1、高層建筑結(jié)構(gòu)體系摘要：建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇是建筑開展的重要方向，結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載和水平 荷載時的構(gòu)件組成方式及傳力途徑，不同的結(jié)構(gòu)體系在高層建筑中抗測力要求也盡不相同， 抗側(cè)力體系要將房屋承受的水平荷載傳到基礎(chǔ)，抗側(cè)力體系的選擇與組成成為高層建筑結(jié)構(gòu) 設(shè)計的首要考慮及決策重點，多數(shù)情況下，它也應(yīng)當(dāng)滿足豎向荷載傳力體系是統(tǒng)一的要求。 結(jié)構(gòu)體系在不同的高度也有不同的適宜高度范圍。經(jīng)過多年的探索與發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)體系在 建造高層建筑方面得到了長足的應(yīng)用和發(fā)展。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)體系；抗側(cè)力；高層建筑；框架引言高層建筑抗側(cè)力體系是高層建筑結(jié)構(gòu)合理性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵。它也隨著建筑高度和功能 的發(fā)展

2、而發(fā)展變化。從原有的框架、剪力墻結(jié)構(gòu)等基本體系，到框架-剪力墻體系，再到框 架-筒體體系、筒中筒體系等體系。隨著建筑功能和形式的不斷發(fā)展，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系也需 要不斷的發(fā)展、完善和創(chuàng)新。在積累經(jīng)驗和深入研究的基礎(chǔ)上，逐步形成各種新型、高效、 合理的抗側(cè)力體系。一、常見的幾種結(jié)構(gòu)1.1框架結(jié)構(gòu)由梁和柱組成的結(jié)構(gòu)稱為框架結(jié)構(gòu)，既能承受豎向荷載，又能承受水平荷載。框架結(jié)構(gòu) 的柱柵間距可以大或小，約410m，柔性布置是其突出的優(yōu)點。框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類少，其設(shè) 計、計算和施工相對單一。它是美國第一座現(xiàn)代高層建筑（家庭保險公司大廈）所采用的體 系，也是各種高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中最基本的構(gòu)件。根據(jù)抗震要求設(shè)計的鋼

3、筋混凝土框架結(jié)構(gòu)可以是延性大、耗能能力強、抗震性能好的延 性框架結(jié)構(gòu)。美國和日本的高層建筑均采用延性框架結(jié)構(gòu)體系。但框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向強度體系 相對較小。在高層建筑中使用時，要求大截面鋼筋混凝土梁、柱滿足變形極限要求，降低了 有效使用空間，經(jīng)濟指標(biāo)不理想。非結(jié)構(gòu)性填充墻及裝飾材料易損壞，維修成本高。根據(jù)我 國廣泛采用的填充墻材料和施工方法，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的適用高度是有限的。我國最高 的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是北京長城飯店，十八層（突出部分二十二層），總高度82.85m。1.2剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)，能抵抗豎向荷載和水平力。但是由于自身體系 布置不靈活，建筑空間有限。因此，它只

4、適用于居住建筑、酒店等對空間要求較小的建筑。 由于剪力墻結(jié)構(gòu)自重大、剛度大，其基本周期短，地震慣性力大。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在 我國應(yīng)用廣泛，大多是10-30層的高層住宅和賓館。剪力墻結(jié)構(gòu)相對來說在施工方面便宜工 作非常方便，適用的高度范圍也是比較大的（多層、高層適用），但是大高度剪力墻結(jié)構(gòu)建 造造價方面很昂貴，不太經(jīng)濟適用。1.3框架-剪力墻（筒體）結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)中同時布置框架和剪力墻，就形成框架一剪力墻結(jié)構(gòu);兩個方向的剪力墻圍成筒 體，就形成框架一筒體結(jié)構(gòu)，二者基本性能一致，可以統(tǒng)稱為框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。框架剪力墻結(jié)構(gòu)擁有很多優(yōu)點，其布置靈活、延性還特別好，剛度大、承載能力也首屈 一指。由于框架

