淺談幾種高層建筑結(jié)構(gòu)新體系

李學(xué)治

摘 要：本文著眼于現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展，詳細(xì)介紹了巨型結(jié)構(gòu)體系、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系、連體結(jié)構(gòu)體系三種新型高層建筑結(jié)構(gòu)體系，從定義、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展與應(yīng)用等方面對其進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；新型結(jié)構(gòu)體系；巨型結(jié)構(gòu)；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)；連體結(jié)構(gòu)

一、巨型結(jié)構(gòu)體系

（一）巨型結(jié)構(gòu)的定義及分類。 巨型結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)體系，適應(yīng)了高層建筑多樣化、綜合化以及建筑平面布置和豎向體型復(fù)雜化的發(fā)展特點(diǎn)。巨型結(jié)構(gòu)中由不同于傳統(tǒng)梁柱的的巨型梁和柱組成主結(jié)構(gòu)，共同工作的還有常規(guī)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)中，主結(jié)構(gòu)本身即是獨(dú)立結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了絕大部分外力，次結(jié)構(gòu)只是協(xié)助主框架抵抗外載。主結(jié)構(gòu)通常為主要抗側(cè)力體系，其中可以有跨越好幾層的支撐或斜向布置的剪力墻板；而次結(jié)構(gòu)只承擔(dān)豎向荷載并負(fù)責(zé)傳力給主結(jié)構(gòu)，柱距小、荷載小，因而其粱、柱斷面可以做得很小，有利于樓面的合理使用，兩者協(xié)同保證巨型結(jié)構(gòu)的巨大抗側(cè)力剛度以及整體工作性能[1]。巨型結(jié)構(gòu)按主要受力體系可以分為巨型桁架結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型懸臂結(jié)構(gòu)和巨型分離式結(jié)構(gòu)；按材料可以分為巨型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、巨型鋼—鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)以及巨型鋼結(jié)構(gòu)。

（二）巨型結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。巨型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可以概括如下：（1）巨型結(jié)構(gòu)整體剛度比傳統(tǒng)高層房屋建筑大。對于同種材料，彈性模量相同，截面剛度取決于界面慣性矩，即和界面寬度以及高度成正比。巨型結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)的巨型梁柱界面尺寸相當(dāng)于傳統(tǒng)框架的柱距，因此界面慣性矩比常規(guī)構(gòu)件大得多，因而剛度大。（2）巨型結(jié)構(gòu)適應(yīng)了建筑發(fā)展趨勢。巨型建筑的大柱網(wǎng)大開間滿足平面布置的靈活性，便于房屋改造。（3）可以將多種結(jié)構(gòu)形式及不同材料進(jìn)行組合，具有多樣性，滿足多種功能要求。由于巨型結(jié)構(gòu)體系是由主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)共同工作組成的，主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)可以采用不同的材料和體系，因此，巨型結(jié)構(gòu)體系可以有各種不同的變化和組合。（4）巨型結(jié)構(gòu)體系可以先施工其主結(jié)構(gòu)，待主結(jié)構(gòu)完成后分開各個工作面同時施工次結(jié)構(gòu)，大大加快了施工速度。

（三）巨型結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用于發(fā)展

巨型結(jié)構(gòu)的概念產(chǎn)生于60年代末。1968年建成的芝加哥約翰·漢考克大廈是最早采用巨型結(jié)構(gòu)體系的建筑。國內(nèi)外比較著名的巨型結(jié)構(gòu)建筑如下表所示：

對于具有特殊功能要求的高層建筑來說，經(jīng)濟(jì)有效的巨型結(jié)構(gòu)體系成為了越來越多開發(fā)商以及設(shè)計師的選擇。其發(fā)展趨勢，呈現(xiàn)在如下幾個方面：（1）組合構(gòu)件的使用；（2）使用大型支撐或剪力墻以增加側(cè)向剛度；（3）使用主動控制系統(tǒng)或被動控制系統(tǒng)減震；（4）雜交結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用；（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用更好的分析設(shè)計軟件和驗(yàn)證方法；

復(fù)雜大型的體系結(jié)構(gòu)其計算施工方面具有一系列不同于常規(guī)高層結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)；加之，該體系出現(xiàn)較晚，工程應(yīng)用不多，人們對其研究、認(rèn)識還不夠。因此，必須全面研究其分析方法與結(jié)構(gòu)特性，使這種既具有良好建筑適應(yīng)性，又具有高效性能的結(jié)構(gòu)體系更廣泛地發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

二、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系

（一）短肢剪力墻的定義。近年來，隨著人們對住宅與空間設(shè)計平面的要求越來越高，普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴(yán)格限定與分隔已不能滿足人們對住宅平面與空間的要求，于是在原有框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸收了剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，逐步發(fā)展形成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

短肢剪力墻也稱短肢抗震墻，或簡稱短肢墻，是聯(lián)肢剪力墻的一種，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JBJ3-2002）定義為：短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5-8的剪力墻。主要布置在間隔墻的交點(diǎn)處，其形式靈活多樣，常用的截面形式有T形、L形、Z形、“十”字形、“一”字形等，其數(shù)量和肢長主要由豎向荷載和抗側(cè)力決定。

