高層建筑結(jié)構(gòu)體系研究分析

盧志瑋

（東莞市建青建筑設(shè)計有限公司，廣東 東莞 523000）

1 框架結(jié)構(gòu)體系

與多層框架結(jié)構(gòu)體系相似，高層建筑中框架結(jié)構(gòu)體系也由縱、橫向框架所組成，形成空間框架結(jié)構(gòu)，以承受豎向荷載和水平力的作用。與其他高層建筑結(jié)構(gòu)體系相比，框架結(jié)構(gòu)具有布置靈活、造型活潑等優(yōu)點，容易滿足建筑使用功能的要求，如會議廳、休息廳、餐廳和貿(mào)易廳等的布置。同時，經(jīng)過合理設(shè)計，框架結(jié)構(gòu)可以具有較好的延性和抗震性能。但框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面尺寸較小，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小，水平位移大。在地震作用下容易由于大變形而引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，因此其建設(shè)高度受到限制，一般在非地震區(qū)不宜超過60m，在地震區(qū)不宜超過50m。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)是利用建筑物的外墻和永久性內(nèi)隔墻的位置布置鋼筋混凝土承重墻的結(jié)構(gòu)，剪力墻既能承受豎向荷載，又能承受水平力。一般來說，剪力墻的寬度和高度與整個房屋的寬度和高度相同，寬達十幾米或更大，高達幾十米以上。而它的厚度則很薄，一般為160～300mm，較厚的可達 500mm。

剪力墻的主要作用是承受平行于墻體平面的水平力，并提供較大的抗側(cè)力剛度，它使剪力墻受剪且受彎，剪力墻也因此而得名，以便與一般僅承受豎向荷載的墻體相區(qū)別。在地震區(qū)，該水平力主要由地震作用產(chǎn)生，因此，剪力墻有時也稱為抗震墻。

剪力墻的橫截面(即水平面)一般是狹長的矩形。有將縱橫墻相連，則形成工形、Z形、L形、T形等。剪力墻厚度不應(yīng)由小于樓層高度的1/25及160mm，前者主要是為了防止剪力墻在兩層樓蓋之間發(fā)生失穩(wěn)破壞，后者主要是為了保證墻體混凝土澆筑的施工質(zhì)量。當建筑物高度較大時，剪力墻厚度不應(yīng)由其承載力的抗側(cè)剛度決定。剪力墻上常因開門開窗、穿越管線而需要開有洞口，這時應(yīng)盡量使洞口上下對齊、布置規(guī)則，洞與洞之間、洞到墻邊的距離不能太小。避免在內(nèi)縱墻與內(nèi)橫墻交叉處的四面墻上集中開洞，形成十字形截面的薄弱環(huán)節(jié)。

剪力墻結(jié)構(gòu)常被用于高層住宅和旅館建筑中，因為這類建筑物的隔墻位置較為固定。從建筑體型看，高層建筑可分為板式與塔式兩種。

因為地震對建筑物的作用方向是任意的，因此，在建筑物的縱橫兩個方向都應(yīng)布置剪力墻，且各榀剪力墻應(yīng)盡量拉通對直。

在豎向，剪力墻應(yīng)伸至基礎(chǔ)，直至地下室底板。避免在豎向出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度突變。但有時，這一點往往與建筑要求相矛盾。例如，在沿街布置的高層住宅中，往往要求在建筑物的底層或底部若干層布置商店，以方便居民購物，滿足城市規(guī)劃中商業(yè)網(wǎng)點的布局要求，在結(jié)構(gòu)布置時，可將部分剪力墻落地、部分剪力墻在底部改為框架，即成為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

這時就整個結(jié)構(gòu)受力性能而言，與剪力墻結(jié)構(gòu)體系有所不同，故常稱為底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)。

在進行底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)控制建筑物沿高度方向的剛度變化不要太大。因為部分剪力墻在底部被取消，從而使結(jié)構(gòu)剛度突然受到削弱，這時應(yīng)采取措施，例如增加落地剪力墻的厚度，提高落地剪力墻的混凝土強度等級，把落地剪力墻布置成筒狀或工字形等來增加結(jié)構(gòu)底部的總抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上下剛度較為接近。同時應(yīng)控制落地剪力墻的數(shù)量與間距，框支剪力墻榀數(shù)不宜多于同一方向上全部剪力墻榀數(shù)的50%，落地剪力墻的間距不宜大于建筑物寬度的2.5倍。此外要提高轉(zhuǎn)換層附近樓蓋的強度及剛度，板厚不宜小于180mm，混凝土強度等級不宜低于C30級，并應(yīng)采用雙向上下配筋率不宜小于0.25%。

剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下受力情況較為簡單，各榀剪力墻分別承受各層樓蓋結(jié)構(gòu)傳來的作用力，剪力墻相當于一受壓柱。在水平荷載作用下，剪力墻的受力較為復(fù)雜，其受力性能主要與開洞大小有關(guān)。當剪力墻開洞較小時，剪力墻的整體工作性能較好，整個剪力墻猶如一個豎向放置的懸臂桿，剪力墻截面內(nèi)的正應(yīng)力分布在整個剪力墻截面高度范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性分布或接近于線性分布。這類剪力墻稱為整截面剪力墻。如果剪力墻開洞面積很大，聯(lián)系梁和墻肢的剛度均比較小，整個剪力墻的受力與變形墻稱為壁式框架。幾乎每層墻肢均有一個反彎點，這類剪力墻稱為壁式框架。當剪力墻開洞介于兩者之間時，則剪力墻在側(cè)向荷載作用下的受力特性也介于上述兩者之間。這時整個剪力墻截面上的正應(yīng)力不再呈線性分布，由于聯(lián)系梁的抗彎剛度的作用，會在墻肢頂部的某幾層內(nèi)產(chǎn)生反彎點，但在底部一般不會有反彎點出現(xiàn)，墻肢內(nèi)的彎矩分布不再像懸臂桿一樣呈光滑的拋物線，而呈鋸齒狀分布。根據(jù)邊梁剛度的大小，這一范圍內(nèi)的剪力墻可分為整體小開口剪力墻和雙肢剪力墻。另外，如聯(lián)系梁的剛度很小，僅能起到傳遞推力的作用，而墻肢的剛度相對較大，則聯(lián)系梁對墻肢彎曲變形的約束作用很小，僅能起到傳遞推力的作用，每個墻肢相當于一個肢共同承擔，每個墻肢的正應(yīng)力呈線性分布。

3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是由框架和剪力墻共同作為承重結(jié)構(gòu)的受力體系。它克服了框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度小的缺點，彌補了剪力墻結(jié)構(gòu)開間過小的缺點，既可使建筑平面靈活布置，又能對常見的30層以下的高層建筑提供足夠的抗側(cè)剛度。因而在實際工程中被廣泛應(yīng)用。框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵是剪力墻的數(shù)量及位置。從建筑布置角度看，減少剪力墻數(shù)量則可使建筑布置更靈活。但從結(jié)構(gòu)的角度看，剪力墻往往承擔了大部分的側(cè)向力，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有明顯的影響，因而剪力墻數(shù)量不能過少。

為了保證框架與剪力墻能夠共同承受側(cè)向荷載作用，樓蓋結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)的剛度必須得到保證。當在側(cè)向荷載作用下，樓蓋結(jié)構(gòu)可看成是一根水平放置的深梁，協(xié)調(diào)各榀框架和剪力墻之間的變形，要保證框架與剪力墻在側(cè)向荷載作用下變形一致。

剪力墻應(yīng)沿房屋的縱橫兩個方向均有布置，以承受各個方向的地震作用與風荷載，橫向剪力墻宜布置在房屋的平面形狀變化處、剛度變化處、樓梯間及電梯間，以及荷載較大的地方。同時，剪力墻應(yīng)盡量布置在建筑物的端部附近。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下共同承受各層樓蓋結(jié)構(gòu)所傳來的荷載，對于現(xiàn)澆樓蓋一般可按受荷面積分配。在側(cè)向荷載作用下，總的荷載在各榀框架與剪力墻之間就不能按受荷面積分配，建筑平面兩道剪力墻只有1/4的受荷面積，而事實上，大部分荷載是由剪力墻結(jié)構(gòu)承擔的。

結(jié)構(gòu)一般采用協(xié)同工作原理，即把樓蓋結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的剛度成為無窮大，在結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變位時，樓蓋結(jié)構(gòu)僅作剛體位移。在沒有扭轉(zhuǎn)的情況下(荷載對稱、結(jié)構(gòu)布置對稱)可把所有的框架等效成一綜合剪力墻，綜合框架與綜合剪力墻之間用剛性連桿。這樣就把實際的空間結(jié)構(gòu)簡化成平面結(jié)構(gòu)分析。

很顯然，作用在整個空間剪力墻結(jié)構(gòu)上的荷載由綜合剪力墻與綜合框架共同承擔，但是外荷載在綜合剪力墻與綜合框架之間的分配，沿高度方向是變化的。在結(jié)構(gòu)頂部，框架承受較大的外荷載，剪力墻可能會受到與外荷載作用方向相反的力的作用，而在結(jié)構(gòu)的底部，剪力墻承受較大的外荷載，框架所受到的作用力與外荷載的作用方向相反。

【1】梁啟智.高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計【M】.廣州：華南理工大學出版社，1992.