5、為剪切型的變形，底部層間的變形產(chǎn)生了改變，且向上逐漸減小，而剪力墻 為“變曲率型，變形，其底部層間變形較小，且向上逐漸增大。框架與剪力墻共同受力后， 結(jié)構(gòu)底部框架側(cè)移減小，上部剪力墻側(cè)移較小。側(cè)移曲線兼有兩種結(jié)構(gòu)的特點，即“彎剪型”， 彎剪變形曲線的層間變形沿建筑物高度均勻變化，減小了框架和剪力墻的層間變形。適用于 高度相對較高的建筑物：一般以剪力墻為第一道防線，框架為第二道防線，形成多種抗震設(shè) 防結(jié)構(gòu)。可以說，框架剪力墻結(jié)構(gòu)綜合了框架結(jié)構(gòu)及勇力墻雄物的優(yōu)點。建造高層建筑選取 此結(jié)構(gòu)體系也非常適宜。但是在剪力墻分散布置時，建造高度有限，約20-30層，當(dāng)剪力墻 做成筒體時，其建造高度可增大至4

6、0-50層，甚至更高。1.4框架一核心筒結(jié)構(gòu)以及框筒和桁架筒當(dāng)框架布置在周邊，筒體布置在中間時，成為框架一核心筒結(jié)構(gòu)。此建筑結(jié)構(gòu)體系具有 協(xié)同工作的優(yōu)點。這種建筑結(jié)構(gòu)體系允許布置較大的窗戶，建筑立面靈活，外觀看起來更美。 框架一核心筒結(jié)構(gòu)成為近年來在各種高度的高層建筑中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。由密柱深梁框架圍成“筒狀”組成了空間結(jié)構(gòu)，稱為框筒；由梁、柱、 斜支撐形成 桁架，一般布置在建筑物外圍，內(nèi)部可設(shè)置一些柱，以減小樓板梁的跨度。桁架筒結(jié)構(gòu)承受的水平力通過斜桿傳至角柱，然后傳至基礎(chǔ)，桁架各構(gòu)件都主要承受軸 向力，受力合理，能充分利用材料:桁架筒也是位于建筑物周邊而內(nèi)部空曠，主要依靠四周 桁架

7、形成空間作用抵抗水平荷載，構(gòu)件數(shù)量雖少，但結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度很大，桁架筒結(jié)構(gòu) 在高層建筑方面占據(jù)著優(yōu)勢，比起框筒結(jié)構(gòu)更能建造更高的建筑，也極大地節(jié)約了原材料， 主要用于鋼結(jié)構(gòu)，例如美國支加哥的JohnHancockCenter,1969年建成，地上100層，總高 344m，建造了鋼桁架筒結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時世界，成為了最為省鋼的高層建筑。當(dāng)然采用桁架筒體 系的也有少數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，比方說芝加哥昂提瑞中心就是鋼筋混凝土桁架筒結(jié)構(gòu)。近年 來有很多超高層建筑采用鋼一混凝土組合構(gòu)件建造混合桁架筒結(jié)構(gòu)。框筒桁架結(jié)構(gòu)非常適合于高層建筑的施工。為了轉(zhuǎn)移樓層的豎向荷載，設(shè)置了少量不抵 抗水平荷載的中間柱。事實上，由

8、于垂直交通和管道設(shè)備的通過，需要設(shè)置內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，所以 比較常見的結(jié)構(gòu)體系是筒中筒結(jié)構(gòu)體系。筒中筒結(jié)構(gòu)由外筒及內(nèi)筒組成，內(nèi)筒可以采用剪力 墻圍成的實腹筒，或采用內(nèi)鋼桁架筒或內(nèi)框筒，外筒為框筒或桁架筒。但它們?nèi)杂泻艽蟮膮^(qū) 別，因為從受力分析上來講，前者外圍是筒體（框筒或桁架筒），后者外圍是一般框架。筒中 筒結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，層間變形均勻等特點。筒中筒結(jié)構(gòu)的樓板必須有足夠的平面內(nèi)剛度， 但是還要不得不盡量采用樓板體系厚度較小的，用以減少在內(nèi)外筒之間的彎矩傳遞（減小墻 的平面外彎矩），厚度較小的樓板體系還可以降低層高。筒中筒結(jié)構(gòu)近年來在200m以下的高 層建筑中應(yīng)用已逐漸減少。而在400m以上的超高層

