高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系選型與優(yōu)化研究

王菁菁　張巖

【摘 要】對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)，不同的結(jié)構(gòu)工程師可能采用不同的結(jié)構(gòu)體系，選用不同的結(jié)構(gòu)材料來實(shí)現(xiàn)同一設(shè)計(jì)目標(biāo)，使得最終的經(jīng)濟(jì)性能不同，甚至相差很大。因此就非常有必要對(duì)結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系以及基礎(chǔ)形式等進(jìn)行比選和優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】高層；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

【Abstract】For the same design， different structural engineers may have different structural systems， use different materials to achieve the same structural design goals， making the final economic performance of different， even a big difference. Therefore， it is necessary for structural materials， structural systems and forms the basis for comparison and selection and optimization.

【Key words】Level；Optimization；Design

結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)在抵抗豎向荷載和水平荷載時(shí)的傳力途徑及構(gòu)件的組成方式。豎向荷載由水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件傳遞到基礎(chǔ)，而水平荷載則由抗側(cè)力體系傳到基礎(chǔ)。在高層建筑中，抗側(cè)力體系的選擇與組成是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要考慮及決策重點(diǎn)。

1. 高層建筑按結(jié)構(gòu)材料劃分

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理利用了鋼筋和混凝土兩種材料的協(xié)同受力性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中。它具有取材豐富，造價(jià)較低，耐久性和耐火性較好，維護(hù)費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)造型靈活，整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為我國傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在我國的高層建筑中占主導(dǎo)地位。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)體系。

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高，抗震性能好，構(gòu)件截面小，工廠化生產(chǎn)程度高，施工方便，建設(shè)周期短，大跨度、大空間、多用途等特點(diǎn)。同時(shí)它也具有結(jié)構(gòu)材料較昂貴，造價(jià)較高，鋼材易于銹蝕，日后維護(hù)費(fèi)用高，防火性能較差，設(shè)計(jì)施工技術(shù)較復(fù)雜等缺點(diǎn)。

1.3 鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)體系。

鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)將鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件兩者并用，互相取長補(bǔ)短，既充分利用了鋼構(gòu)件具有的材料強(qiáng)度高，截面尺寸小，能提供較大跨度空間的優(yōu)點(diǎn)，也利用了鋼筋混凝土墻體或筒體具有的較大的抗側(cè)剛度和較高的抗震承

載力等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。

鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)主要包括型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是指混凝土內(nèi)含型鋼的勁性配筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。

2. 高層建筑按結(jié)構(gòu)形式劃分

多層及高層建筑中傳統(tǒng)的、廣為應(yīng)用的是框架、剪力墻、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在高度較大的高層建筑中，應(yīng)用較多的是框架一筒體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)及多筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。

2.1 框架結(jié)構(gòu)體系。

框架結(jié)構(gòu)體系采用梁、柱組成的結(jié)構(gòu)體系作為建筑豎向承重結(jié)構(gòu)，并同時(shí)承受水平荷載，適用于多層或高度不大的高層建筑。框架結(jié)構(gòu)的布置要注意對(duì)稱均勻和傳力途徑直接。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置采用主次梁的作法為主，逐步向扁梁或無蓋梁發(fā)展。框架柱是框架結(jié)構(gòu)的主要豎向承重和抗側(cè)力構(gòu)件，以受壓應(yīng)力為主。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的間距受樓板構(gòu)件跨度的限制，一般為3～8米。因而剪力墻結(jié)構(gòu)適用于要求小房間的住宅、旅館等建筑。

2.3 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)是將框架和剪力墻結(jié)合在一起而形成的結(jié)構(gòu)形式。它既有框架結(jié)構(gòu)平面布局靈活、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又有較好的承受水平荷載的能力，是高層建筑中應(yīng)用比較廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將能使框架、剪力墻兩種不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同工作共同發(fā)揮作用。

2.4 筒體結(jié)構(gòu)。

隨著建筑物高度的增加，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)體系、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系已不能很好地滿足結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下強(qiáng)度和剛度的要求。筒體體系因其在抵抗水平力方面具有良好的剛度，并能形成較大的使用空間，而成為六十年代以后常用于超高層建筑中的一種新的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)筒體布置、組成、數(shù)量的不同，又可分為框架筒體、筒中筒、組合筒三種體系。

3. 高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型的影響因素

高層建筑是一個(gè)一個(gè)單體，可統(tǒng)計(jì)性差、影響因素多，并且多個(gè)影響因素之間往往相互制約，從信息角度講：它的不確定以及不確知的信息多，同時(shí)其綜合性也很強(qiáng)。影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的主要因素可以簡要的歸納為。

