高層建筑結(jié)構(gòu)體系簡析

蘇曉春

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程系，陜西 咸陽 712000）

近幾年來，亞洲國家和地區(qū)的高層建筑發(fā)展也非常迅速，而且廣泛采用新的結(jié)構(gòu)體系和建筑形式，逐步成為世界建造高層建筑的新重心。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)不同于低層多層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在低層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移都很小，通?？梢院雎?。所以低層建筑結(jié)構(gòu)承受的外部作用主要是以自重為代表的豎向荷載。而對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)要同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載。設(shè)計(jì)中我們必須重點(diǎn)考慮高層建筑遇到巨大風(fēng)力和偶然的地震力時(shí)所產(chǎn)生的水平側(cè)力。因?yàn)殡S著建筑物高度的增加，高寬比的增大，盡管豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力和位移不斷增大，將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的控制因素。由于高層建筑高度較大，地震作用對(duì)它的影響也較大。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的抗地震性。除此之外還得嚴(yán)格控制高層建筑體型的高寬比例，以保證其穩(wěn)定性。使建筑平面、體型、立面的質(zhì)量和剛度盡量保持對(duì)稱和勻稱，使整體結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。

2 常見的高層建筑結(jié)構(gòu)體系

（1）框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)件組成，是早期多采用的結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少，可以在構(gòu)建工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，也可以在施工現(xiàn)場采用定型模板進(jìn)行現(xiàn)澆制作，整體性好和抗震性能較好。并且框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活，空間大，能適應(yīng)較多功能的需要，

在框架結(jié)構(gòu)建筑中，外墻可使用非承載構(gòu)件，使立面設(shè)計(jì)靈活多變；內(nèi)墻采用輕質(zhì)隔墻，可以按需要選擇拆除以適應(yīng)更多樣的空間需求，并且這些輕質(zhì)隔墻和外墻的采用，大大降低了建筑物自重，節(jié)省了材料，因此成為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較小，在一般節(jié)點(diǎn)連接情況下，當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時(shí)，將會(huì)有較大的剪切變形。因此，限制了框架結(jié)構(gòu)的使用高度。總之，在修建高度不大的高層建筑物時(shí)，框架結(jié)構(gòu)體系性能表現(xiàn)良好。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用現(xiàn)澆配筋墻體作為承受豎向荷載和水平荷載的結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有較高的抗側(cè)剛度，對(duì)抵抗水平風(fēng)力十分有利的，并且現(xiàn)澆的墻體也可以作為房屋的分隔構(gòu)件，因此，它適用于小開間的高層建筑，比如賓館、住宅樓等，而且建造的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的主體都是現(xiàn)澆的鋼筋混凝土，整體性很好，縱觀世界各地的歷次地震危害情況可知，剪力墻的地震破壞相對(duì)比較輕，所以適合在地震區(qū)推廣建造。

值得注意的是，剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅樓中，部分中間隔墻是剪力墻。這個(gè)不同于框架結(jié)構(gòu)中的非承載輕質(zhì)隔墻，是絕對(duì)不能拆除的，因?yàn)樗矊儆诔兄亟Y(jié)構(gòu)體系的一部分。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)體系的空間使用限制很大，不能符合公共建筑的使用要求。而且整體的現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體也造成整個(gè)建筑物自重的增大，使建材用量增加，地震力增大，上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)將變得困難。

（3）框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系。框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，即在框架結(jié)構(gòu)中沿縱橫方向布置適當(dāng)數(shù)量的剪力墻，可以兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短。大部分的水平荷載（80%～90%）是由剪力墻來承擔(dān)的，提高了結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)除了承受豎向荷載外，也可以承受小部分的水平荷載，并且提高了空間使用的靈活性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)受到水平荷載的變形表現(xiàn)為剪切變形，而剪力墻部分則為彎曲變形，兩部分通過樓板協(xié)同工作時(shí)，變形必須協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這樣變形就變成彎剪型。各層間的變形會(huì)區(qū)域均勻，減小了頂部總側(cè)移量，如圖1所示?？傊蚣堋袅Y(jié)構(gòu)體系在剛度，抗側(cè)力能力，抗震性能，空間使用上都優(yōu)于單純的框架結(jié)構(gòu)體系及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

圖1 框架、剪力墻與框架—剪力墻的變形特點(diǎn)

（4）筒體結(jié)構(gòu)體系。如果將框架結(jié)構(gòu)中的柱距減小密集布置，梁的高度放大就形成密柱高梁的框筒。將剪力墻圍成筒狀就形成空間薄壁筒。用框筒或者空間薄壁筒來承擔(dān)水平荷載的空間結(jié)構(gòu)就為筒體結(jié)構(gòu)。一個(gè)或者多個(gè)筒體結(jié)構(gòu)連接就可以稱為筒體結(jié)構(gòu)體系。常見的類型有實(shí)腹筒、框架筒體結(jié)構(gòu)、束筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等。

筒體結(jié)構(gòu)體系不同于其他結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是它的空間受力性能，因?yàn)樗梢钥醋魇枪潭ㄓ诨A(chǔ)上的箱型懸臂構(gòu)件，要比單片的框架或者剪力墻的平面結(jié)構(gòu)具有更大抗側(cè)剛度和承載能力，并具有較好的抗扭性能。所以更適合用來建造超高的建筑物。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑科學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，高層建筑及超高層建筑的發(fā)展越來越快，超高層建筑已經(jīng)成為一個(gè)國家強(qiáng)大的標(biāo)志，各國都在努力刷新超高層建筑物的新高度。新材料新技術(shù)的不斷更新和采用，一般常見的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)高度的期望。而新型的筒體結(jié)構(gòu)體系、巨型結(jié)構(gòu)體系和混合結(jié)構(gòu)體系等將越來越廣泛的應(yīng)用在高層及超高層建筑的實(shí)際工程中。這些新型的結(jié)構(gòu)體系從建筑設(shè)計(jì)角度來看，能滿足各種特殊使用功能的平面及立面設(shè)計(jì)要求，可以將設(shè)計(jì)師的天才想象力變成現(xiàn)實(shí)；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來分析，筒體結(jié)構(gòu)體系、巨型結(jié)構(gòu)體系和混合結(jié)構(gòu)體系都具有強(qiáng)大的抗側(cè)剛度整體性和承載能力并能采用新型材料，結(jié)構(gòu)體系既合理又經(jīng)濟(jì)。

隨著各種新技術(shù)新材料新科技的不斷產(chǎn)生和高效施工方法的出現(xiàn)，未來的高層建筑結(jié)構(gòu)將向著更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系和考慮環(huán)保、節(jié)能、舒適、多功能等可持續(xù)發(fā)展觀念的人性化設(shè)計(jì)方向發(fā)展，適應(yīng)人們對(duì)空間的利用觀念的變化，展現(xiàn)出更為強(qiáng)大的生命力。

[1]包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[2]呂西林，程明.超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的新發(fā)展[J].結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（2）.