（二）短肢剪力墻的特點(diǎn)。一般剪力墻結(jié)構(gòu)對于底部有停車場等公共設(shè)施的情況矛盾很大，滿足不了建筑的使用功能。而且對于小高層建筑，采用剪力墻結(jié)構(gòu)會造成剛度過大，重量增加，導(dǎo)致地面反應(yīng)過強(qiáng)，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價增高。短肢剪力墻避免了這些缺陷，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）墻肢較短，布置靈活，可調(diào)整性大，容易滿足建筑平面的要求；（2）減少了剪力墻而代之以輕質(zhì)砌體，結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)減輕，從而減小結(jié)構(gòu)整體剛度，增大振動周期，降低地震作用力；（3）墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利；（4）連梁跨高比較大，以受彎破壞為主，地震作用下首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，能起到很好的耗能作用；（5）短肢的承載力得到了較充分的發(fā)揮；（6）墻的數(shù)量可調(diào)節(jié)，視抗側(cè)力需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置。

短肢剪力墻較為高細(xì)，通常情況下其破壞形態(tài)由受彎承載力控制，故延性較好。連梁在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系中是一個耗能構(gòu)件，振動臺試驗(yàn)中，它出現(xiàn)彎曲以及剪切兩種破壞，而短肢剪力墻是一種強(qiáng)肢弱梁型的連肢墻，在通常情況下連梁首先開裂，隨后墻肢開裂，如果在墻肢翼緣和腹板相交處應(yīng)力集中下，會出現(xiàn)明顯的上下貫通裂縫。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位在建筑平面外邊緣及角部處的墻肢，當(dāng)墻結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，這些部位的墻肢會首先開裂，因此應(yīng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，在設(shè)計短肢剪力墻時應(yīng)盡量設(shè)翼緣。

三、連體結(jié)構(gòu)的定義及分類

（一）連體結(jié)構(gòu)的定義與分類。從形式上看，連體高層建筑主要由兩種形式：（1）凱旋門式：也稱門式高層結(jié)構(gòu)，即在兩個主體結(jié)構(gòu)的頂部若干層練成整體樓層，連接體的寬度與主體結(jié)構(gòu)的寬度相等或相近，兩個主題結(jié)構(gòu)一般采用對稱的平面形式；（2）連廊式：即在兩個主體結(jié)構(gòu)之間的某部位設(shè)一個或多個連廊，連廊的跨度可達(dá)幾米到幾十米，連廊的寬度一般在十米以內(nèi)。

（二）連體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計要點(diǎn)。連體結(jié)構(gòu)各獨(dú)立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度；宜采用雙軸對稱的平面形式，其建筑材料，結(jié)構(gòu)體系等也呈現(xiàn)出多樣性。而7、8度抗震設(shè)計時，層數(shù)和剛度相差懸殊的建筑不宜采用連體結(jié)構(gòu)。

連體結(jié)構(gòu)因?yàn)橥ㄟ^連接體將不同結(jié)構(gòu)連接在一起，且連體兩端的塔樓剛度往往有差異，因此連體結(jié)構(gòu)的受力比一般多塔結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，連接體兩端的連接方式也至為重要。通過對連體結(jié)構(gòu)的計算分析及國內(nèi)進(jìn)行的振動臺試驗(yàn)研究，結(jié)果說明：連體結(jié)構(gòu)自振振型較為復(fù)雜，前幾個振型與單體建筑有明顯不同，除順向振型外，還出現(xiàn)反向振型；連體結(jié)構(gòu)總體為一開口薄壁構(gòu)件，扭轉(zhuǎn)性能較差，扭轉(zhuǎn)振型豐富，當(dāng)?shù)谝慌まD(zhuǎn)頻率與場地卓越頻率接近時，容易引起較大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，易使結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)破壞。因此，如何對連體結(jié)構(gòu)計算分析，怎樣保證連接體與高層塔樓整體協(xié)同工作成為設(shè)計關(guān)注的問題。

隨著科學(xué)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、高強(qiáng)材料的迅速發(fā)展，以及人們對建筑造型、建筑設(shè)計等的要求越來越高的研究日趨完善、計算技術(shù)的發(fā)展和施工技術(shù)水平的不斷提高，高層和超高層建筑迅猛發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)體系大量涌現(xiàn)，不斷滿足著人們更新更高的追求。除了上述三種結(jié)構(gòu)體系外，張拉整體結(jié)構(gòu)，高預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，開合屋蓋結(jié)構(gòu)等也得到廣泛應(yīng)用。我們要大量引進(jìn)國外先進(jìn)新型結(jié)構(gòu)體系，但更重要的是加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，研發(fā)適合我國國情的新型結(jié)構(gòu)體系，縮短與先進(jìn)國家在建筑業(yè)上的差距。

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