构刚度。
由结构程序电算求得的位移仅指结构形心处的位移。结构在某一荷载作用下，其位移是多维并存的，内力状态也很复杂。电算结果所提供结构水平位移曲线，只是结构在水平荷载作用下其变形以水平位移为主。但应用以上材料力学公式，仍可根据结构总体水平位移特征曲线对主体结构内力分布规律做出定性分析，分析结果见表4。
将表3、表4对比可知，两种方法对结构内力规律特性的分析结果非常吻合，因此根据结构水平位移特征，应用材料力学公式对主体结构内力分布规律作定性分析是完全合理可行的。更重要的意义在于，通过以上由结构水平位移特征曲线推导主体结构内力分布规律的过程，可以很清楚地理解主体结构在结构加强层处，弯矩突变、大幅值反向剪力等力学规律特性现象产生的机理。
表3桁架水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果
表4 根据结构总体水平位移特征曲线推导主体结构内力分布规律（位移取自桁架计算模型）
3 筒体结构设计、构造措施
加强层范围内主体结构力学规律特性分析结果，使我们很容易将超高层建筑主体结构在加强层范围内的设计与高层框架结构的节点核心区的设计联系起来。它们之间具有完全类同的力学规律特性。高层框架结构节点核心区设计已经为广大设计人员普遍熟知掌握，为了方便设计者对带有结构加强层的超高层建筑主体结构力学特性的理解及结构设计、构造措施的掌握，将加强层范围内主体结构定义为超高层建筑结构的“大核心区”。
根据“大核心区”内力规律特性，建议采取如下设计、构造措施。
（1）“大核心区”结构设计，首先要建立正确合理的加强层伸臂计算模型。大梁计算模型使用方便，但不能正确求得筒体结构在大核心区处的力学位移规律特性。不能求出大核心区处幅值很大的反向剪力，容易误导设计者忽略“大核心区”抗剪设计，造成整个加强层作用失效的严重后果。桁架计算模型解决了上述问题，为正确合理的计算模型。
（2）在大核心区及其上、下层一定范围内，通过计算加强筒体、剪力墙暗柱抗弯纵筋。
（3）通过计算加强大核心区及其上、下层一定范围内筒体、剪力墙的抗剪力水平分布钢筋。大核心区内筒体剪力墙尽量少开洞，以提高筒体结构反面抗剪能力。
（4）筒體结构在加强层与其上、下楼层之间出现幅值很大的剪力差值。该剪力差值是通过大核心区上、下楼板平衡、传递分配的。因此必须通过计算设计结构加强层上、下楼板的刚度、强度，加强构造措施，确保其水平传递分配能力。这是结构加强层充分发挥作用的必备条件之一。
（5）结构加强层伸臂并非愈刚强愈好，从抗震角度考虑，结构加强层伸臂、筒体结构大核心区的强度设计，必须确保结构在罕遇地震作用下，加强层伸臂首先达到屈服，即应满足“强筒体弱伸臂”的抗震设计要求。加强层伸臂与外围框架柱相交处，有着同样的抗震设计要求。
4、结语
总而言之，在结构设计的基础上，对高层建筑结构加强层伸臂的合理计算模型进行分析探讨。对带有结构加强层的高层建筑结构水平位移特征曲线，主体结构的内力规律特征进行分析，并利用材料力学基本概念对其产生机理进行论述。根据结构加强层范围内主体结构的力学特性，提出加强层范围内主体结构为“大核心区”的概念。对“大核心区”的结构设计和构造措施提出见解，仅供参考！
参考文献：
[1] 苏原. 带加强层框架—筒体结构体系力学性能的研究[D]. 华中科技大学 2009
[2] 杨克家. 带加强层高层建筑结构抗震性能及基于性能的抗震设计方法研究[D]. 西安建筑科技大学 2008
[3] 张杰. 加强层对高层框—筒结构力学行为的影响研究[D]. 华中科技大学 2007
关键词∶结构加强层；加强层伸臂；结构规律；计算模型；大核心区
Abstract: This paper focuses on the high-rise building structure with horizontal strengthened layer displacement characteristic curve, the distribution law of internal force analysis for structure, strengthen mechanical properties of cylinder structure layer within the scope of, and as a basis, to strengthen the design and construction measures of tube structure layer within the scope of the application are discussed.