3.1 環(huán)境條件。主要包括建筑抗震設(shè)防烈度、建設(shè)場(chǎng)地類別、基本風(fēng)壓以及基本雪壓等自然環(huán)境因素。

3.2 建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度和層數(shù)、高寬比、長寬比以及建筑體型。每一種結(jié)構(gòu)形式都有其各自的特點(diǎn)以及適用性，考慮到經(jīng)濟(jì)的原因也就有了各自的適用高度。我國的《抗震規(guī)范》以及《高規(guī)》均給出了每一種常見建筑結(jié)構(gòu)體系的適用高度。

3.3 建筑功能要求。結(jié)構(gòu)是為建筑服務(wù)的，所以結(jié)構(gòu)的布置必須滿足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓，某種功能的建筑可能只有某幾種結(jié)構(gòu)形式與之相配。例如高層住宅，由于其使用空間較小，分隔墻體較多，且各層的平面布置基本相同，通常比較適宜采用剪力墻或框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.4 建筑材料。建筑材料對(duì)建筑的影響是非常大的，可以說是至關(guān)重要。每一次建筑高度的突破，都伴隨著建筑材料的革新。在多層建筑中，水平荷載處于次要地位，結(jié)構(gòu)的荷載主要是豎向荷載。

4. 高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

每一種結(jié)構(gòu)體系都有其適用的經(jīng)濟(jì)高度，對(duì)于同一棟高層建筑，往往可以有不同的結(jié)構(gòu)體系可以選擇。到底選擇那一種結(jié)構(gòu)體系比較經(jīng)濟(jì)合理，這就牽扯到結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的問題。在鋼筋混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，有一些基本的原則能夠改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，而不需要明顯地增大建筑成本。

4.1 增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。這樣做，是非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。從材料力學(xué)的基本知識(shí)可以知道，同樣面積、抗傾覆力同結(jié)構(gòu)寬度的關(guān)系不同形狀，可以獲得不同的其幾何特征。例如：相等面積的條件下，工字形截面的截面慣性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圓形截面。根據(jù)這個(gè)原理，不難理解加大寬度以后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度得到很大提高。在其它條件不變的前提下，側(cè)移將按寬度增加的三次方的比例減小。當(dāng)然，必須考慮“剪力滯后”的不利影響，結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件的水平連接應(yīng)具有足夠的剛性，才能真正達(dá)到上述效果。

4.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分體系時(shí)，應(yīng)使其構(gòu)件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力狀態(tài)的弦桿和斜桿的析架體系；在鋼筋混凝土抗震墻內(nèi)配置交叉鋼筋，以增強(qiáng)其抗剪能力；調(diào)整構(gòu)件剛度，使框架的剛度比達(dá)到最優(yōu)以取得良好的受力效果。

4.3 增大最有效承受荷載構(gòu)件的面積，充分發(fā)揮材料的自身強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該時(shí)刻考慮的問題以及應(yīng)該具有的基本結(jié)構(gòu)概念。例如，增大較低樓層框架柱和框架梁的截面高度或受壓翼緣面積，就能夠直接增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，有效減小側(cè)向位移，從而改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.4 水平作用的傳遞主要是依靠樓板，并且目前幾乎所有的結(jié)構(gòu)分析理論所采用的基本假定都是樓板水平剛度無限大。故此，每一層樓蓋應(yīng)該具有足夠的剛度和連續(xù)性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的構(gòu)件能夠協(xié)同工作成為整體，而非各自獨(dú)立。

4.5 選擇合理的倒塌機(jī)制。結(jié)構(gòu)之所以稱之為結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗梢苑€(wěn)定地承受外荷載作用。高層建筑同多層建筑一樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的塑性鉸以后，整個(gè)結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，喪失承載能力。結(jié)構(gòu)最佳的破壞機(jī)制應(yīng)該是結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸以后，其承載能力基本保持穩(wěn)定，可以持續(xù)變形而不至于倒塌，最大限度地消耗地震能量。例如框架結(jié)構(gòu)中，塑性鉸應(yīng)先出現(xiàn)在框架梁端，而不是出現(xiàn)在柱端；抗震墻結(jié)構(gòu)和框架一抗震墻結(jié)構(gòu)中，塑性鉸應(yīng)先出現(xiàn)在連梁兩端而不是出現(xiàn)在剪力墻或者框架柱端。

[文章編號(hào)]1619-2737（2015）07-11-184

[作者簡介] 王菁菁（1984.07.07-），女，籍貫：河北省石家莊市，職稱：助理工程師，工作單位：河北大地建設(shè)科技有限公司。

張巖（1980.03.25-），男，籍貫：河北省景縣，職稱：工程師，工作單位：單位：河北大地建設(shè)科技有限公司。