高層建筑結(jié)構(gòu)特點及其體系

1、高層建筑結(jié)構(gòu)特點及其體系 論文關(guān)鍵詞高層建筑；結(jié)構(gòu)特點；結(jié)構(gòu)體系 論文摘要文章分析高層建筑結(jié)構(gòu)的六個特點，并介 紹目前國內(nèi)高層建筑的四大結(jié)構(gòu)體系：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié) 構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。 我國改革開放以來，建筑業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，近十 幾年我國已建成高層建筑萬棟，建筑面積達到 2 億平方 M ，其中具有代表性的建筑如深圳地王大廈81 層，高 325M ；廣州中天廣場 80 層，高 322M ；上海金茂大廈 88 層，高 420.5M 。另外在南寧市也建起第一高樓：地王國際 商會中心即地王大廈共 54 層，高 206.3M 。隨著城市化進 程加速發(fā)展，全國各地的高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為

2、土建工作 設計人員，必須充分了解高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及其結(jié)構(gòu)體 系，只有這樣才能使設計達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適 用、確保質(zhì)量的基本原則 、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點 高層建筑結(jié)構(gòu)設計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu) 專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇， 直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管 道的設置、施工技術(shù)的要求、施工工期長短和投資造價的高 低等。其主要特點有： （一）水平力是設計主要因素 在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向 荷載控制著結(jié)構(gòu)設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對 結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因 為建筑自重和

3、樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎 矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié) 構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力， 是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑 來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和 地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變 化。 (二) 側(cè)移成為控指標 與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設計 中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè) 向變形迅速增大，與建筑高度 H 的 4 次方成正比( qH4/8EI )。 另外，高層建筑隨著高度的增加、輕質(zhì)高強材料的應 用、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)

4、、側(cè)向位移的迅速增 大，在設計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求具有足 夠的抗推剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某 一限度之內(nèi)，否則會產(chǎn)生以下情況： 1. 因側(cè)移產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，尤其是豎向構(gòu)件，當側(cè) 向位移增大時，偏心加劇，當產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過一定數(shù) 值時，將會導致房屋側(cè)塌。 2. 使居住人員感到不適或驚慌。 3. 使填充墻或建筑裝飾開裂或損壞，使機電設備管道損 壞，使電梯軌道變型造成不能正常運行。 4. 使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)大裂縫，甚至損壞。 （三）抗震設計要求更高 有抗震設防的高層建筑結(jié)構(gòu)設計，除要考慮正常使用時 的豎向荷載、風荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性 能，做到

5、小震不壞、大震不倒。 四）減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要 高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力 或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕 房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層 數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。 地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié) 構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結(jié) 構(gòu)上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對 豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。 （五）軸向變形不容忽視 采用框架體系和框架剪力墻體系的高層建筑中，框 架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，中柱的軸向壓 縮變形大于邊

6、柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種軸向 變形的差異將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁中間 支座沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中 正彎矩值和端支座負彎矩值增大。 （六）概念設計與理論計算同樣重要 抗震設計可以分為計算設計和概念設計兩部分。高層建 筑結(jié)構(gòu)的抗震設計計算是在一定的假想條件下進行的，盡管 分析手段不斷提高，分析的原則不斷完善，但由于地震作用 的復雜性和不確定性，地基土影響的復雜性和結(jié)構(gòu)體系本身 的復雜性，可能導致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之 多，尤其是當結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段之后，會出現(xiàn)構(gòu)件局部開 裂甚至破壞，這時結(jié)構(gòu)已很難用常規(guī)的計算原理去進行分 析。實踐表明，

7、在設計中把握好高層建筑的概念設計也是很 重要的。 、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系 （一）高層建筑結(jié)構(gòu)設計原則 1. 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計應與建筑、設備和施工 密切配合，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，并積極采 用新技術(shù)、新工藝和新材料。 2. 高層建筑結(jié)構(gòu)設計應重視結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)造，擇優(yōu)選擇 抗震及抗風性能好而經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系與平、立面布置方 案，并注意加強構(gòu)造連接。在抗震設計中，應保證結(jié)構(gòu)整體 抗震性能，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力、剛度和延性。 （二）高層建筑結(jié)構(gòu)體系及適用范圍 目前國內(nèi)的高層建筑基本上采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其結(jié) 構(gòu)體系有：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架 剪力墻結(jié)構(gòu)、筒 體結(jié)構(gòu)等。 1

