多高層鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點和不足

梁鵬花

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

高層鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是材料的強度高，結(jié)構(gòu)自重輕，有良好的延性，抗震性能好，能夠滿足建筑上超高層，大跨度，大空間以及多用途的各種要求，施工速度快，工期短，建設(shè)成本低。同時鋼結(jié)構(gòu)建筑有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，即使在高強混凝土等新型材料已經(jīng)出現(xiàn)的今天，鋼結(jié)構(gòu)仍不失為超高層建筑，特別是地震地區(qū)高層建筑的一種經(jīng)濟有效的結(jié)構(gòu)類型［1］。

隨著城市建設(shè)的不斷擴大，城市高層建筑的需求與日俱增。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化超高層建筑的要求，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，新的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)。常見的高層鋼結(jié)構(gòu)體系可以分為四大類型:框架結(jié)構(gòu)體系，框架—支撐結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)體系，巨型結(jié)構(gòu)體系［2-4］。

各種結(jié)構(gòu)體系都有各自的結(jié)構(gòu)特征，使用范圍以及各自的優(yōu)缺點，下面具體分析各個結(jié)構(gòu)體系［5，6］。

1 框架結(jié)構(gòu)體系

1.1 結(jié)構(gòu)特征

框架結(jié)構(gòu)體系是沿著房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重的抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般可分為無支撐框架和有支撐框架兩種形式，無支撐框架是由鋼柱和鋼梁組成的，地震區(qū)的高樓采用框架體系時，框架的縱，橫梁與柱的連接一般采用剛性連接。

1.2 框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點

能夠提供較大的內(nèi)部空間，建筑平面布置靈活，能適應各種類型的使用功能。需要時，可用隔斷分割成小房間，或拆除隔斷改成大房間，使用靈活。外墻用非承重構(gòu)件，可使建筑立面靈活多變。如果采用輕質(zhì)隔板做外墻，就可以大大降低房屋的自重，節(jié)省材料。結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件易于標準化和定型化，施工速度快，對層數(shù)不多的高層建筑結(jié)構(gòu)而言，框架結(jié)構(gòu)體系是一種比較經(jīng)濟合理，運用廣泛的結(jié)構(gòu)體系。

框架結(jié)構(gòu)的缺點是抗側(cè)剛度小，在地震荷載作用下側(cè)向位移大。當側(cè)向位移過大時，框架結(jié)構(gòu)上部的豎向荷載作用會進一步加大桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)側(cè)移，會產(chǎn)生嚴重的二階效應，嚴重時還會危及框架的總體穩(wěn)定?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力主要取決于梁和柱的受彎能力。房屋層數(shù)增多時，側(cè)力總值增大，而要提高梁和柱的抗彎能力和剛度，只有加大梁和柱的截面尺寸，截面過大，就會使框架結(jié)構(gòu)失去其經(jīng)濟合理性。此外由于框架結(jié)構(gòu)體系的剛度不足，地震時側(cè)向位移大，容易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的破壞，有時甚至會造成結(jié)構(gòu)的破壞。純框架結(jié)構(gòu)一般適用于層數(shù)不超過30層的高層鋼結(jié)構(gòu)。

1.3 框架結(jié)構(gòu)體系的工程應用

現(xiàn)在，采用框架結(jié)構(gòu)體系的建筑比較多，如北京長富宮中心，法國巴黎圖書館，美國休斯頓市的第一印第安納廣場大廈。

北京長富宮中心分地下2層，地上26層，平面尺寸為48 m×25.8 m，按8度抗震設(shè)防，采用的是鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系，基本柱網(wǎng)尺寸為8 m×9 m。美國休斯頓市的第一印第安納廣場大廈29層，高121 m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，柱距約7.6 m。經(jīng)過計算分析，不僅能有效地抵抗住風力，而且也能滿足抗震要求。

2 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)特征

在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱橫兩個方向均布置一定數(shù)量的支撐，形成框架支撐結(jié)構(gòu)體系，簡稱為框撐結(jié)構(gòu)體系。在這種結(jié)構(gòu)體系中，框架布置的原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架結(jié)構(gòu)體系相同，支撐沿著結(jié)構(gòu)的周圍布置，縱橫交錯的支撐相連接，形成支撐芯筒。

2.2 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點

框架—支撐結(jié)構(gòu)體系相對于框架結(jié)構(gòu)體系而言，除了具有框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點外，其一個顯著的優(yōu)點是其抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)明顯增大，在地震發(fā)生時，框架體系和支撐體系形成兩道抗震防線，其抗震性能有明顯的提高［7］。

當建筑物的層數(shù)較大時，可以每隔若干層設(shè)置一層加勁桁架層，將內(nèi)部支撐和外圈框架連為一整體彎曲構(gòu)件，共同抵抗水平荷載引起的傾覆力矩。不僅增強了建筑物的整體抗側(cè)力剛度，同時也增大了框架—支撐體系的適用高度。

