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摘要根据近年来高层建筑的设计经验及理论，当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可利用建筑设备层、避难层的空间，在结构中布置适宜刚度的水平加强层。本文概述了框架-核心筒结构中水平加强层的结构形式、数量及最佳位置、刚度的合理选择、水平外伸构件设计要求以及构件设计构造要求。
关键词框架-核心筒结构，水平加强层，有限刚度，结构构件设计
1前言
根据近年来高层建筑的设计经验及理论，在高层结构，尤其是超高层结构中，当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可利用建筑设备层、避难层的空间，在结构中布置适宜刚度的水平加强层。
加强层是在高层建筑中某几个部位从核心筒或核心剪力墙伸出并与外框架柱连接在一起的水平构件，由于它是从核心筒或核心剪力墙伸出，故称为伸臂结构或水平伸臂结构。必要时，加强层也可同时设置周边水平环带构件。当结构处于弹性阶段时，这种做法能对侧移控制起到明显的作用。对于加强层的设置，是带水平加强层框架-核心筒结构设计的一个重要内容，确定水平加强层的最佳数量及布置位置，对优化结构受力，减少结构的侧移起很大的作用。本文对加强层的设置进行讨论，其中包括加强层的结构形式、数量、伸臂刚度、最佳位置的选择。
2结构形式
框架-核心筒结构的外围框架柱一般采用稀柱框架，当房屋的高宽比和核心筒高宽比较大以及外框架较弱时，结构的侧移刚度则会较弱，在风荷载或者地震力的作用下侧移不能满足设计要求。为了解决框架-核心筒侧移刚度随高度增加不满足设计要求的缺点，往往沿建筑物竖向利用建筑的设备层、避难层空间，在核心筒与外围框架之间设置刚性的水平伸臂构件加强核心筒与框架柱之间的联系，以达到更好地发挥外围框架柱的抗侧刚度。
加强层水平外伸构件可分为三种基本形式：实体梁（或箱形梁）、斜腹杆桁架和空腹桁架。加强层周边水平环带构件一般也可分为三种基本形式：开孔梁、斜腹杆桁架和空腹杆桁架。
为了减少和避免水平荷载作用下加强层及相邻层周边框架柱和核心筒处剪应力集中、剪力突变、弯矩增大，避免强震作用下加强层及其相邻周边框架柱、核心筒处先行破坏，加强层水平伸臂构件宜优先选用斜腹杆桁架和空腹桁架。往往由于斜腹桁架妨碍了人员的通行，造成空间使用的不便，通常会采用空间大的空腹桁架，但这类桁架抗侧刚度弱，对整体刚度的弥补力不足。故在实际设计当中，往往会通过兼顾斜撑桁架和空腹桁架的优点进行组合。
钢筋混凝土实体梁，在工程中采用比较普遍的一种，将刚臂做成整层楼高，这种形式具有很大的刚度，施工很方便，但是不利于空间的使用，沿结构竖向刚度突变很大，不利于抗震。故在实际设计当中，会在实体梁腹板中开洞，形成空腹梁。以保证足够的空间，满足建筑功能上的需要，也可适当减少些加强层的刚度。
3 数量及布置位置
框架-核心筒结构设置了水平加强层后，该层的层间整体抗弯能力大大增强，整个结构变形呈现分段性。这种作用类似于在加强层附近给筒体附加了一个转动约束。这样的传动约束是靠加强层中的斜撑杆能有效地将轴力传到外围框架，实现整体抗弯。同时，斜撑对混凝土核心筒反作用力会使加强层处剪力及弯矩急剧增大，这种增大效果与加强层的数量有关，即可以认为加强层的数量与加强层处内力幅值成反比。因此适当增加的加强层的数量会使刚度分散在整个体块内，从而使筒体内力突变程度趋于缓和，对抗震十分有利。
因此，在超高层建筑结构设计时，一般设置两道左右加强层即可。如果房屋高度>150m可再适当增设一至两道加强层。但同时应注意，当加强层超过三道以后，增设加强层对高层建筑的侧移影响并不十分明显。
4 刚度的合理选择
