陳高鵬 吳 帥 玄 超 吳月磊（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東省青島市 266590）

淺析我國高層建筑結(jié)構(gòu)形式

陳高鵬 吳 帥 玄 超 吳月磊
（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 山東省青島市 266590）

隨著社會(huì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程不斷深入，對(duì)于自有住房，城鎮(zhèn)居民的要求日益提高。住宅向高層發(fā)展是解決城市土地資源稀缺的有效方法，業(yè)主及用戶的首選也越來越傾向高層住宅。各種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及性能在下文中得到詳細(xì)介紹，現(xiàn)階段高層建筑幾種主要的結(jié)構(gòu)形式也在下文中得到清晰的反應(yīng)。

框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；筒體結(jié)構(gòu)

在初期階段，高層建筑設(shè)計(jì)的目的和用途都很單一，例如高層居民住房、高層酒店、高層行政辦公場所等。近些年來高層建筑的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的更加快速的階段，體型結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、具有多樣性用途的建筑成為發(fā)展的新方向。漸漸的人們發(fā)現(xiàn)許多有關(guān)生活工作的便利設(shè)施可以設(shè)置在建筑住宅底層，綜合性多用途高層建筑開始設(shè)置大量的集商鋪、寫字間、停車場等為一體的商用大樓，特別是在城市道路兩側(cè)，形成了當(dāng)代高層建筑發(fā)展的大方向。

1 框架結(jié)構(gòu)

多層結(jié)構(gòu)和小高層結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)方案，高度的適用范圍通常為不超過六十米（六度設(shè)防）。使用較為方便，結(jié)構(gòu)布置靈活，室內(nèi)空間相對(duì)較大是框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。出于使結(jié)構(gòu)自重減輕的目的，框架結(jié)構(gòu)的填充墻通常使用輕質(zhì)隔墻。但是框架結(jié)構(gòu)向內(nèi)凸出的各種框架柱使室內(nèi)的使用面積及放置家具受到一定的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般用于多層結(jié)構(gòu)的形式，它由多梁柱組成，靈活的空間，抗震抗風(fēng)的能力相對(duì)弱，公共的多層建筑常采用這種形式，超高層建筑很少見到框架結(jié)構(gòu)形式。

梁和柱組成了框架結(jié)構(gòu)的受力體系，它們是用來承受豎向荷載的，對(duì)于水平荷載的承受能力方面是很差的。在設(shè)計(jì)中，豎向荷載受風(fēng)荷載影響很小，房屋層數(shù)少時(shí)起到控制作用，但是層數(shù)相對(duì)多時(shí)，有很大影響的荷載將是水平荷載，按框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將使梁、柱的截面尺寸過大，從在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上方面來考慮不如其他結(jié)構(gòu)體系合理?？蚣芙Y(jié)構(gòu)如果被采用到高層建筑中，剪力墻或鋼結(jié)構(gòu)會(huì)在某些部位被采用，鋼框架結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)在當(dāng)前的一些框架結(jié)構(gòu)中。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

用鋼筋混凝土墻和板來承擔(dān)水平荷載和豎向荷載的空間結(jié)構(gòu)稱作鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，維護(hù)和分隔構(gòu)件也是剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體，整體性能良好，截面慣性矩較大墻板，使剪力墻體系的有很大的側(cè)向剛度，承受水平荷載的能力也相應(yīng)的增大。因此抗側(cè)向力強(qiáng)，抗震性能好，變形相對(duì)小是剪力墻結(jié)構(gòu)體系比較明顯的特點(diǎn)。在水平荷載作用下，縱墻和橫墻在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的工作狀態(tài)就像一根懸臂深梁嵌固于基礎(chǔ)頂面，墻體在壓力、彎矩、剪力的作用下工作。剪力墻得水平力由與力平行的，如同水平隔板的樓面板分配。這些剪力墻通過剪力和受彎來抵抗傾覆，因?yàn)樗鼈兿裆盍阂粯右鸬膭偠群艽?。由于橫墻較密, 賓館和居住房屋中往往采取剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

高層結(jié)構(gòu)住房經(jīng)常使用普通剪力墻結(jié)構(gòu)，特別在三十層左右的高層住房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是憑借建筑平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼筋混凝土墻的布置，布置結(jié)構(gòu)洞在恰當(dāng)部位，用輕質(zhì)填充墻替代，對(duì)降低工程造價(jià)和減輕結(jié)構(gòu)自重起到很大的作用，能使各個(gè)墻段剛度均勻，且具有良好的抗震性，層間位移和水平位移有效減小，特別在實(shí)際使用面積及房間內(nèi)部家具布置中作用尤為明顯。

對(duì)于抗震性能相對(duì)較差短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻，在地震區(qū)這類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并不很多，出于安全的考慮，對(duì)此類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的適用最大設(shè)計(jì)高度、適用范圍、抗震級(jí)別、兩根連梁之間墻的厚度、軸壓比、縱向鋼筋配筋率都做了比較嚴(yán)格的限制。

3 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)