Key words: structure reinforcement; reinforced layer arm; structure; calculation model; core area
中图分类号:TB482.2文献标识码：A 文章编号：
引言：
高层、超高层建筑结构设计，水平位移是关键的控制因素。结构在水平荷载作用下，筒体剪力墙为主要抗侧力结构。为了满足建筑布局大空间越来越高的功能要求，筒体剪力墙的设置受到限制，而设置结构加强层是控制结构水平位移的有效措施之一，结构加强层设计有三个主要部分：结构加强层大梁（桁架），加强层上、下层楼板，加强层范围内筒体结构。目前的高层结构设计理论对结构加强层自身构件即加强层大梁（桁架）及加强层上下层楼板的分析设计已有相当深刻的认识，此处不赘述。
1 结构加强层伸臂合理计算模型的建立
结构加强层伸臂有两种常用设计形式：实腹大梁，桁架（含空腹桁架）。结构加强层常用作建筑设备层、避难层。实腹大梁的形式在实际工程中很少有。与之相应，结构加强层伸臂的计算模型有两种：一是将加强层伸臂进行等刚度代换后，作为大梁输入进行整体结构计算，简称大梁计算模型；二是将加强层伸臂作为桁架输入进行整体计算，简称桁架计算模型。仅从结构的几何特性看，两种计算模型均应是可行的。大梁计算模型上机操作方便，更为设计者所常用。为了确定合理的加强层伸臂计算模型，下面以一种典型的带有结构加强层的高层框架-筒体结构为算例，见表1。用两种计算模型分别对结构在水平荷载作用下进行结构电算。电算采用ETABS程序。结构的水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果分别见表2、表3。
表一 带有结构加强层的高层框架 ———筒体结构算例基本信息
表2大梁水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果
根据表2、表3 统计结果，现在对加强层伸臂的两种计算模型的合理性进行对比分析。
（1）水平位移、层位移角曲线对比两种计算模型下结构水平位移曲线，难以分辨两者之间的差异。结构层位移角在两种计算模型下，均出现极小值。在大梁计算模型下，层位移角极小值发生在加强层上一层；而在桁架计算模型下，层位移角极小值则发生在加强层自身。根据材料力学基本概念，桁架计算模型的结论是合理的，大梁计算模型求得的层位移角曲线在加强层处是失真的。
（2）弯矩规律曲线两种计算模型下，筒体结构在加强层处弯矩均发生反向突变。在大梁计算模型下，弯矩突变发生于加强层上一点；而桁架计算模型下，弯矩在整个加强层上下有个渐变过程。产生上述差异的原因在于力学计算单元不同，大梁计算模型，将整个加强层伸臂视作一个杆系单元，它与核心筒的连接即为一点；而桁架计算单元，如实地将加强层范围内筒体结构作为计算单元纳入了整体结构的计算体系内。因此桁架计算模型可以合理地求出加强层范围内筒体结构的弯矩分布规律。结构加强层伸臂常为一层楼高，甚至两层楼高，该范围内筒体结构对结构水平位移、内力的刚域作用不容忽视，而大梁计算模型将加强层范围内筒体结构简化为一点，致使位移、内力分布规律在该范围内失真。
（3）剪力规律曲线两种计算模型下，筒体结构的剪力分布在加强层范围内有着本质区别。大梁计算模型下，筒体结构剪力曲线平缓；桁架计算模型下，筒体结构在加强层处出现了幅值很大的反向剪力。这一内力特性与结构位移特征、弯矩规律有着必然的联系。有关这个内力特性现象产生的机理及其合理性将在下节论述。
2 结构位移特征，主体结构内力规律特性及其产生机理分析
（1）结构位移特征，主体结构内力规律特性根据第1节计算分析结果，带有结构加强层的超高建筑结构，在水平荷载作用下，其位移、内力具有以下重要的规律特征：
①结构的层位移角在加强层处达到极小值；
②主体结构在结构加强层上、下楼板处弯矩达到极大值，并在加强层范围内弯矩发生反向突变；
③主体结构在加强层范围内出现幅值非常大的反向剪力，并在加强层上、下楼板处产生很大的剪力差值。