框架-核心筒结构设置适当数量的加强层后，加强层的水平伸臂构件与该层的上、下楼板组成刚度很大的箱形盘，此箱形盘将核心筒与外围框架连成整体，其整体转动基本上由外围框架柱的轴向变形控制，转动量非常小。从而使得加强层处结构整体转动大幅度减少，连带加强层上、下几层的整体转动也随之减少。适当数量的加强层设置，相当于给整个结构增设了若干道整体转动嵌固约束。
这种形式的刚度突变改变整体结构传力途径，使得结构内力发生突变。这种突变，使得结构在地震作用下，其破坏和位移较容易集中在加强层附近，形成薄弱层。
一般在地震的作用下，若结构整体刚度不能满足设计要求时，有两种途径可提高结构整体刚度。第一种，是采用刚度很大的所谓“刚性”加强层，强调用“大刚性”加强层增强整体结构刚度，希望使整体刚度越大越安全，这样做的结构往往适得其反，越希望以大刚度来增加抵抗力，却反而会使得结构刚度越发突变，内力剧增，导致在罕遇地震作用下结构在加强层附近极易形成薄弱层而破坏。第二种，是在调整增强原结构刚度的基础上，设置“有限刚度”加强层。强调采用“有限刚度”加强层来弥补整体刚度不足，使得结构整体刚度在可以满足规范的最低要求下，大幅度的减少非结构构件的破损。
通过两种不同加强概念的比较，就不难得出，采用“有限刚度”加强层可最大程度的减少结构刚度突变和内力剧增，从而使得结构在罕遇地震作用下还能呈现“强梁弱柱”“强剪弱弯”的延性屈服机制，很大程度上避免结构在加强层附近形成薄弱层。
故而，本文认为，框架-核心筒结构采用“有限刚度”的加强层框架-核心筒结构，即一定程度上弥补了整体刚度的不足，又可减少在水平加强层附近出现的应力突变，减少内筒与周边框架的竖向应力差，使一种较为合理的结构选择形式。
5 水平外伸构件
各类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。
6 构件设计构造措施
与一般的框架-核心筒结构不同，带水平加强层的框架-核心筒结构中的外排框架柱不仅承担竖向荷载引起的轴向力，而且承担很大一部分水平荷载引起的倾覆力矩。从结构抗震概念的角度来说，外排框架柱和核心筒墙共同成了第一道抗震防线。因此必须加强带加强层框架-核心筒结构体系中的框架柱，以保证承重构件竖向承载能力不下降到低于有效重力荷载的水平，满足抗震要求。
对于一般楼层梁可按普通框架-核心筒结构设计要求设计，对于加强层加强层上一层和下一层梁承受着较大的轴向力，因此在截面强度验算时必须考虑轴力的影响。考虑到水平荷载作用方向的任意性，在梁的强度验算时要考虑不利组合即轴向拉力。
综合所述，构件设计构造措施有：抗震设计时，加强层及相邻层（加强层上下各一层）的框架柱、核心筒剪力墙的抗震等级应提高一级采用，一级应提高至特一级，但抗震等级已为特一级时应允许不再提高；加强层及相邻层的框架柱，箍筋应全柱段加密配置，轴压比限值应按其他楼层的数值适当减少，一般减少幅度为0.05；加强层及其相邻层核心筒剪力墙应设置约束边缘构件；加强层及其相邻层楼面梁因考虑轴向拉力，配筋应比计算增加20%；加强层及其上下层楼面楼板厚度不宜小于150，且应双向双层配筋，最小配筋率宜不小于25%。
7结束语
（1） 本文详细讨论了框架-核心筒结构中水平加强层的结构形式、数量及最适位置、刚度的合理选择，水平外伸构件设计要求、以及构件设计构造要求。
（2） 在满足对整体刚度的补偿后，应控制加强层的刚度，用有限刚度原则来控制刚度、内力的突变程度，减少薄弱层的形成。
参考文献：
1.中华人民共和国国家标准. 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010
2.余安东，用水平加强层控制高层结构的侧移-水平加强层的作用及其最佳位置 ，建筑结构学报，1988（6）
3.刘建新、张充正，用优化方法确定水平加强层的最佳布置位置，烟台大学学报，1997（4）