8、.框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系是由樓板、梁、柱及基 礎四種承重構(gòu)件組成。由梁、柱、基礎構(gòu)成平面框架，它是 主要承重結(jié)構(gòu)，各平面框架再由連系梁連系起來，即形成一 個空間結(jié)構(gòu)體系，它是高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式之一。 框架結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點是：建筑平面布置靈活，能獲得大空 間，建筑立面也容易處理，結(jié)構(gòu)自重輕，計算理論也比較成 熟，在一定高度范圍內(nèi)造價較低。 框架結(jié)構(gòu)的缺點是：框架結(jié)構(gòu)本身柔性較大，抗側(cè)力能 力較差，在風荷載作用下會產(chǎn)生較大的水平位移，在地震荷 載作用下，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴重。 框架結(jié)構(gòu)的適用范圍：框架結(jié)構(gòu)的合理層數(shù)一般是 6 到 15 層，最經(jīng)濟的層數(shù)是 10 層左右。由于框架結(jié)構(gòu)能提供較

9、 大的建筑空間，平面布置靈活，可適合多種工藝與使用的要 求，已廣泛應用于辦公、住宅、商店、醫(yī)院、旅館、學校及 多層工業(yè)廠房和倉庫中。 2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑中為了提高房屋結(jié)構(gòu)的 抗側(cè)力剛度，在其中設置的鋼筋混凝土墻體稱為“ 剪力 墻”，剪力墻的主要作用在于提高整個房屋的抗剪強度和剛 度，墻體同時也作為維護及房間分格構(gòu)件。剪力墻結(jié)構(gòu)中， 由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向 縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性 好，用鋼量省。歷史地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了良好的抗震 性能，震害較少發(fā)生，而且程度也較輕微，在住宅和旅館客 房中采用剪力墻結(jié)構(gòu)可以較好地適應墻體較

10、多、房間面積不 太大的特點，而且可以使房間不露梁柱，整齊美觀。 剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，不容易布置面積較大的房間，為 了滿足旅館布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要 求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設施的要求，可以將 部分底層或部分層取消剪力墻代之以框架，形成框支剪力墻 結(jié)構(gòu)。 在框支剪力墻中，底層柱的剛度小，形成上下剛度突 變，在地震作用下底層柱會產(chǎn)生很大內(nèi)力及塑性變形，因 此，在地震區(qū)不允許采用這種框支剪力墻結(jié)構(gòu)。 3. 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量 的剪力墻，可以組成框架 剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既有框架 結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的 抗震能力，

11、因而廣泛地應用于高層建筑中的辦公樓和旅館。 4. 筒體結(jié)構(gòu)體系。隨著建筑層數(shù)、高度的增長和抗震設 防要求的提高，以平面工作狀態(tài)的框架、剪力墻來組成高層 建筑結(jié)構(gòu)體系，往往不能滿足要求。這時可以由剪力墻構(gòu)成 空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強梁 的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個或多個筒 體為主抵抗水平力的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。通常筒體結(jié)構(gòu)有： （1）框架 筒體結(jié)構(gòu)。中央布置剪力墻薄壁筒，由它 受大部分水平力，周邊布置大柱距的普通框架，這種結(jié)構(gòu)受 力特點類似框架 剪力墻結(jié)構(gòu)，目前南寧市的地王大廈也用 這種結(jié)構(gòu)。 （2）筒中筒結(jié)構(gòu)。筒中筒結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩個筒體組合 而成，內(nèi)筒為

12、剪力墻薄壁筒，外筒為密柱（通常柱距不大于 3M ）組成的框筒。由于外柱很密，梁剛度很大，門密洞口 面積?。ㄒ话悴淮笥趬w面積 50% ），因而框筒工作不同 于普通平面框架，而有很好的空間整體作用，類似一個多孔 的豎向箱形梁，有很好的抗風和抗震性能。目前國內(nèi)最高的 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)如上海金茂大廈（ 88 層、 420.5M ）、廣州 中天廣場大廈（ 80 層、 320M ）都是采用筒中筒結(jié)構(gòu)。 （3 ）成束筒結(jié)構(gòu)。在平面內(nèi)設置多個剪力墻薄壁筒 體，每個筒體都比較小，這種結(jié)構(gòu)多用于平面形狀復雜的建 筑中。 4）巨型結(jié)構(gòu)體系。巨型結(jié)構(gòu)是由若干個巨柱（通常 由電梯井或大面積實體柱組成）以及巨梁（每隔幾層或十幾 個樓層設一道，梁截面一般占一至二層樓高度）組成一級巨 型框架，承受主要水平力和豎向荷載，其余的樓面梁、柱組 成二級結(jié)構(gòu)，它只是將樓面荷載傳遞到第一級框架結(jié)構(gòu)上 去。這種結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)梁柱截面較小，使建筑布置有更大 的靈活性和平面空間。 除以上介紹的幾種結(jié)構(gòu)體系外，還有其他一些結(jié)