伸臂桁架的概念

伸臂的概念在除了建筑之外也早已有諸多應(yīng)用，例如在過去包括現(xiàn)在的很多帆船中，都會(huì)采用支腿的形式來抵抗風(fēng)力，使行駛更加平穩(wěn)，而常見的重型汽車裝備中，也會(huì)使用伸臂來保證在進(jìn)行作業(yè)時(shí)候的穩(wěn)定性。

常見應(yīng)用

對于超高層建筑而言，在抗側(cè)力的工況下，結(jié)構(gòu)體系可簡化為一個(gè)懸臂桿件，在均布荷載下，其剛度和高度為四次方的關(guān)系，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)高度達(dá)到一定程度時(shí)，常規(guī)的豎向構(gòu)件，其抗側(cè)剛度已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)在水平力作用下控制變形的需要。因此，為了滿足建筑剛度的需要，通常需要設(shè)置加強(qiáng)層來提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。在加強(qiáng)層的設(shè)置方法中，采用伸臂桁架+腰桁架組合是較為常見的一種形式。

伸臂桁架的特點(diǎn)及適用范圍

伸臂桁架在超高層建筑中的機(jī)理是在水平荷載的作用下，提高了外框部分的軸力，相應(yīng)增加了框架承擔(dān)的傾覆彎矩，它對結(jié)構(gòu)的反彎作用，可以有效增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，改變水平剪力在框架與核心筒之間的分配比例。根據(jù)以上的作用機(jī)理以及設(shè)計(jì)實(shí)踐，可以發(fā)現(xiàn)伸臂桁架在框架核心筒結(jié)構(gòu)體系的效率較筒中筒結(jié)構(gòu)明顯很多。外框腰桁架通常會(huì)配合伸臂桁架一起使用，這是因?yàn)樵谒阶饔昧ο?，設(shè)置了伸臂桁架的加強(qiáng)層，其外框軸力會(huì)大大增加，通過設(shè)置腰桁架，可以減小框架核心筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，對外框可以起到“褲腰帶”一樣的作用。

伸臂桁架的位置敏感性

伸臂桁架在立面的設(shè)置位置，一方面需要考慮對結(jié)構(gòu)的效率的影響，另一方面要考慮建筑功能的要求，一般需要結(jié)合設(shè)備層來設(shè)置。

華東院對伸臂桁架的研究認(rèn)為，當(dāng)設(shè)置n道伸臂桁架時(shí)，最優(yōu)的位置為(1~n)/(n+1)，并對相關(guān)項(xiàng)目的伸臂桁架設(shè)置的位置進(jìn)行了總結(jié)。但是由于伸臂的效率受到結(jié)構(gòu)的自身高度，結(jié)構(gòu)高寬比，水平力作用下的變形形態(tài)，其余抗側(cè)力構(gòu)件的剛度等一系列因素影響，很難定量去給出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但通常地可以認(rèn)為在結(jié)構(gòu)2/3H處左右效率較高，在需要增加時(shí)，可在1/2H，1/3H等處布置。具體項(xiàng)目尚因做敏感性分析，結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)的豎向變化和收分情況，合理選擇伸臂桁架的位置。

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院

此外，根據(jù)研究表明，多道伸臂桁架減小側(cè)移的效果優(yōu)于一道桁架，而伸臂桁架的數(shù)量與其效果并不成線性關(guān)系。上述總結(jié)中，也可看到除了上海中心外，其余超高層項(xiàng)目的伸臂設(shè)置數(shù)在2-3道居多。

伸臂桁架的設(shè)計(jì)問題

伸臂桁架自然離不開桁架的問題，桁架的形式多種多樣，但都以軸力為主，因此材料選擇也以鋼結(jié)構(gòu)為主。但處于結(jié)構(gòu)效率和成本的考慮，關(guān)于桁架的形式和材料也并非單一，以下就筆者在一些項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)做一些介紹。

首先是關(guān)于結(jié)構(gòu)效率的問題，桁架的形式的討論已經(jīng)很多，借用豬小寶在知乎中的回答，對于如下的一個(gè)懸臂梁，在外荷載P的作用下，普通桁架，Pratt truss，Warren truss以及最后通過拓?fù)鋬?yōu)化理論得到的Michell truss，結(jié)構(gòu)效率依此遞增，反之可以理解為，在相同材料用量下，最后者所提供的剛度最大。

