高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展

1、高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，以及結(jié)構(gòu)體系的 特點(diǎn)及應(yīng)用,文章分析高層建筑結(jié)構(gòu)的六個(gè)特點(diǎn)，并介紹目前國(guó)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)。關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)體系1緒論鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面積比率越來(lái) 越大，在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑；同時(shí)高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生， 在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計(jì)建造可說(shuō)是同步 刖進(jìn)。超高層建筑的發(fā)展體現(xiàn)了發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑科技水平、材料工業(yè)水平和綜合技 術(shù)水平，也是建設(shè)部門財(cái)力雄厚的象征。我國(guó)的高層與超高層

2、鋼結(jié)構(gòu)建筑自改革開(kāi)放以來(lái)已有20年的歷史，并在設(shè) 計(jì)和施工中積累了不少經(jīng)驗(yàn)，已有我國(guó)自行編制的高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī) 程JGJ 99-98.高層及超高層結(jié)構(gòu)體系對(duì)于高層及超高層建筑的劃分，建筑設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一規(guī)定，一般認(rèn)為建筑總高度超過(guò) 24m為高層建筑，建筑總高度超過(guò)60m為超高層建筑。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場(chǎng) 地的抗震設(shè)防烈度以經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的設(shè)計(jì)原則，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系， 一般分為六大類：框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框 一筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系。近些年來(lái)

3、，建筑業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的高層建筑越來(lái)越 廣泛。它以其高度強(qiáng)烈地影響著規(guī)劃、設(shè)計(jì)、構(gòu)造和使用功能。就結(jié)構(gòu)特性而言，高層建筑是必須著重考慮水平荷載和豎向荷載組合影響的 建筑物。設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，它的結(jié)構(gòu)除在上述荷載組合下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性 應(yīng)予以保證外，還必須控制由風(fēng)荷載（或地震水平作用）所產(chǎn)生的側(cè)向位移，防 止由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)性材料的破壞；控制由風(fēng)荷載造成頂部樓層的加速 度反應(yīng)，以使用戶對(duì)擺動(dòng)的感覺(jué)和不舒適感降到最低程度。這就需要設(shè)計(jì)師從一 開(kāi)始就應(yīng)該以一個(gè)立體的概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，可以設(shè)想成為一個(gè)從地基升起的豎向懸壁構(gòu)件，承受水

4、平側(cè)向荷載和豎向重力荷載的作用。側(cè)向荷載是由風(fēng)吹向建筑物引起的水平壓力 和水平吸力，或者是由地震時(shí)地面晃動(dòng)引起的水平慣性力。重力荷載則是建筑物 自身的總重力荷載。這些側(cè)向荷載和重力荷載的組合，趨向于既可能將它推倒（受 彎曲），又可能將它切斷（受剪切），還可能使它的地基發(fā)生過(guò)大的變形，使整 個(gè)建筑物傾斜或滑移。對(duì)抗彎曲而言，結(jié)構(gòu)體系要做到不使建筑物發(fā)生傾覆，其 支撐體系的構(gòu)件不致被壓碎、壓屈或拉斷，其彎曲側(cè)移不超過(guò)彈性可恢復(fù)極限； 對(duì)抗剪切來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系要做到不使建筑物被剪斷，其剪切側(cè)移不超過(guò)彈性可恢 復(fù)極限；對(duì)地基和基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系的各支撐點(diǎn)之間不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的不均勻變 形，地基和地下結(jié)構(gòu)應(yīng)能

5、承受側(cè)向荷載引起的水平剪力，并不引起水平滑移。由 于風(fēng)力和水平地震作用力對(duì)于高層建筑是動(dòng)荷載，使建筑結(jié)構(gòu)抗彎曲和抗剪切時(shí) 都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致建筑物中的人有震動(dòng)的感覺(jué)，使人有不舒服感。如果 建筑物晃動(dòng)得太厲害，還會(huì)使非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如玻璃窗、隔墻、裝飾物等）斷裂， 甚至危及屋外行人的安全。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)要避免過(guò)大的震動(dòng)。2.1水平荷載成為決定因素.一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù) 值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由 此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對(duì)某一定 高度樓房來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值