4.徐福培、黃吉锋等，带加强层的框架芯筒结构抗震设计中的几个问题，建筑结构学报，1999（4）
5.阮永辉、吕西林，带水平加强层的超高层结构的力学性能分析， 结构工程师，2000（4）
关键词框架-核心筒结构，水平加强层，有限刚度，结构构件设计
1前言
根据近年来高层建筑的设计经验及理论，在高层结构，尤其是超高层结构中，当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可利用建筑设备层、避难层的空间，在结构中布置适宜刚度的水平加强层。
加强层是在高层建筑中某几个部位从核心筒或核心剪力墙伸出并与外框架柱连接在一起的水平构件，由于它是从核心筒或核心剪力墙伸出，故称为伸臂结构或水平伸臂结构。必要时，加强层也可同时设置周边水平环带构件。当结构处于弹性阶段时，这种做法能对侧移控制起到明显的作用。对于加强层的设置，是带水平加强层框架-核心筒结构设计的一个重要内容，确定水平加强层的最佳数量及布置位置，对优化结构受力，减少结构的侧移起很大的作用。本文对加强层的设置进行讨论，其中包括加强层的结构形式、数量、伸臂刚度、最佳位置的选择。
2结构形式
框架-核心筒结构的外围框架柱一般采用稀柱框架，当房屋的高宽比和核心筒高宽比较大以及外框架较弱时，结构的侧移刚度则会较弱，在风荷载或者地震力的作用下侧移不能满足设计要求。为了解决框架-核心筒侧移刚度随高度增加不满足设计要求的缺点，往往沿建筑物竖向利用建筑的设备层、避难层空间，在核心筒与外围框架之间设置刚性的水平伸臂构件加强核心筒与框架柱之间的联系，以达到更好地发挥外围框架柱的抗侧刚度。
加强层水平外伸构件可分为三种基本形式：实体梁（或箱形梁）、斜腹杆桁架和空腹桁架。加强层周边水平环带构件一般也可分为三种基本形式：开孔梁、斜腹杆桁架和空腹杆桁架。
为了减少和避免水平荷载作用下加强层及相邻层周边框架柱和核心筒处剪应力集中、剪力突变、弯矩增大，避免强震作用下加强层及其相邻周边框架柱、核心筒处先行破坏，加强层水平伸臂构件宜优先选用斜腹杆桁架和空腹桁架。往往由于斜腹桁架妨碍了人员的通行，造成空间使用的不便，通常会采用空间大的空腹桁架，但这类桁架抗侧刚度弱，对整体刚度的弥补力不足。故在实际设计当中，往往会通过兼顾斜撑桁架和空腹桁架的优点进行组合。
钢筋混凝土实体梁，在工程中采用比较普遍的一种，将刚臂做成整层楼高，这种形式具有很大的刚度，施工很方便，但是不利于空间的使用，沿结构竖向刚度突变很大，不利于抗震。故在实际设计当中，会在实体梁腹板中开洞，形成空腹梁。以保证足够的空间，满足建筑功能上的需要，也可适当减少些加强层的刚度。
3 数量及布置位置
框架-核心筒结构设置了水平加强层后，该层的层间整体抗弯能力大大增强，整个结构变形呈现分段性。这种作用类似于在加强层附近给筒体附加了一个转动约束。这样的传动约束是靠加强层中的斜撑杆能有效地将轴力传到外围框架，实现整体抗弯。同时，斜撑对混凝土核心筒反作用力会使加强层处剪力及弯矩急剧增大，这种增大效果与加强层的数量有关，即可以认为加强层的数量与加强层处内力幅值成反比。因此适当增加的加强层的数量会使刚度分散在整个体块内，从而使筒体内力突变程度趋于缓和，对抗震十分有利。
因此，在超高层建筑结构设计时，一般设置两道左右加强层即可。如果房屋高度>150m可再适当增设一至两道加强层。但同时应注意，当加强层超过三道以后，增设加强层对高层建筑的侧移影响并不十分明显。
4 刚度的合理选择
框架-核心筒结构设置适当数量的加强层后，加强层的水平伸臂构件与该层的上、下楼板组成刚度很大的箱形盘，此箱形盘将核心筒与外围框架连成整体，其整体转动基本上由外围框架柱的轴向变形控制，转动量非常小。从而使得加强层处结构整体转动大幅度减少，连带加强层上、下几层的整体转动也随之减少。适当数量的加强层设置，相当于给整个结构增设了若干道整体转动嵌固约束。