框架—支撐體系可以和鋼筋混凝土剪力墻混合使用，根據(jù)使用功能需求可以靈活布置剪力墻，這樣水平剪力主要由剪力墻承擔，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度得到顯著的提高，地震作用的層間位移也顯著減小，地震區(qū)層數(shù)較高的建筑可以使用這樣的結(jié)構(gòu)體系。采用錯列的桁架體系來構(gòu)成框架—支撐體系，可以獲得較大的開間。

框架支撐體系設(shè)置較多的支撐，使得結(jié)構(gòu)受力分析復雜，施工難度加大，用鋼量也增大了。其次支撐的設(shè)置容易與建筑立面處理，門窗布置等建筑要求發(fā)生沖突?？蚣堋谓Y(jié)構(gòu)體系的支撐成為整個結(jié)構(gòu)體系的重要部位，在外力的作用下，支撐長期處于拉壓的周期作用，容易引起支撐構(gòu)件的疲勞破壞，使其在突然的較大外力，如地震發(fā)生時會有很大的變形或者屈曲，從而引起整個建筑的較大變形。

在框架—支撐及剪力墻結(jié)構(gòu)體系中鋼筋混凝土剪力墻與鋼柱連接困難，容易引起溫度變形，且其剛度較大，地震時易發(fā)生應力集中，導致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而發(fā)生脆性破壞。

框架—支撐結(jié)構(gòu)由于抗側(cè)力剛度有限，不能使用于超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，一般用于40層～60層的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。

2.3 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系的工程應用

在城市的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，框架—支撐體系是運用的比較多的一種結(jié)構(gòu)體系，如紐約42層的ETW大廈，北京國貿(mào)中心(高155.2 m，地下3層，地上39層)，上海世界廣場(高度150 m，地下2層，地上38層)等都是采用的鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系。此外，如北京京廣中心(總高度208 m，地下3層，地上57層，基礎(chǔ)埋深－16.4 m)，上海錦江飯店(高度153 m，地下1層，地上46層)等采用的是框架—支撐及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3 筒體結(jié)構(gòu)體系

3.1 結(jié)構(gòu)特征

筒體結(jié)構(gòu)是由若干縱橫交錯的框架，抗剪桁架所圍成的筒狀封閉結(jié)構(gòu)。在建筑物外圍由密柱，深梁組成的封閉式筒體通過懸臂作用來抵抗側(cè)向荷載，內(nèi)部柱子或核心只承受豎向荷載。

筒中筒結(jié)構(gòu)體系是由內(nèi)外設(shè)置的幾個筒體，通過有效的連接形成一個共同作用的骨架體系，這種體系一般是利用作為垂直運輸，管道及服務設(shè)施的結(jié)構(gòu)核心部分充作內(nèi)筒，并與外層通過各層樓面梁板的連系形成一個能共同受力的空間筒狀骨架。

束筒結(jié)構(gòu)體系是把幾個筒體并列組合在一起的結(jié)構(gòu)整體，它以外框筒為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在其內(nèi)部增設(shè)一榀以上的腹板框架組成，增設(shè)的內(nèi)部腹板框架可以是密柱深梁組成的框架。

3.2 筒體結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點

筒體結(jié)構(gòu)有較大的剛度，有較強的抗側(cè)力能力，所以能形成較大的使用空間，滿足一些大空間建筑的需求，而且因其良好的性能，使得筒體結(jié)構(gòu)體系在超高層建筑中被廣泛應用。

筒體結(jié)構(gòu)是高層結(jié)構(gòu)中受力較好的結(jié)構(gòu)體系，內(nèi)外筒均可形成較強抗彎剛度，共同承受水平力的作用，可形成兩道抗震防線的效果，一般外筒應承受最少30%～40%的水平力。又由于筒體結(jié)構(gòu)的對稱性，使得結(jié)構(gòu)體系有均勻?qū)ΨQ的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，能抵御任何方向較大的傾覆力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。有較好的延性，抗震性能很好。

桁架筒體結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)，束筒結(jié)構(gòu)體系的剪力滯后效應比框架筒體結(jié)構(gòu)體系有了很大的改善。其中束筒結(jié)構(gòu)體系由一些剛度很大的筒體結(jié)構(gòu)組成，可以組合成任何外形和平面，各個筒體可以終止于不同的高度，能使建筑物形成穩(wěn)定的塔形結(jié)構(gòu)，而又不增加結(jié)構(gòu)的復雜性。利用束筒結(jié)構(gòu)體系可以設(shè)計出外觀獨特，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的超高層建筑。

