淺析高層建筑結(jié)構(gòu)選型影響因素

宮棟 周彤

摘 要：高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是高層結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵，隨著建筑高度和功能的發(fā)展需要而不斷發(fā)展變化。論文總結(jié)了各種高層建筑結(jié)構(gòu)體系、特別是近年來出現(xiàn)的復(fù)雜、新穎的結(jié)構(gòu)體系的受力特征，進(jìn)而對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)選型要點(diǎn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選型結(jié)構(gòu)

選型工作具有很強(qiáng)的綜合性包含大量確定與不確定的因素，受諸多條件和因素影響，高層結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵，隨著建筑高度和功能的發(fā)展需要而不斷發(fā)展變化。除了要考慮工程造價(jià)和投資能力，還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對(duì)建筑功能的適應(yīng)性，施工條件，技術(shù)能力，施工工期，建筑材料和能源供應(yīng)，建筑美學(xué)要求包括建筑群及其環(huán)境的配合建設(shè)場(chǎng)地的地形地貌自然災(zāi)害等等。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的相關(guān)概述

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系主要有框架結(jié)構(gòu)，異型柱框架結(jié)構(gòu)，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)（框架一核心筒結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)），以及混合結(jié)構(gòu)，即由多種材料構(gòu)件如鋼筋混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件、組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件（鋼管混凝土構(gòu)件、型鋼混凝土構(gòu)件及組合梁等）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。主要分為：（1）一般高層建筑結(jié)構(gòu)體系。一般高層建筑結(jié)構(gòu)體系包括框架體系、剪力墻體系、框架-剪力墻體系、框架-筒體體系、框筒體系、筒中筒體系等結(jié)構(gòu)體系。（2）復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系。復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系一般是指帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系、連體結(jié)構(gòu)體系、懸挑結(jié)構(gòu)體系、帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系、平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系等。（3）新穎高層建筑結(jié)構(gòu)體系。近年來，出現(xiàn)了一些新穎的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。其中具有代表性的有束筒體系、巨型框架體系、脊骨體系等結(jié)構(gòu)體系。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的重要性

高層建筑與城市社會(huì)發(fā)展的關(guān)系密切我國(guó)城市化進(jìn)程及人口的持續(xù)增長(zhǎng)導(dǎo)致城市人口急劇上升，城市居住、生產(chǎn)、生活用地日趨緊張。為節(jié)約及充分利用城市土地資源，減少拆遷費(fèi)、市政工程費(fèi)和復(fù)雜地形處理費(fèi)，提高城市社會(huì)吸納能力及其綜合效益，緩解城市膨脹及城市房屋的嚴(yán)峻供需矛盾，改善城市環(huán)境與調(diào)節(jié)心理等城市社會(huì)性問題，高層建筑的數(shù)量仍將在全國(guó)各大中城市持續(xù)增長(zhǎng)，且其規(guī)模、高度、復(fù)雜性及建設(shè)速度也將呈上升趨勢(shì)。

高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜性提高現(xiàn)代高層建筑體形與平立面空間分布日益復(fù)雜，高度、規(guī)模、投資日益增大，要求性能更先進(jìn)、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形式與之相適應(yīng)。主要表現(xiàn)為：（1）需求多元化、功能綜合化的趨勢(shì)，必然要導(dǎo)致高層建筑方案平立面形狀與內(nèi)部空間分布等多樣化、個(gè)性化與復(fù)雜化，為增大建筑凈空高度，很多一般多高層建筑中不存在的新問題與矛盾開始出現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形式的要求提高。（2）隨著高度與規(guī)模等增大，高層建筑投資增加、工期增長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化的必要性及可優(yōu)化的空間與效益將更明顯。結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先是其形式的優(yōu)化，然后才是其布局與構(gòu)件參數(shù)的優(yōu)化。（3）高層建筑需考慮的影響因素日益復(fù)雜、系統(tǒng)、綜合和多變，選型需要的知識(shí)信息愈加龐大，選型結(jié)果受人為因素的影響也將增大。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的若干思考

豎向承重結(jié)構(gòu)的選型在對(duì)豎向承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型時(shí)，首先考慮的是建筑物的高度和用途。不同結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和剛度是不一樣的，因而它們適應(yīng)的高度也不同。一般說來，框架結(jié)構(gòu)適用于高度低、層數(shù)少、設(shè)防烈度低的情況；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求；層數(shù)很多或設(shè)防烈度較高時(shí)，可用筒體結(jié)構(gòu)。當(dāng)建筑物的高度超出表中數(shù)值時(shí)，要進(jìn)行專門的研究，采取有效的措施。選擇結(jié)構(gòu)體系應(yīng)考慮的另一個(gè)因素是建筑物的用途。目前國(guó)內(nèi)高層建筑按用途大體上可分三大類：住宅、旅館及公共性建筑（辦公、商業(yè)、科研、教學(xué)、醫(yī)院等）。住宅建筑一般采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