9、建筑中，巨型桁架筒和核心筒組成的筒 中筒結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用又逐漸增多。二、結(jié)構(gòu)體系的適用范圍根據(jù)不同的抗側(cè)剛度還有承載力的不同，以上所例各種結(jié)構(gòu)體系的適宜高度也都截然不 同，我國規(guī)范了規(guī)定的體系適用高度，我國現(xiàn)行抗震規(guī)范和混凝土高規(guī)對于在我國 常用的各種鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)體系提供了最合適的高度范圍，每個國家的規(guī)范 和程序應(yīng)基于本國經(jīng)濟、國內(nèi)科技發(fā)展水平和現(xiàn)行建設(shè)方針和政策，一般都是經(jīng)驗性規(guī)定。 在我國規(guī)范中規(guī)定最大應(yīng)用高度也是經(jīng)驗性的，考慮到我國常用的材料，并考慮到不同結(jié)構(gòu) 體系的性能，經(jīng)濟合理使用，基礎(chǔ)條件和地震破壞經(jīng)驗，并考慮到不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗性及我 國建設(shè)的經(jīng)驗。已確定各種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的

10、最大適用高度。比如說，我國規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的 適用高度就高于一些西方發(fā)達國家的限制高度，因為我國對于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)有大量 而豐富的實踐經(jīng)驗，但是在9度地震設(shè)防區(qū)，對剪力墻的高度限制是較嚴(yán)的;B級高度的規(guī) 定也是在近年來我國實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上新做出的規(guī)定。混凝士高規(guī)將高層建筑分為A級高度和B級高度，主要是它們的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計和構(gòu)造要求 有所差別，B級比A級高度大。設(shè)計要求更高。如果設(shè)計的結(jié)構(gòu)高度超過b級表的規(guī)定。則 必須采取更加有效的措施。事實上，突破B級高度限制的高層建筑已經(jīng)存在,從不斷進步的 角度看，當(dāng)經(jīng)驗積累的足夠多時，才能在修訂規(guī)程時，作出適用的最大高度調(diào)整。束筒和脊骨結(jié)構(gòu)在我國還沒有應(yīng)

11、用實例，我國的規(guī)范和規(guī)程中尚未納入。混合結(jié)構(gòu)有許多種繁雜的式樣。相對造價較低的鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是應(yīng)用 非常廣的結(jié)構(gòu)之一，并且也已有一些建成的結(jié)構(gòu)實例，但應(yīng)用時要注意建筑高度不能太高。 因為周邊鋼框架剛度很小（與鋼筋混凝土核心筒相比），不能承擔(dān)足夠多的地震力，抗扭剛度 相對而言也不大，然而由于在鋼框架與鋼筋混凝土內(nèi)筒二者徐變性能上的差異，很大高度的 時候，豎向變形差對構(gòu)件受力也不利；由于國內(nèi)外應(yīng)用都不多，更沒有在高烈度區(qū)遭受地震 作用的實際考驗，因此，在現(xiàn)行的混凝土高規(guī)中，在地震嚴(yán)重區(qū)域例如抗震設(shè)防烈度較 高的8度區(qū)，對鋼框架一鋼筋混凝土內(nèi)筒這種混合結(jié)構(gòu)的適用高度會給出極其嚴(yán)格的限制

12、。現(xiàn)行的規(guī)范和規(guī)程上還提供出了適用于高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大高寬比。這個高 寬比限制值對于我國來說更是一個經(jīng)驗性的規(guī)定，一般在大多數(shù)情況下，符合限制值要求的 建筑更容易滿足側(cè)移限制，側(cè)移限制才是最根本的要求。如果說各方各面都能滿足規(guī)范要求， 那么在突破高寬比限值這一方面才有一定的可能性。所以，高寬比限值在設(shè)計上通常可作為 初步參考。三、結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用和發(fā)展建筑功能、建筑形式、建筑高度和空間利用的需要和不斷發(fā)展，促成了高層建筑結(jié)構(gòu)體 系、材料廣泛的應(yīng)用。新材料的面世，以及翻新的新技術(shù)，再加上計算機技術(shù)的如日中天的 的提高，又創(chuàng)造了許多條件來用以結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和創(chuàng)新。在建筑師層出不窮的翻新方案