最高的結(jié)構(gòu)效率是結(jié)構(gòu)工程師所追求的，但是在實(shí)際工程項(xiàng)目中，在建筑功能和結(jié)構(gòu)效率之間需要達(dá)到一個(gè)平衡。

伸臂桁架尺度大，跨越核心筒和外框柱，會(huì)產(chǎn)生大量的無效空間，無論從成本測算還是功能利用上，在建筑上都是難以承受的，因此伸臂桁架一般設(shè)置在相關(guān)的設(shè)備層處。

此外，超高層的設(shè)備層除了是放置相關(guān)機(jī)電設(shè)備外，還需要設(shè)置避難區(qū)，而避難區(qū)的設(shè)置又需要與逃生通道相連，因此機(jī)電層內(nèi)的空間也可謂寸土寸金。

此外，為了控制成本與立面效果，避難層的層高也控制較嚴(yán)格，一般與機(jī)電設(shè)備要求相關(guān)聯(lián)，在4.5m~6m左右，而核心筒與外框的跨距一般在10m~13m左右，在這樣的跨高比下，尚需考慮桁架下的可利用空間，從而選擇合適的桁架結(jié)構(gòu)體系。

國貿(mào)三期A伸臂桁架 ARUP

上海環(huán)球金融中心伸臂系統(tǒng)

在某超高層項(xiàng)目中，方案設(shè)計(jì)單位SOM結(jié)合建筑上的轉(zhuǎn)換空中大堂，將層高提高到8.8m，結(jié)合空中大堂層下的6m層高的設(shè)備層，使伸臂桁架的總高度為14.8m，跨高比約0.7，這對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)桁架來說是非常難得的有利條件。在原方案中，根據(jù)原先拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)論設(shè)置了X型伸臂桁架。

SOM

同時(shí)，通過虛功原理和力學(xué)分析，可以得到在此項(xiàng)目的幾何條件下，K型桁架的效率更高。這也是可以通過拓?fù)淠Ｐ?，考慮巨柱及核心筒剛度下驗(yàn)證的。通過多個(gè)專業(yè)的協(xié)作，建筑師的意圖得到了良好的實(shí)現(xiàn)，在不影響平面交通流線的情況下，效果上空中大堂顯得高大通透，伸臂桁架體現(xiàn)了建筑整體的骨架感和力量感，因此，這套伸臂桁架的設(shè)計(jì)較高程度地實(shí)現(xiàn)了建筑功能、效果以及結(jié)構(gòu)效率之間的統(tǒng)一。

伸臂桁架設(shè)計(jì)的其他探討

伸臂桁架一般會(huì)大大提高該層的剛度，進(jìn)而控制塔樓的整體剛度，這種設(shè)置對于抗風(fēng)是比較有效的，對于抗震設(shè)計(jì)而言，由于會(huì)產(chǎn)生剛度及承載力突變，因此在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意控制這種不利，具體表現(xiàn)在剛度控制與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的統(tǒng)一上。

因此對伸臂形式的選擇需注意，例如混凝土實(shí)腹梁伸臂，一般會(huì)將梁設(shè)置成整層層高，會(huì)造成局部的剛度突變，而且由于混凝土受拉性能較差，在水平作用的往復(fù)作用下，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，因此并不適用于高烈度區(qū)的抗震設(shè)計(jì)。

混凝土實(shí)腹梁伸臂

Arup在重慶來福士廣場項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，南塔樓建筑高度約250m，6度區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)目該項(xiàng)目高寬比約10，核心筒高寬比約23，通高斜柱，由于剛重比不能滿足要求，設(shè)置了三道伸臂桁架。

ARUP

在進(jìn)行伸臂桁架的設(shè)計(jì)時(shí)，討論了很多種結(jié)構(gòu)形式和材料形式，其中還包括伸臂采用SRC的形式的可能性，但是會(huì)存在一些問題，例如在往復(fù)作用下，混凝土開裂后剛度退化是否存在問題；上下弦桿可考慮借用樓板剛度，但腹桿則不會(huì)，在剛度發(fā)生退化后，伸臂的內(nèi)力也會(huì)重分配進(jìn)而影響構(gòu)件的設(shè)計(jì)。此外，在伸臂桁架與剪力墻連接的地方，尤其是高區(qū)墻體較薄處，節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，此處如果還需要綁扎鋼筋并且澆筑混凝土，這些都是非常困難的。