（2）结构位移、内力规律特征产生机理分析结构在某一特定荷载作用下，其变形是由结构自身的材料性质即结构刚度所决定的。结构刚度在结构加强层处突然增大，根据材料力学基本概念，在水平荷载作用下，结构加强层处的水平位移角将达到极小值，同时在加强层上、下层位移角值现反向渐变规律。
结构的位移与其内力之间存在着必然的联系，根据材料力学公式：
式中y为结构沿高度方向坐标，以地面为零点；U为结构水平位移；θ为结构位移角；MQ;分别为结构弯矩和剪力；E1为结构刚度。
由结构程序电算求得的位移仅指结构形心处的位移。结构在某一荷载作用下，其位移是多维并存的，内力状态也很复杂。电算结果所提供结构水平位移曲线，只是结构在水平荷载作用下其变形以水平位移为主。但应用以上材料力学公式，仍可根据结构总体水平位移特征曲线对主体结构内力分布规律做出定性分析，分析结果见表4。
将表3、表4对比可知，两种方法对结构内力规律特性的分析结果非常吻合，因此根据结构水平位移特征，应用材料力学公式对主体结构内力分布规律作定性分析是完全合理可行的。更重要的意义在于，通过以上由结构水平位移特征曲线推导主体结构内力分布规律的过程，可以很清楚地理解主体结构在结构加强层处，弯矩突变、大幅值反向剪力等力学规律特性现象产生的机理。
表3桁架水平位移特征曲线、主体结构内力分布规律曲线统计结果
表4 根据结构总体水平位移特征曲线推导主体结构内力分布规律（位移取自桁架计算模型）
3 筒体结构设计、构造措施
加强层范围内主体结构力学规律特性分析结果，使我们很容易将超高层建筑主体结构在加强层范围内的设计与高层框架结构的节点核心区的设计联系起来。它们之间具有完全类同的力学规律特性。高层框架结构节点核心区设计已经为广大设计人员普遍熟知掌握，为了方便设计者对带有结构加强层的超高层建筑主体结构力学特性的理解及结构设计、构造措施的掌握，将加强层范围内主体结构定义为超高层建筑结构的“大核心区”。
根据“大核心区”内力规律特性，建议采取如下设计、构造措施。
（1）“大核心区”结构设计，首先要建立正确合理的加强层伸臂计算模型。大梁计算模型使用方便，但不能正确求得筒体结构在大核心区处的力学位移规律特性。不能求出大核心区处幅值很大的反向剪力，容易误导设计者忽略“大核心区”抗剪设计，造成整个加强层作用失效的严重后果。桁架计算模型解决了上述问题，为正确合理的计算模型。
（2）在大核心区及其上、下层一定范围内，通过计算加强筒体、剪力墙暗柱抗弯纵筋。
（3）通过计算加强大核心区及其上、下层一定范围内筒体、剪力墙的抗剪力水平分布钢筋。大核心区内筒体剪力墙尽量少开洞，以提高筒体结构反面抗剪能力。
（4）筒體结构在加强层与其上、下楼层之间出现幅值很大的剪力差值。该剪力差值是通过大核心区上、下楼板平衡、传递分配的。因此必须通过计算设计结构加强层上、下楼板的刚度、强度，加强构造措施，确保其水平传递分配能力。这是结构加强层充分发挥作用的必备条件之一。
（5）结构加强层伸臂并非愈刚强愈好，从抗震角度考虑，结构加强层伸臂、筒体结构大核心区的强度设计，必须确保结构在罕遇地震作用下，加强层伸臂首先达到屈服，即应满足“强筒体弱伸臂”的抗震设计要求。加强层伸臂与外围框架柱相交处，有着同样的抗震设计要求。
4、结语
总而言之，在结构设计的基础上，对高层建筑结构加强层伸臂的合理计算模型进行分析探讨。对带有结构加强层的高层建筑结构水平位移特征曲线，主体结构的内力规律特征进行分析，并利用材料力学基本概念对其产生机理进行论述。根据结构加强层范围内主体结构的力学特性，提出加强层范围内主体结构为“大核心区”的概念。对“大核心区”的结构设计和构造措施提出见解，仅供参考！
参考文献：
[1] 苏原. 带加强层框架—筒体结构体系力学性能的研究[D]. 华中科技大学 2009
[2] 杨克家. 带加强层高层建筑结构抗震性能及基于性能的抗震设计方法研究[D]. 西安建筑科技大学 2008
[3] 张杰. 加强层对高层框—筒结构力学行为的影响研究[D]. 华中科技大学 2007