高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系

【摘要】一般高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框剪、筒體、混合結(jié)構(gòu)等類型。不同的結(jié)構(gòu)體系有其自身的特點。本文簡單介紹了各結(jié)構(gòu)體系，并對其選則提出一些思考。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；高層建筑；結(jié)構(gòu)體系；選型

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其良好的抗震性能、成熟的施工技術(shù)、較強的經(jīng)濟型等優(yōu)點在民用建筑中占有相當(dāng)大的比重，同時也是民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點問題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類型眾多，且體系變化多端，相互之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。同時鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用以抗震等級為主線的設(shè)計方法，也有別于鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)。

2、高層建筑受力特點

高層建筑為10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑。與一般多層建筑主要承受由于重力產(chǎn)生的豎向荷載的作用相比，高層建筑由于其高度較高，除承受豎向荷載外，還承受了由于地震作用和風(fēng)荷載作用而產(chǎn)生的水平荷載。因此高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)注重概念設(shè)計，重視結(jié)構(gòu)的選型和平面、立面布置的規(guī)則性，加強構(gòu)造措施，擇優(yōu)選用抗震和抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系。

3、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系

3.1框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)為由梁和柱為主要構(gòu)件組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、使用靈活等特點，同時其自身的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，在強烈地震作用下結(jié)構(gòu)的變形較大，填充墻及附屬結(jié)構(gòu)的破壞嚴重。因此，對房屋高度較高時，應(yīng)避免采用純框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置適當(dāng)?shù)募袅Γ纳平Y(jié)構(gòu)的性能。高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，不宜采用純框架結(jié)構(gòu)。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)為由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。由于鋼筋混凝土剪力墻可結(jié)合建筑隔墻靈活布置，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大，連梁具有很好的耗能性能，因而在民用建筑（主要用在高層住宅）中廣為采用。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)正確把握一般剪力墻、短肢剪力墻及柱形墻肢之間的區(qū)別，把握邊緣構(gòu)件及連梁設(shè)計計算等要點。

3.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為由框架和剪力墻共同承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻兩部分組成，由于框架和剪力墻自身的側(cè)向剛度差異很大，需要考慮框架和剪力墻的協(xié)同工作。同時剪力墻數(shù)量的多少直接決定在規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)底部的傾覆力矩數(shù)值，并以此確定其結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)的動力特性。

板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)為由無梁樓板和柱組成的板柱框架與剪力墻共同承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。其與框架剪力墻結(jié)構(gòu)的區(qū)別就在于框架梁設(shè)置的數(shù)量。由于缺少框架梁與柱組成的共同作用的框架體系，因此抗側(cè)力性能比框架-剪力墻結(jié)構(gòu)有大幅削弱，在設(shè)計時的限制也更多。

3.4筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)為由豎向筒體為主組成的承受豎向和水平作用的建筑結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)的筒體分剪力墻圍成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架圍成的框筒等。筒體結(jié)構(gòu)可分為框架-核心筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)。框架-核心筒結(jié)構(gòu)為由核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結(jié)構(gòu)；筒中筒結(jié)構(gòu)為由核心筒與外圍框筒組成的筒體結(jié)構(gòu)。

筒體結(jié)構(gòu)與一般剪力墻結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別就是結(jié)構(gòu)平面的中心有由兩個方向剪力墻合圍而成的核心筒。由于核心筒剪力墻形成筒體，其抗震性能要優(yōu)于分散布置的剪力墻。筒中筒結(jié)構(gòu)由于有由密排柱及高度較大的橫梁組成的外筒，其整體性比框筒結(jié)構(gòu)更好，因此適用于更高的建筑。

3.5混合結(jié)構(gòu)

混合結(jié)構(gòu)為由鋼框架（框筒）、型鋼混凝土框架（框筒）、鋼管混凝土框架（框筒）與鋼筋混凝土核心筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的建筑結(jié)構(gòu)。

混合結(jié)構(gòu)高層建筑始于1972年的美國，然而由于混合結(jié)構(gòu)在美國阿拉斯加地震中的嚴重破壞，工程界對其抗震性能一直有所懷疑，加上西方發(fā)達國家人工成本高，混合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢不明顯，因此在國外應(yīng)用不多。與西方國家不同的是，由于混合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢，混合結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展迅速。

混合結(jié)構(gòu)介于混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于梁柱截面面積減小、減小結(jié)構(gòu)自重、縮短施工周期、抗震性能好，劣勢在于結(jié)構(gòu)用鋼量大、鋼結(jié)構(gòu)增加防火費用、施工要求高。與鋼結(jié)構(gòu)相比，混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于用鋼量少、結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大、防火防腐性能好、造價低，劣勢在于混凝土用量大、施工速度低、結(jié)構(gòu)構(gòu)件面積大、施工誤差大。

4、對高層混凝土結(jié)構(gòu)體系選擇的思考

4.1結(jié)構(gòu)高度

規(guī)范對各類型結(jié)構(gòu)的最大適用高度有明確規(guī)定，在適用高度內(nèi)的結(jié)構(gòu)其安全性和經(jīng)濟性都有保證。因此應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防烈度，盡量選擇規(guī)范規(guī)定的高度適用范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式。

4.2建筑用途

結(jié)構(gòu)的最終目的是要滿足建筑的使用要求，因此在滿足安全性的前提下，建筑的用途是優(yōu)先考慮因素。不同建筑用途對空間的要求差別很大，例如一般住宅建筑每個房間的面積都不大，而商場、辦公樓等建筑則需要較大的開敞空間。一般而言，在大開敞空間處可采用框架結(jié)構(gòu)，而在樓梯、電梯、機房等面積較小，上下連續(xù)的功能處可采用剪力墻結(jié)構(gòu)，整體形成框筒或框剪結(jié)構(gòu)。

4.3 建筑的方案

建筑的方案可提供建筑的高寬比、長寬比、平面體型、立面體型等。平面體型由平面規(guī)則性、平面對稱性、平面質(zhì)量和剛度偏心等組成，立面體型由建筑高寬比、立面收進、樓層間剛度比和樓層間受剪承載力比等組成。根據(jù)這些具體方案特征，結(jié)合成本、工期、施工難度等因素，方可具體分析出合理的結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)語：

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)體系的選擇作為結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的一部分，對后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計起方向性作用。充分認識各種結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點，合理選擇結(jié)構(gòu)體系，可大大提高建筑的安全性、經(jīng)濟性和實用性。設(shè)計中應(yīng)結(jié)合規(guī)范與工程經(jīng)驗，必要時選擇幾種類型進行比選，以更直觀的選擇出最合理的結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻：

[1]JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011年.

[2]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017年.

作者簡介：

王福元，華東建筑設(shè)計研究院有限公司大連分公司，遼寧大連。