ARUP

在另外兩棟350m的塔樓伸臂桁架設(shè)計(jì)上，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了組合伸臂系統(tǒng)，這套系統(tǒng)包括了位于外框柱上的軟鋼剪切耗能件，從核心筒角部延伸出的混凝土伸臂墻的鋼支撐，以及圍繞核心筒一周的鋼筋混凝土環(huán)梁。這套系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，通過系統(tǒng)地設(shè)定屈服機(jī)制，使得剪切耗能構(gòu)件在大震下可以起到保險(xiǎn)絲的作用，在其屈服后可通過變形耗能保護(hù)伸臂及核心筒，而巨大的混凝土實(shí)腹墻，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)剛度。

重慶來福士廣場350m高塔樓的伸臂系統(tǒng)較常規(guī)的伸臂系統(tǒng)，成本上有一定優(yōu)勢，且相較于使用VFD系統(tǒng)的伸臂，則減少了維護(hù)的困難，對于交付后，大廈的管理方是僅需進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即可，而如若需要對損耗構(gòu)件進(jìn)行替換，相較于制成品的VFD，軟鋼更容易采購且加工，為后期維護(hù)提供了便利。

伸臂桁架在施工階段的影響

由于伸臂桁架跨越核心筒和外框架，因此在施工階段，伸臂的合攏時(shí)間會(huì)在重力作用下，間接影響到外框、伸臂桁架和核心筒之間的內(nèi)力分布。在某250m超高層項(xiàng)目的施工模擬分析中，分析了伸臂桁架在不同的時(shí)間段合攏對各構(gòu)件的內(nèi)力分布影響。這里共考慮了四個(gè)工況：

一次性加載，

伸臂隨樓層施工，不進(jìn)行后合攏；

伸臂在主體施工至下一個(gè)加強(qiáng)層時(shí)合攏本層伸臂；

伸臂在塔樓結(jié)構(gòu)封頂時(shí)合攏。可以比較明顯地看出，伸臂桁架合攏之間越靠后，其腹桿內(nèi)軸力越小，而弦桿的彎矩越大，這是由于伸臂合攏較早的話，其會(huì)承擔(dān)較多的核心筒與外框之間變形差導(dǎo)致的內(nèi)力，導(dǎo)致軸力增加，反之，合攏越晚，弦桿會(huì)承擔(dān)更多的附加彎矩。此外，如果合攏時(shí)間過晚，會(huì)影響在施工階段塔樓行程整體剛度，因此需要合理地考慮伸臂的合攏時(shí)間，一般會(huì)滯后15層左右。

伸臂的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

伸臂桁架節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量簡化，清晰傳力，在伸臂與核心筒的節(jié)點(diǎn)，由于還要連接墻體內(nèi)的型鋼構(gòu)件，此處非常復(fù)雜，因此常會(huì)考慮采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)高區(qū)墻體較薄時(shí)，需要在方案設(shè)計(jì)階段即與建筑師做好溝通，避免在局部增加墻厚導(dǎo)致影響建筑功能。

伸臂桁架的鋼板可穿過核心筒，形成整體桁架，也可不穿越。無論怎樣，伸臂的安裝都存在大量型鋼鋼板構(gòu)件，在高空分段、分節(jié)吊裝焊接，鋼結(jié)構(gòu)工程與混凝土工程大量交叉作業(yè)，與核心筒操作平臺(tái)發(fā)生沖突，影響工期等一系列的施工難題，因此盡量簡化桁架的設(shè)計(jì)，充分與施工單位的協(xié)同配合是非常有必要的。

小結(jié)

伸臂桁架作為桁架結(jié)構(gòu)體系在超高層中的一種應(yīng)用，體現(xiàn)了桁架體系本身的高效，同時(shí)也隨著設(shè)計(jì)方法、理論，施工工藝、工法的日臻完善，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)著更大的作用。中國第一個(gè)200m以上的摩天樓京廣中心度過自己的而立之年，金茂大廈在去年8月也在上海慶祝了自己20歲的生日，也希望在伸臂桁架這套系統(tǒng)中，今后可以看到更多的創(chuàng)新，以及更廣泛的應(yīng)用。