在框筒結(jié)構(gòu)中，由于存在框架橫梁的剪切變形，使框架柱的實際內(nèi)力呈非線性分布，這種剪力滯后效應使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力，并且結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度呈明顯的剪切變形。剪力滯后效應對筒體的效能有很大的影響，而且梁，柱的線剛度比越小，這種影響越明顯。

框筒結(jié)構(gòu)體系由于內(nèi)筒平面尺寸較小，抗側(cè)剛度不大，不宜用于強震地區(qū)。在束筒結(jié)構(gòu)體系中，存在著大量的交叉節(jié)點，構(gòu)造比較復雜，而且開窗要受斜桿的影響。

3.3 筒體結(jié)構(gòu)體系的工程應用

筒體結(jié)構(gòu)體系由于其自身巨大的抗側(cè)力剛度，所以在當代的超高層建筑中比較有廣泛的應用。如中國國際貿(mào)易中心主樓，地下2層，地上39層，高155 m，按8度地震設(shè)防，采用了筒中筒結(jié)構(gòu)體系。美國芝加哥希爾斯大廈，采用了束筒結(jié)構(gòu)體系，該大廈由9個22.86 m×22.86 m的方形鋼框筒組成，內(nèi)部有一些共用柱使筒體相連。

4 巨型結(jié)構(gòu)體系

4.1 結(jié)構(gòu)特征

巨型結(jié)構(gòu)體系是把一般的框架結(jié)構(gòu)體系按照一定的比例放大得到的，與一般框架的桿件為實腹截面不同，巨型結(jié)構(gòu)體系的梁和柱是格構(gòu)式立體構(gòu)件。巨型框架結(jié)構(gòu)是以巨型框架(主框架)為結(jié)構(gòu)主體，并在其間設(shè)置普通的小型框架(次框架)所組成的結(jié)構(gòu)體系。巨型框架的“柱”一般布置在房屋的四角，一般多于四根。除角柱外，其余柱沿房屋的周邊布置。巨型框架的“梁”一般每隔12個～15個樓層設(shè)置一根，其中間樓層是僅承受重力荷載的一般小框架。

4.2 巨型結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點

巨型柱本身具有較大的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，將巨型柱沿巨型結(jié)構(gòu)體系的四角和周邊布置后，具有更大的力臂，整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度都有了很大的提高，能抵御特大的水平荷載和扭轉(zhuǎn)荷載。該結(jié)構(gòu)體系特別適用于特大型超高層建筑［8］。

巨型框架另外一個顯著的優(yōu)點是具有良好的建筑適應性，有較大的靈活空間可以布置次框架，形成多層房間，也可以滿足大開間的建筑功能要求，在巨型框架的下部若干層高度范圍內(nèi)，可以按需要設(shè)置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。

巨型結(jié)構(gòu)中可將多種結(jié)構(gòu)形式及不同材料進行組合，實現(xiàn)建筑的多功能化，滿足有特殊功能要求的建筑。巨型框架結(jié)構(gòu)體系施工速度快，可先施工其主框架，待主框架完成后分開各個工作面同時施工次框架，施工進度較快。

巨型結(jié)構(gòu)體系的首要缺點是由于其結(jié)構(gòu)的復雜化、構(gòu)件受力不規(guī)則，導致在結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面有很大的難度，加上目前還沒有現(xiàn)成規(guī)范規(guī)定巨型結(jié)構(gòu)的抗風和抗震設(shè)計，需要專門的研究驗證。

其次，巨型結(jié)構(gòu)不利于消防、其外表玻璃幕墻會造成光污染、低層房間日曬得不到正常保證、其風環(huán)境易對城市環(huán)境及周圍建筑產(chǎn)生不利影響，并干擾電視信號的接收和影響鳥類飛行等。

4.3 巨型結(jié)構(gòu)體系的工程應用

巨型結(jié)構(gòu)體系因為其巨大的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，使得在一些大型超高層建筑中有廣泛的應用。如日本千葉縣的NEC辦公大樓，采用的就是巨型框架結(jié)構(gòu)體系，該大樓地面以上43層，高180 m。建筑布置時，在底層到13層之間設(shè)置了內(nèi)部大庭園，13層～15層之間還設(shè)置了橫貫整個房屋的具有3層樓高的大開口，上海證券大廈，采用了鋼筋混凝土核心筒與巨型鋼框架的組合，總高度120.9 m，地下2層，地上27層。

5 結(jié)語

在鋼結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的今天，新型的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，這就要求我們?nèi)ニ伎济恳环N結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點以及它的使用范圍，從而為鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系選型提供一定的參考。筆者認為，多層、高層鋼結(jié)構(gòu)體系應考慮建筑功能(建筑的采光、通風、用途等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求(結(jié)構(gòu)的重要性、設(shè)防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎(chǔ)、材料供應和施工條件等)、結(jié)構(gòu)體系特征(結(jié)構(gòu)的整體剛度、承載能力以及結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性等)等因素選擇經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)形式。

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