淺談常見的建筑結(jié)構(gòu)體系

馬騰

摘 要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展至今，經(jīng)歷了漫長的演變過程，其結(jié)構(gòu)形式也在不斷變化，本文對(duì)目前常見的結(jié)構(gòu)類型做了歸納和總結(jié)，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)做了初步探究。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；框架；剪力墻；框筒

引言

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的進(jìn)步，高層建筑設(shè)計(jì)理念越發(fā)清晰。但這并不意味著那些宏偉的想法沒有發(fā)展空間。事實(shí)上，正是因?yàn)檫@些宏偉的想法，新奇的高層建筑系列才得以發(fā)展，也許，更重要的是，在幾年前的新概念在當(dāng)今的技術(shù)上已經(jīng)司空見慣。

省略一些嚴(yán)格與構(gòu)造材料相關(guān)的概念，在高層建筑中使用的最常見使用的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可歸類如下：

（1）抗彎矩框架。

（2）支撐框架，包括偏心支撐框架。

（3）剪力墻，包括鋼板剪力墻。

（4）筒中框架。

（5）筒中筒結(jié)構(gòu)。

（6）核心交互結(jié)構(gòu)。

（7）框格體系或束筒體系。

特別是最近更趨向于更復(fù)雜建筑的形式，也更需要增加剛度以抵抗風(fēng)力和地震力，大多數(shù)高層建筑都有框架結(jié)構(gòu)的組合體系、支撐框架體系、剪力墻和相關(guān)體系。此外，對(duì)于更高的建筑結(jié)構(gòu)，多數(shù)都是由三維陣列里的對(duì)話元素組成。

對(duì)于高層建筑來說，組合這些元素的方法才是設(shè)計(jì)過程中的本質(zhì)。這些組合需要發(fā)展以應(yīng)對(duì)環(huán)境、功能和成本上的考慮，這樣的組合才能提供有效的結(jié)構(gòu)體系以使建筑發(fā)展到新的高度。這并不就是說想象中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能創(chuàng)造偉大的建筑。相反，有很多的例子都是精美的建筑僅是得到結(jié)構(gòu)工程師適度的支持就被創(chuàng)造出來了，精美的建筑，不是偉大的建筑，可以不需要天才和富有天賦的建筑師的領(lǐng)導(dǎo)而被創(chuàng)造出來。不管怎么樣，形成高層建筑的一個(gè)真正非凡的設(shè)計(jì)需要兩者最好的元素。

雖然在文獻(xiàn)中是可以對(duì)這7種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行綜合討論，但是在論文中還是要進(jìn)行進(jìn)一步的討論。設(shè)計(jì)過程的本質(zhì)遍布于整個(gè)討論中。

1.抗彎矩框架（框架或剛架）

抗彎矩框架也許是低，中高度的建筑中最常用的結(jié)構(gòu)體系，它具有線性水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件在接頭處基本剛接之特點(diǎn)。這樣的結(jié)構(gòu)體系常被作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系或與其他的結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合以便提供所需水平荷載的抵抗力。對(duì)于較高的高層建筑，這種體系作為獨(dú)立的體系是很可能認(rèn)為不合適的，因?yàn)樵谒搅Φ淖饔孟乱苿?dòng)剛度足夠的剛度是由難度的。

分析可以通過應(yīng)力、應(yīng)變或一系列合適的電腦程序計(jì)算得來，所謂的門架法分析或懸臂法分析在當(dāng)今的技術(shù)中無一席之地，由于柱梁節(jié)點(diǎn)固有柔性，并且由于初步設(shè)計(jì)應(yīng)該力求突出體系的弱點(diǎn)，所以在初步分析中使用框架的中心距尺寸設(shè)計(jì)不是不常見的。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)的后期階段，實(shí)際地評(píng)價(jià)結(jié)點(diǎn)的變形很有必要。

2.支撐框架

支撐框架實(shí)際上剛度比抗彎矩框架強(qiáng)，在高層建筑中也得到更廣泛的應(yīng)用。這種體系的特點(diǎn)是其線性水平構(gòu)件、垂直構(gòu)件和斜撐構(gòu)件在結(jié)點(diǎn)處鉸接或剛接，它通常與其他體系共同用于較高的建筑，并且作為一種獨(dú)立的體系用在低、中高度的建筑中。

然而在支撐框架體系中使用鋼結(jié)構(gòu)是很常見的，混凝土框架結(jié)構(gòu)更有可能適用于更大規(guī)模的體系中。尤其引人關(guān)注的是在強(qiáng)震區(qū)會(huì)使用偏心支撐框架。此外，分析可以利用應(yīng)力、應(yīng)變，或一系列二維或三維計(jì)算機(jī)分析程序中的任何一種電腦程序計(jì)算得來。另外，初步分析中常用中心距尺寸。

3.剪力墻

剪力墻在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系剛性的發(fā)展過程中又前進(jìn)了一步。該體系的特點(diǎn)是具有相當(dāng)薄的，通常是（而不總是）混凝土的構(gòu)件，這種構(gòu)件既可提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又可提供建筑物功能上的分隔。

