高層建筑結(jié)構(gòu)概論

譚業(yè)文

【摘要】本文主要論述了高層建筑上部結(jié)構(gòu)形式，接受了包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要說(shuō)明了其優(yōu)缺點(diǎn)，布置要求以及適用范圍。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；上部結(jié)構(gòu)形式

文章編號(hào):ISSN1006—656X(2013)06?-0179-01

一、高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人口的日益增加，城市商業(yè)以及住宅用地日趨緊張，傳統(tǒng)建筑形式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需求，在這種情況下高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。19世紀(jì)末，隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)逐漸取代磚、石、木等傳統(tǒng)的建筑材料，使房屋建筑高度的增加、層數(shù)的增多、跨度的增大成為可能，此時(shí)在1931年美國(guó)建成紐約帝國(guó)大廈，其成為現(xiàn)代意義上的高層建筑的里程碑。1985年以來(lái)，中國(guó)、日本、韓國(guó)、馬來(lái)西亞等國(guó)迅速發(fā)展了高層以及超高層建筑，其中不乏位于世界高層建筑排行前列的超高層建筑。

自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，亞洲高層建筑迅猛發(fā)展，其高層建筑在世界前100高層建筑所占數(shù)量已經(jīng)接近三分之一。目前，中國(guó)正在建設(shè)的摩天大樓總數(shù)量已經(jīng)超過(guò)200座，相當(dāng)于美國(guó)現(xiàn)有同類(lèi)摩天大樓的總數(shù)。未來(lái)3年，平均每5天將有一座摩天大樓在中國(guó)封頂。5年后，中國(guó)的摩天大樓總數(shù)將超過(guò)800座，達(dá)到現(xiàn)今美國(guó)總數(shù)的4倍。因此可以推斷21世紀(jì),亞洲將成為高層建筑發(fā)展的中心地區(qū)而中國(guó)將成為高層建筑發(fā)展的核心地帶。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)主要形式及適用范圍

（一）框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)，是由縱梁、橫梁和柱組成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是梁和柱剛性連接而成骨架的結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)只能承受自身平面內(nèi)的水平力，因此采用框架結(jié)構(gòu)時(shí)在建筑的兩個(gè)主軸方向都要設(shè)置框架結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)水平變形為剪切變形。

由于框架結(jié)構(gòu)整體剛度偏柔，其具有良好的延性和耗能能力，有較好的抗震性能。其主要缺點(diǎn)是對(duì)于較高的建筑，框架結(jié)構(gòu)頂層水平偏大，梁柱截面尺寸偏大，減小了有效建筑面積。因此，目前框架結(jié)構(gòu)主要用于隔間較多的飯店、辦公樓、住宅、醫(yī)院病房樓等10層以下的小高層建筑中。

在結(jié)構(gòu)布置上，框架結(jié)構(gòu)要盡量避免單跨框架的出現(xiàn)，其會(huì)造成結(jié)構(gòu)冗余度不夠，削弱建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能；框架梁柱在強(qiáng)度上遵循強(qiáng)柱弱梁原則，兩者軸線(xiàn)宜重合，防止發(fā)生脆性破壞；填充墻在平面和豎向布置要盡量遵循均勻?qū)ΨQ(chēng)要求，宜采用輕質(zhì)墻體。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主體是由縱向、橫向的鋼筋混凝土墻所組成的，即結(jié)構(gòu)采用剪力墻的結(jié)構(gòu)體系。在剪力墻結(jié)構(gòu)中水平荷載和豎向荷載主要通過(guò)剪力墻來(lái)承擔(dān)，此外剪力墻對(duì)建筑空間起到分割分配的作用。剪力墻結(jié)構(gòu)的水平位移為彎曲變形為主。

剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度大，適用于較高的高層建筑，水平力作用下側(cè)移小；由于沒(méi)有梁、柱等外露構(gòu)件，從而不影響房屋的使用功能，有效建筑面積大。缺點(diǎn)是由于剪力墻間距的約束，使得建筑內(nèi)部空間的劃分比較狹小，不能提供大空間房屋；結(jié)構(gòu)剛度大，自振周期大，地震作用大，延性較差，對(duì)于抗震問(wèn)題難以處理。因此剪力墻結(jié)構(gòu)常用于建筑空間分格較多的賓館、住宅等高度在25～30層的結(jié)構(gòu)。

剪力墻布置，要遵循均勻、分散、對(duì)稱(chēng)和周邊的原則；剪力墻應(yīng)沿房屋縱橫兩個(gè)方向布置；在平面剪力墻應(yīng)盡可能均勻、對(duì)稱(chēng)布置，保證結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量中心重合，以減小扭轉(zhuǎn)，不能對(duì)稱(chēng)時(shí)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心接近；在豎向布置上剪力墻應(yīng)連續(xù)布置，使結(jié)構(gòu)上下剛度連續(xù)、均勻；為安全起見(jiàn)，高層建筑結(jié)構(gòu)不宜全部采用短肢剪力墻，短肢剪力墻較多時(shí)，應(yīng)布置筒體，形成短肢剪力墻與筒體共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)；剪力墻的門(mén)窗洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成鮮明的墻肢和連梁。

（三）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)框剪結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)體系，其在框架縱、橫方向的適當(dāng)位置，在柱與柱之間設(shè)置鋼筋混凝土墻體（剪力墻），框架與剪力墻協(xié)同受力，剪力墻承擔(dān)絕大部分水平荷載，框架則以承擔(dān)豎向荷載為主?？蚣艚Y(jié)構(gòu)水平位移介于框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)之間。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系充分發(fā)揮框架和剪力墻各自的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系中運(yùn)用少量的剪力墻，減少了立柱的截面尺寸，既能方便空間的靈活布置，又使結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的側(cè)向剛度，所以這種結(jié)構(gòu)形式在房屋設(shè)計(jì)中比較常用?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)一般用于辦公樓、旅館、住宅以及某些工藝用房等類(lèi)型的25層以下房屋結(jié)構(gòu)。

對(duì)于框架—剪力墻的空間布置，要求框架應(yīng)在主軸方向均做剛接；剪力墻應(yīng)沿各主軸布置，并遵循“均勻、分散、對(duì)稱(chēng)、周邊”的原則；剪力墻布置位置應(yīng)選在豎向荷載較大處，建筑端部附近，平面形狀變化處，樓梯或電梯間附近；剪力墻數(shù)量應(yīng)布置合理

（四）筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土墻或密柱圍成筒體，使其抗側(cè)剛度很大的結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)形式為框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、框架—筒體結(jié)構(gòu)、多重筒體結(jié)構(gòu)、成束筒結(jié)構(gòu)、底部大空間筒體結(jié)構(gòu)六類(lèi)。

各類(lèi)筒體結(jié)構(gòu)在側(cè)向風(fēng)荷載的作用下，共同受力特點(diǎn)類(lèi)似于一個(gè)固定在基礎(chǔ)上的筒形的懸臂薄壁桿件受力狀況。

筒體結(jié)構(gòu)具有造型美觀、使用靈活、受力合理、剛度大、有良好的抗側(cè)性能等優(yōu)點(diǎn)。筒體結(jié)構(gòu)多用于高層或超高層公共建筑中，其空間作用隨著高度的增高而越發(fā)明顯，因此筒體結(jié)構(gòu)一般用于30或100m以上的超高層建筑。

三、總結(jié)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)選型是概念設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，選擇正確的結(jié)構(gòu)形式可以有效地降低高層建筑的造價(jià)、提升結(jié)構(gòu)的可靠性、增加結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震能力以及改善建筑的使用體驗(yàn)。在結(jié)構(gòu)選型時(shí)首先需要考慮的是建筑的高度、設(shè)防烈度和用途。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)體系，其強(qiáng)度和剛度是不同的。各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)形式在不同設(shè)防烈度中有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)和適用范圍。當(dāng)建筑的高度超過(guò)規(guī)范數(shù)值時(shí)，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式并采取有效的措施。

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