13、下， 結(jié)構(gòu)工程師必須接受挑戰(zhàn)，不能墨守成規(guī)，但是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)必須安全可靠，必須符合科學(xué)規(guī)律， 又必須考慮經(jīng)濟。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)適用于很多建筑結(jié)構(gòu)體系。3.1抗側(cè)力體系的發(fā)展單抗側(cè)力體系發(fā)展至雙重再發(fā)展多重抗側(cè)力體系，使雙重和多重結(jié)構(gòu)體系發(fā)揮進步特點， 框架或剪力墻分別是單種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在古老的多層建筑中已有運用，100多年前的首個高 層建筑采用的就是框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合”剪切型”變形的概架和“彎曲型”變形的剪力墻，造就 了前所未有的“彎剪型”變形的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，形成了雙重抗側(cè)力體系。這一抗側(cè) 力體系的出現(xiàn)，使建筑結(jié)構(gòu)體系在發(fā)展上得到了飛躍的機會。1931年當(dāng)時世界最高建筑， 也就

14、是三百八十一 m、一百零二層的紐約帝國大廈，就采用了框架一剪力墻體系，再突破這 個高度大約是四十年以后的事了。隨著時代的發(fā)展，雙重抗側(cè)力體系優(yōu)勢愈發(fā)明顯，尤其是 在設(shè)計多道設(shè)防的抗震結(jié)構(gòu)上占據(jù)了先天的優(yōu)勢。隨后出現(xiàn)的框架一筒體結(jié)構(gòu)、框架-核心 筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)都是雙重結(jié)構(gòu)體系概念的發(fā)展與應(yīng)用。3.2由平面結(jié)構(gòu)向空間結(jié)構(gòu)發(fā)展大多主要依靠平面內(nèi)傳力最初的框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)都是片狀的平面結(jié)構(gòu)。平面外 剛度很小，平面內(nèi)外剛度差別極大，因此，平面內(nèi)剛度很大，必須在雙向布置平面結(jié)構(gòu)，以 抵抗不同方向的荷載作用，因此結(jié)構(gòu)布置的間距不大，不僅可利用空間受到限制，而且結(jié)構(gòu) 構(gòu)件數(shù)量多、材料耗費多，可建造的

15、建筑高度也不大。在對結(jié)構(gòu)的內(nèi)在力學(xué)性能深人認(rèn)識的 基礎(chǔ)上，發(fā)展了空間結(jié)構(gòu)，最先認(rèn)識到剪力墻可以圍成筒體，抗側(cè)剛度大大增加;隨后，開 洞在剪力墻筒體上，然后就可以成為密柱深梁的框筒結(jié)構(gòu)。實腹筒體和框筒都是空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件數(shù)目上的減少，大大提升了結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力，提高 了抗扭剛度，使優(yōu)勢進一步增大，空間利用更多，實腹筒與框筒結(jié)合成雙重抗側(cè)力體系的優(yōu) 越性更大，主要結(jié)構(gòu)體系自上世紀(jì)60年代逐漸應(yīng)用在高度較大高層建筑。3.3平面桁架和空間桁架的應(yīng)用桁架原本是用在大跨度屋架和橋梁結(jié)構(gòu)中，用以承受豎向荷載的，工程師發(fā)現(xiàn)，把桁架 豎起來就可以有效地抵抗水平荷裁。桁架桿件主要承受軸向力，可以大大作省材構(gòu)。有了空

16、間結(jié)構(gòu)概念以后，將平面桁架圍成筒體，發(fā)展成桁架筒，又一步節(jié)約了材料。近年來的超高 層建筑結(jié)構(gòu)中，桁架筒逐漸增多。用邊布置結(jié)構(gòu)，可以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)力和抗扭轉(zhuǎn)剛度。空間結(jié)構(gòu)擁有極大地優(yōu)越性能，利 用這一點，可以將抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置在周邊，然后就可以得到多方面的提高，例如可以提升結(jié) 構(gòu)抗側(cè)力剛變性能，提高抗扭轉(zhuǎn)剛度以及提升抗傾覆能力，提高結(jié)構(gòu)效率。框筒、束筒、桁 架筒等都是結(jié)構(gòu)布置在周邊的高抗側(cè)力體系。將一般框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，將剛度較大的剪 力墻布置在周邊，也能取得較好的結(jié)構(gòu)抗測和抗租效果。3.4合理布置巨型結(jié)構(gòu)，在許多不規(guī)則的不同建筑布置中設(shè)計規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系建筑布置不斷翻新，不規(guī)則的建筑布置日漸增多，