这种形式的刚度突变改变整体结构传力途径，使得结构内力发生突变。这种突变，使得结构在地震作用下，其破坏和位移较容易集中在加强层附近，形成薄弱层。
一般在地震的作用下，若结构整体刚度不能满足设计要求时，有两种途径可提高结构整体刚度。第一种，是采用刚度很大的所谓“刚性”加强层，强调用“大刚性”加强层增强整体结构刚度，希望使整体刚度越大越安全，这样做的结构往往适得其反，越希望以大刚度来增加抵抗力，却反而会使得结构刚度越发突变，内力剧增，导致在罕遇地震作用下结构在加强层附近极易形成薄弱层而破坏。第二种，是在调整增强原结构刚度的基础上，设置“有限刚度”加强层。强调采用“有限刚度”加强层来弥补整体刚度不足，使得结构整体刚度在可以满足规范的最低要求下，大幅度的减少非结构构件的破损。
通过两种不同加强概念的比较，就不难得出，采用“有限刚度”加强层可最大程度的减少结构刚度突变和内力剧增，从而使得结构在罕遇地震作用下还能呈现“强梁弱柱”“强剪弱弯”的延性屈服机制，很大程度上避免结构在加强层附近形成薄弱层。
故而，本文认为，框架-核心筒结构采用“有限刚度”的加强层框架-核心筒结构，即一定程度上弥补了整体刚度的不足，又可减少在水平加强层附近出现的应力突变，减少内筒与周边框架的竖向应力差，使一种较为合理的结构选择形式。
5 水平外伸构件
各类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。
6 构件设计构造措施
与一般的框架-核心筒结构不同，带水平加强层的框架-核心筒结构中的外排框架柱不仅承担竖向荷载引起的轴向力，而且承担很大一部分水平荷载引起的倾覆力矩。从结构抗震概念的角度来说，外排框架柱和核心筒墙共同成了第一道抗震防线。因此必须加强带加强层框架-核心筒结构体系中的框架柱，以保证承重构件竖向承载能力不下降到低于有效重力荷载的水平，满足抗震要求。
对于一般楼层梁可按普通框架-核心筒结构设计要求设计，对于加强层加强层上一层和下一层梁承受着较大的轴向力，因此在截面强度验算时必须考虑轴力的影响。考虑到水平荷载作用方向的任意性，在梁的强度验算时要考虑不利组合即轴向拉力。
综合所述，构件设计构造措施有：抗震设计时，加强层及相邻层（加强层上下各一层）的框架柱、核心筒剪力墙的抗震等级应提高一级采用，一级应提高至特一级，但抗震等级已为特一级时应允许不再提高；加强层及相邻层的框架柱，箍筋应全柱段加密配置，轴压比限值应按其他楼层的数值适当减少，一般减少幅度为0.05；加强层及其相邻层核心筒剪力墙应设置约束边缘构件；加强层及其相邻层楼面梁因考虑轴向拉力，配筋应比计算增加20%；加强层及其上下层楼面楼板厚度不宜小于150，且应双向双层配筋，最小配筋率宜不小于25%。
7结束语
（1） 本文详细讨论了框架-核心筒结构中水平加强层的结构形式、数量及最适位置、刚度的合理选择，水平外伸构件设计要求、以及构件设计构造要求。
（2） 在满足对整体刚度的补偿后，应控制加强层的刚度，用有限刚度原则来控制刚度、内力的突变程度，减少薄弱层的形成。
参考文献：
1.中华人民共和国国家标准. 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010
2.余安东，用水平加强层控制高层结构的侧移-水平加强层的作用及其最佳位置 ，建筑结构学报，1988（6）
3.刘建新、张充正，用优化方法确定水平加强层的最佳布置位置，烟台大学学报，1997（4）
4.徐福培、黃吉锋等，带加强层的框架芯筒结构抗震设计中的几个问题，建筑结构学报，1999（4）
5.阮永辉、吕西林，带水平加强层的超高层结构的力学性能分析， 结构工程师，2000（4）