水平承重結(jié)構(gòu)的選型水平承重結(jié)構(gòu)對(duì)保證建筑物的整體穩(wěn)定和傳遞水平力有重要作用。水平承重結(jié)構(gòu)選型通常有以下幾種，平板體系、無梁樓蓋、密肋樓蓋和肋形樓蓋。平板體系：平板體系采用單向板或雙向板，常用于剪力墻結(jié)構(gòu)或筒體結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是板底平整，可以不加吊頂，結(jié)構(gòu)高度低，可以降低層高。但當(dāng)跨度大時(shí)，采用平板較困難，一般非預(yù)應(yīng)力平板不宜成過6m，預(yù)應(yīng)力平板不宜超過9m，否則平板厚度過大，樓面重量太大。采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力無粘結(jié)平板樓面可以減少板厚。無梁樓蓋：在層高受限制情況下，公用建筑常采用無梁樓蓋。無梁樓蓋最好帶現(xiàn)澆柱帽，以加強(qiáng)板柱連接的可靠性。無梁樓蓋的合適跨度是：普通鋼筋混凝土樓面6m以內(nèi)；預(yù)應(yīng)力混凝土樓面可達(dá)9m。密肋樓蓋：密肋樓蓋多用在跨度較大而梁高受限制的情況下。筒體結(jié)構(gòu)角區(qū)樓面也常用密肋樓蓋。當(dāng)采用裝配式樓板時(shí)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)加混凝土現(xiàn)澆面層。樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：房屋高度超過50m時(shí)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用現(xiàn)澆摟蓋結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)宜采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。房屋高度不超過50m時(shí)，8、9度抗震設(shè)計(jì)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)宜采用現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)；6、7度抗震設(shè)計(jì)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可采用裝配整體式樓蓋；框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可采用裝配式結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)于現(xiàn)澆樓蓋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25，也不宜高于C40。

下部結(jié)構(gòu)的選型高層建筑的基礎(chǔ)是高層建筑的重要組成部分。它將上部結(jié)構(gòu)傳來的巨大荷載傳遞給地基。高層建筑基礎(chǔ)形式選擇的好壞，不但關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全，而且對(duì)房屋的造價(jià)、施工工期等有重大的影響。高層建筑基礎(chǔ)形式通常有以下幾種：（1）柱下獨(dú)立基礎(chǔ)：適用于層數(shù)不多、土質(zhì)較好的框架結(jié)構(gòu)。 （2）交叉梁基礎(chǔ)：即雙向?yàn)闂l形基礎(chǔ)。適用：層數(shù)不多、土質(zhì)一般的框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。（3）片筏基礎(chǔ)：適用于層數(shù)不多土質(zhì)較弱或?qū)訑?shù)較多土質(zhì)較好時(shí)用。當(dāng)基巖埋置深度很深，水下水位又很高，但是在距地表不深處有一定承載力和一定厚度的持力層時(shí)，選用片筏基礎(chǔ)比選用樁基礎(chǔ)可以節(jié)省投資和縮短工期。但片筏基礎(chǔ)的剛度較弱，應(yīng)注意對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降、變形和裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)?shù)叵滤缓芨邥r(shí)，還要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。（4）復(fù)合基礎(chǔ)：適用于層數(shù)較多或土質(zhì)較弱時(shí)采用。CFG樁復(fù)合地基是高粘結(jié)強(qiáng)度復(fù)合地基代表，目前它已大量應(yīng)用于高層建筑地基。它既可適用于條形、獨(dú)立基礎(chǔ)，也可用于筏基和箱形基礎(chǔ)?？捎糜谔钔?、飽和土及非飽和土粘性土。

四、結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置在結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位，它們直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。總的來說，高層建筑結(jié)構(gòu)選型包含豎向承重結(jié)構(gòu)選型、水平承重結(jié)構(gòu)選型以及下部結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)布置包括結(jié)構(gòu)平面布置、結(jié)構(gòu)豎向布置及變形縫設(shè)置。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)房屋的高度、高寬比等多方面因素選取合理的結(jié)構(gòu)體系，以上因素在結(jié)構(gòu)選型方面應(yīng)該重點(diǎn)考慮。

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