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(duì)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(duì)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拢O(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。