17、這是對結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，對應(yīng)的方法有許 多，可以在不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)體系選擇布置中建立規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，就像一些巨型建筑結(jié)構(gòu) 和脊骨結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)梁柱桿件的尺有限，但是將許多桿件連接組成巨型梁、巨型柱、巨型框架，就可以 大大提高抵抗豎向和水平荷載的能力，其中的次結(jié)構(gòu)可以靈活布置，可以實現(xiàn)建筑要求的靈 活空間，主、次結(jié)構(gòu)的各種組合和變化，可以適應(yīng)多種建筑布置，也可能加大結(jié)構(gòu)高度。不巨型框架筒或巨型桁架筒將抗側(cè)力結(jié)構(gòu)放置在周邊，和核心筒結(jié)合，組成巨型框架一 核心筒或筒中筒結(jié)構(gòu)，更加有利于建造超高層建筑結(jié)構(gòu)。楚國美柏出來魚脊骨結(jié)構(gòu)也是巨型 結(jié)構(gòu)類型，但是把抗側(cè)結(jié)構(gòu)放置在中部，適合于建筑外形復(fù)雜、變化多的建筑，也就

18、是在不 規(guī)則的建筑體型中找到規(guī)則的中部位置，布置規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。3.5發(fā)展組合構(gòu)件和混合結(jié)構(gòu)越來越多地利用鋼和鋼筋混凝土的結(jié)合，發(fā)展鋼骨混凝土、鋼管混凝土、疊合鋼管混凝 土、鋼一混凝土組合樓板、鋼板剪力墻等組合構(gòu)件，可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的優(yōu) 點。鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件、各種組合構(gòu)件結(jié)合在一起，組成混合結(jié)構(gòu)，是近年來結(jié)構(gòu)發(fā) 展的趨勢。除鋼結(jié)構(gòu)外，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，震害少。我國近年來對鋼管混凝 土柱的研究和應(yīng)用增多，又自主研發(fā)了疊合鋼管混凝土柱，取得了很好效果，深圳的賽格廣 場建于200年，是那個時期利用鋼管混凝土柱建造的最高建筑。現(xiàn)在在超高層建筑中多數(shù)都 采用組合構(gòu)件和混合

19、結(jié)構(gòu)。高強度材料、輕質(zhì)材料的應(yīng)用，減輕結(jié)構(gòu)自重。減輕建筑重量，在高層建筑中有著重要 意義，它可以減小基礎(chǔ)材料用量，可以減小地震作用產(chǎn)生的慣性力，從而又節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料。 高強度、輕質(zhì)材料的應(yīng)用為減輕結(jié)構(gòu)自重創(chuàng)造了條件。四、結(jié)語抗震設(shè)計特別是高層建筑需要注意的問題。近年來高層建筑的發(fā)展，其中消能和減震方 法，是技術(shù)上的進步，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很多新的概念自上世紀(jì)70年代以來，我國的高層方面的建筑得到了極大地發(fā)展，經(jīng)歷了學(xué)習(xí)和模仿階 段，經(jīng)過廣大技術(shù)人員的努力，我國現(xiàn)在的高層建筑設(shè)計和施工技術(shù)已經(jīng)處于世界先進地位， 我國已經(jīng)發(fā)展了較為成熟的設(shè)計規(guī)定和要求，許多得到抗震設(shè)計的高層建筑在我國進行應(yīng)用， 高

20、度也最大。國內(nèi)建設(shè)工程的數(shù)量和要求都是世界第一的。但是，了也應(yīng)當(dāng)看到，在大量的 建設(shè)和繁忙的工程設(shè)計中，號我們的工程師忙于出圖，設(shè)計研究力量不足，規(guī)范和規(guī)程規(guī)定 只是過去經(jīng)驗的總結(jié)，規(guī)范不能超前，也總有許多不足之處，一般情況下也不宜突破，凡此 種，抑制了廣大工程師開創(chuàng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計的智慧。在我國，應(yīng)當(dāng)提高我國工程師的概念設(shè)計能 力，提俱開創(chuàng)性思維，充分發(fā)揮我國規(guī)程技術(shù)人員的聰明木智，合理而科學(xué)地應(yīng)用和突破規(guī) 范、規(guī)程的規(guī)定，提高我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。根據(jù)現(xiàn)實情況的不同，結(jié)構(gòu)體系的選擇更應(yīng)該根據(jù)其所特有的優(yōu)缺點進行相應(yīng)的抗震元 素的改變。具體問題根據(jù)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，。結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和創(chuàng)新需要建廠時間的積累，是漸進的過程，或在積累了許多實踐經(jīng)驗以后的某個時間可能出現(xiàn)飛躍式的進 展。