在高層建筑中，剪力墻體系趨向于具有相對(duì)的縱橫比，即體系中高度要比寬度大。由于基礎(chǔ)體系缺少應(yīng)力，任何一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗傾覆彎矩的能力都受到體系的寬度和構(gòu)件承受的重力荷載的限制。由于受到狹窄和傾覆的限制，在窗戶需要量小的建筑物外墻中明顯地使用了這種確有需要寬度的體系。

鋼結(jié)構(gòu)剪力墻通常通過混凝土覆蓋層來加強(qiáng)以抵抗失穩(wěn)，這在剪切荷載大的地方已得到應(yīng)用。這種體系實(shí)際上比鋼支撐經(jīng)濟(jì)，對(duì)于使剪切荷載由位于地面正上方區(qū)域內(nèi)比較高的樓層向下移特別有效。這種體系還具有高延性之優(yōu)點(diǎn)，這種特性在強(qiáng)震區(qū)特別重要。

由于這些墻內(nèi)不可避免的出現(xiàn)一些大空洞，使得剪力墻體系分析變得錯(cuò)綜復(fù)雜?？梢酝ㄟ^桁架模似法、有限元法，或者通過利用為考慮剪力墻的交互作用或扭轉(zhuǎn)功能設(shè)計(jì)的專門計(jì)處機(jī)程序進(jìn)行初步分析。

4.框支或支撐式筒體結(jié)構(gòu)

框架或支撐式筒體最先應(yīng)用于IBM公司在Pittsburgh的一幢辦公樓，隨后立即被應(yīng)用于紐約雙子座的110層世界貿(mào)易中心摩天大樓和其他的建筑中。這種系統(tǒng)有以下幾個(gè)顯著的特征：三維結(jié)構(gòu)、支撐式結(jié)構(gòu)、或由剪力墻形成的一個(gè)性質(zhì)上差不多是圓柱體的閉合曲面，但又有任意的平面構(gòu)成。由于這些抵抗側(cè)向荷載的柱子差不多都被設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)的中心，所以整體的慣性得到提高，剛度也是很大的。

在可能的情況下，通過三維概念的應(yīng)用、二維的類比，我們可以進(jìn)行筒體結(jié)構(gòu)的分析。不管應(yīng)用那種方法，都必須考慮剪力滯后的影響。

這種最先在航天器結(jié)構(gòu)中研究的剪力滯后出現(xiàn)后，對(duì)筒體結(jié)構(gòu)的剛度是一個(gè)很大的限制。這種觀念已經(jīng)影響了筒體結(jié)構(gòu)在60層以上建筑中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)者已經(jīng)開發(fā)出了很多的技術(shù)，用以減小剪力滯后的影響，這其中最有名的是桁架的應(yīng)用。框架或支撐式筒體在40層或稍高的建筑中找到了自己的用武之地。除了一些美觀的考慮外，桁架幾乎很少涉及與外墻聯(lián)系的每個(gè)建筑功能，而懸索一般設(shè)置在機(jī)械的地板上，這就令機(jī)械體系設(shè)計(jì)師們很不贊成。但是，作為一個(gè)性價(jià)比較好的結(jié)構(gòu)體系，桁架能充分發(fā)揮它的性能，所以它會(huì)得到設(shè)計(jì)師們持續(xù)的支持。由于其最佳位置正取決于所提供的桁架的數(shù)量，因此很多研究已經(jīng)試圖完善這些構(gòu)件的位置。實(shí)驗(yàn)表明：由于這種結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性并不十分受桁架位置的影響，所以這些桁架的位置主要取決于機(jī)械系統(tǒng)的完善，審美的要求。

5.筒中筒結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能使外墻中的柱具有靈活性，用以抵抗顛覆和剪切力?！巴仓型病边@個(gè)名字顧名思義就是在建筑物的核心承重部分又被包圍了第二層的一系列柱子，它們被當(dāng)作是框架和支撐筒來使用。配置第二層柱的目的是增強(qiáng)抗顛覆能力和增大側(cè)移剛度。這些筒體不是同樣的功能，也就是說，有些筒體是結(jié)構(gòu)的，而有些筒體是用來支撐的。

在考慮這種筒體時(shí)，清楚的認(rèn)識(shí)和區(qū)別變形的剪切和彎曲分量是很重要的，這源于對(duì)梁的對(duì)比分析。在結(jié)構(gòu)筒中，剪切構(gòu)件的偏角和柱、縱梁（例如：結(jié)構(gòu)筒中的網(wǎng)等）的彎曲有關(guān)，同時(shí)，彎曲構(gòu)件的偏角取決于柱子的軸心壓縮和延伸（例如：結(jié)構(gòu)筒的邊緣等）。在支撐筒中，剪切構(gòu)件的偏角和對(duì)角線的軸心變形有關(guān)，而彎曲構(gòu)件的偏角則與柱子的軸心壓縮和延伸有關(guān)。