高層結(jié)構(gòu)常采用框剪結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中近幾年的應(yīng)用比較廣泛，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是大部分水平荷載是由樓電梯間鋼混結(jié)構(gòu)核心筒抵抗，豎向荷載由框架柱承擔(dān)，層間位移和水平位移減少比較明顯，相對(duì)框架結(jié)構(gòu)軸壓比限值放寬，但是涉及結(jié)構(gòu)框架柱的構(gòu)造要求，在實(shí)際計(jì)算中如果軸壓比大于 0.90，那么柱的配筋相對(duì)較大，和框架結(jié)構(gòu)對(duì)比，相應(yīng)的小柱網(wǎng)的住宅中，柱截面設(shè)計(jì)尺寸不可能比框架結(jié)構(gòu)小太多，上面提到的空間使用問題仍然不能很好解決。

框架剪力墻的一種派生結(jié)構(gòu)是異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是大部分水平荷載由樓電梯間鋼混核心筒抵抗，豎向荷載大部分由異型柱承受，層間位移和水平位移顯著減少。異型柱由于與墻同寬能更大限度的使用建筑空間。六度的地區(qū)，通常總高度45.0m是框架剪力墻結(jié)構(gòu)的上限，柱中距應(yīng)小于7.20m。異形柱在抗震等級(jí)要求下有以上的約束條件原因主要是，其肢長較短，對(duì)于高度較高的建筑，其軸力和抗側(cè)力的需求沒法得到滿足。六度的區(qū)域，高度超過十八米的建筑物抗震等級(jí)即為三級(jí)，就這方面而言比框架結(jié)構(gòu)（六十米）更高。

在框架結(jié)構(gòu)中，合適位置設(shè)置合適數(shù)量剪力墻形成的框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系?？箓?cè)力構(gòu)件包括各片剪力墻及各榀框架，框架及剪力墻在豎向荷載作用下承受各自傳遞范圍內(nèi)樓面荷載。在受力性質(zhì)和變形特點(diǎn)方面兩種結(jié)構(gòu)是不一樣的，剪力墻在水平力作用下是豎向懸臂彎曲結(jié)構(gòu)，呈彎曲形的變形；框架是剪切形變形曲線，由無限大剛度的板連接起來，使其有協(xié)調(diào)一致的水平位移。

4 筒體結(jié)構(gòu)

單個(gè)筒體或者多個(gè)筒體作為豎向承重結(jié)構(gòu)的高層結(jié)構(gòu)是筒體結(jié)構(gòu)體系。層數(shù)比較多的高層建筑適合筒體體系。在側(cè)向風(fēng)荷載的作用下，剛性箱型截面懸臂梁類似于筒體結(jié)構(gòu)的受力。受拉的部分將是筒體結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面，而受壓的部分是筒體結(jié)構(gòu)的背風(fēng)面。選用筒體結(jié)構(gòu)體系的建筑，它的平面最優(yōu)選擇接近正方形或者正方形。

在框筒體系，間距很近的密排柱以及剛度非常大的窗裙深梁形成的空間網(wǎng)絡(luò)組成直立多孔筒體構(gòu)成整個(gè)建筑物的外墻，稱為"框筒結(jié)構(gòu)"。通常剪力墻構(gòu)成體系的內(nèi)芯，周邊是框架結(jié)構(gòu)的筒體；筒中筒體系，筒體單元的組合構(gòu)成了筒中筒結(jié)構(gòu)。在水平荷載作用下，筒體可看作箱形懸臂構(gòu)件嵌固于基礎(chǔ)上，抗扭側(cè)剛度及承載力比單片平面結(jié)構(gòu)更大，并且抗扭剛度也較好；剛架、核心筒、拱等作為懸掛結(jié)構(gòu)的主要承重部分，全部樓面都采用吊索、鋼絲束牢固的掛在上面所說的承重部分上所形成的一種新型結(jié)構(gòu)。充分利用吊桿的抗拉性能和混凝土抗壓性能的懸掛結(jié)構(gòu)，有有效面積大、用鋼量小、自重輕等優(yōu)點(diǎn)。選用多筒懸掛體系的震區(qū)高層結(jié)構(gòu)，能有效的降低地震作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震可靠度有所升高；桁架筒體系是為抵抗水平荷載增加斜撐的筒體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)承受水平力的能力得到進(jìn)一步提升，體系的剛度也得到增加，此類結(jié)構(gòu)體系稱作桁架筒體系。

5 結(jié)論

通過本文的淺析，讓我們了解到高層建筑作為現(xiàn)代都市的標(biāo)志，有其發(fā)展的必然性，也使我們加深了對(duì)我國高層建筑各種形式的了解，讓我們更加向往未來中國的高層建筑。由于人口密度大，用地緊張是我國城市的基本情況，高層建筑的發(fā)展勢頭在我國還將持續(xù)下去。將會(huì)出現(xiàn)更加復(fù)雜和多樣化的建筑體型，結(jié)構(gòu)體系決不可能僅停留在現(xiàn)有的幾種形式上，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)體系為更好地滿足建筑藝術(shù)上的需求和建筑功能將會(huì)被創(chuàng)造，計(jì)算機(jī)繪圖和分析在高層建筑的設(shè)計(jì)中也將更多地被應(yīng)用，集建筑、設(shè)備、電氣、結(jié)構(gòu)等為一體的集成化程序?qū)⒈痪幹瞥觯邔咏ㄖ脑O(shè)計(jì)將更加完善。

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