根據(jù)梁的對(duì)比分析，如果平面保持原形（例如：厚樓板），那么外層筒中柱的軸心壓力就會(huì)與中心筒柱的軸心壓力相差甚遠(yuǎn)，而且穩(wěn)定的大于中心筒。但是在筒中筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)發(fā)展到極限時(shí)，內(nèi)部軸心壓力會(huì)很高的，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部的柱子。這種反常的現(xiàn)象是由于兩種體系中的剪切構(gòu)件的剛度不同。這很容易去理解，內(nèi)筒可以看成是一個(gè)支撐（或者說是剪切剛性的）筒，而外筒可以看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)（或者說是剪切彈性的）筒。

6.核心交互式結(jié)構(gòu)

核心交互式結(jié)構(gòu)屬于兩個(gè)筒與某些形式的三維空間框架相配合的筒中筒特殊情況。事實(shí)上，這種體系常用于那種外筒剪切剛度為零的結(jié)構(gòu)。位于Pittsburgh的美國鋼鐵大樓證實(shí)了這種體系是能很好的工作的。在核心交互式結(jié)構(gòu)中，內(nèi)筒是一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，外筒沒有任何剪切剛度，而且兩種結(jié)構(gòu)體系能通過一個(gè)空間結(jié)構(gòu)或“帽”式結(jié)構(gòu)共同起作用。需要指出的是，如果把外部的柱子看成是一種從“帽”到基礎(chǔ)的直線體系，這將是不合適的；根據(jù)支撐核心的彈性曲線，這些柱子只發(fā)揮了剛度的15%。同樣需要指出的是，內(nèi)柱中與側(cè)向力有關(guān)的軸向力沿筒高度由拉力變?yōu)閴毫?，同時(shí)變化點(diǎn)位于筒高度的約5/8處。當(dāng)然，外柱也傳遞相同的軸向力，這種軸向力低于作用在整個(gè)柱子高度的側(cè)向荷載，因?yàn)檫@個(gè)體系的剪切剛度接近于零。

把內(nèi)外筒相連接的空間結(jié)構(gòu)、懸臂梁或桁架經(jīng)常遵照一定的水準(zhǔn)來布置。美國電話電報(bào)總部就是一個(gè)布置交互式構(gòu)件的生動(dòng)例子：

（1）結(jié)構(gòu)體系長59.7米，寬28.6米，高183.3米。

（2）布置了兩個(gè)內(nèi)筒，每個(gè)筒的尺寸是9.4米×12.2米，在長方向上有27.4米的間隔。

（3）在短方向上內(nèi)筒被支撐起來，但是在長方向上沒有剪切剛度。

（4）環(huán)繞著建筑物周邊布置了一個(gè)外筒。

（5）外筒是一個(gè)抵抗彎矩的框架，但是在每個(gè)長方向的中心15.2米都沒有剪切剛度。

（6）在建筑的頂部布置了一個(gè)空間桁架構(gòu)成的“帽式”結(jié)構(gòu)。

（7）在建筑的底部布置了一個(gè)相似的空間桁架結(jié)構(gòu)。

（8）由于外筒的剪切剛度在建筑的底部接近零，整個(gè)建筑基本上由兩個(gè)鋼板筒來支持。

7.框格體系或束筒體系結(jié)構(gòu)

位于美國芝加哥的西爾斯大廈是框格體系的經(jīng)典之作，它由九個(gè)相互獨(dú)立的筒組成的一個(gè)集中筒。由于西爾斯大廈包括九個(gè)幾乎一模一樣的筒，而且筒在平面上無須相似，基本的結(jié)構(gòu)體系在不規(guī)則形狀的建筑中得到特別的應(yīng)用。一些單個(gè)的筒高于建筑一點(diǎn)或很多是很常見的。事實(shí)上，這種體系的重要特征就在于它既有堅(jiān)固的一面，也有脆弱的一面。

這種體系的脆弱，特別是在結(jié)構(gòu)筒中，與柱子的壓縮變形有很大的關(guān)系，柱子的壓縮變形有下式計(jì)算：△=ΣfL/E

對(duì)于那些層高為3.66米左右和平均壓力為138MPa的建筑，在荷載作用下每層柱子的壓縮變形為15（12）/29000或1.9毫米。在第50層柱子會(huì)壓縮94毫米，小于它未受壓的長度。這些柱子在50層的時(shí)候和100層的時(shí)候的變形是不一樣的，位于這兩種體系之間接近于邊緣的那些柱需要使這種不均勻的變形得以調(diào)解。

主要的結(jié)構(gòu)工作都集中在布置中。在Melbourne的Rialto項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)工程師發(fā)現(xiàn)至少有一幢建筑，很有必要垂直預(yù)壓低高度的柱子，以便使柱不均勻的變形差得以調(diào)解，調(diào)解的方法近似于后拉伸法，即較短的柱轉(zhuǎn)移重量到較高的鄰柱上。（作者單位：南昌市政公用集團(tuán)工程項(xiàng)目管理分公司）

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