6、，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用， 其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。2.2軸向變形不容忽視高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì) 對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之 和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變 形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件 豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。2.3側(cè)移成為控制指標(biāo)與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高 度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的 側(cè)移應(yīng)被

7、控制在某一限度之內(nèi)。2.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。 為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要 在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠延性。2.5高層建筑的結(jié)構(gòu)體系對(duì)抗震的要求（1）高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，并應(yīng)符合下列要求：1）應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力；2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風(fēng)荷 載和地震作用的能力；應(yīng)避免連續(xù)倒塌；3）對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取有效措施。（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)體系尚宜符合下列要求：1）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理

8、的剛度和承載力分布，避免因局部突變 和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位；2）宜具有多道抗震防線3高層建筑的結(jié)構(gòu)體系3.1框架結(jié)構(gòu)體系由梁、柱、基礎(chǔ)構(gòu)成平面框架，它是主要承重結(jié)構(gòu)，各平面框架再由梁 聯(lián)系起來(lái)，形成空間結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可以做成 有較大空間的會(huì)議室、餐廳、車間、營(yíng)業(yè)廳、教室等。需要時(shí)，可用隔斷分割成 小房間，或拆除隔斷改成大房間，因而使用靈活。外墻采用非承重構(gòu)件，可使立 面設(shè)計(jì)靈活多變。但是框架結(jié)構(gòu)本身剛度不大，抗側(cè)力能力差，水平荷載作用下 會(huì)產(chǎn)生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。不高于15層宜采用框架結(jié)構(gòu)， 可以達(dá)到比較好的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。3.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系剪力墻

9、結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的 結(jié)構(gòu)體系。墻體同時(shí)作為維護(hù)及房間分隔構(gòu)件。剪力墻間距一般為38m，現(xiàn)澆 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載 力要求容易滿足，適于建造較高的高層建筑。而且其抗震性能良好，在歷次的地 震中，都表現(xiàn)了很好的抗震性能，震害較少發(fā)生，程度也很輕微。但是剪力墻結(jié) 構(gòu)間距不能太大，平面布置不靈活，而且不宜開(kāi)過(guò)大的洞口，自重往往也較大， 不是很能滿足公共建筑的使用要求，而且其成本也較大。3.3框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷 載承受的構(gòu)件，框架和剪力墻協(xié)同工作的體系。

10、在框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪 力墻剛度大，剪力墻承擔(dān)大部分水平力（有時(shí)可以達(dá)到80%90%），是抗側(cè)力的 主體，整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載，提供較大的使用空 間，同時(shí)承擔(dān)少部分水平力。由于有了剪力墻，其體系比框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和 承載力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件 （隔墻和外墻）的損壞。這樣無(wú)論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，都可以用來(lái)建造較高 的高層建筑。還可以把中間部分的剪力墻形成簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，布置在內(nèi)部，外部柱子 的布置就可以十分靈活；內(nèi)筒采用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開(kāi)間大、跨 度大，很適合現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)要求。3.4筒中筒結(jié)構(gòu)體系筒中筒結(jié)構(gòu)體系由一個(gè)或多個(gè)簡(jiǎn)體為主抵抗水平力。通常簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)基本 形式有三種：實(shí)腹筒、框筒及桁架筒。筒體結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)就是它的空間受力 性能。不論哪一種簡(jiǎn)體，在水平力作用下都可看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸壁構(gòu)件， 它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具有良好的抗扭剛度。筒中 筒結(jié)構(gòu)是一種抵抗較大水平力的有效結(jié)構(gòu)體系，但是由于它需要密柱深梁，當(dāng)采 用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，可能延性不好，而且造價(jià)昂貴。高層建筑發(fā)展到今天.其結(jié)構(gòu)體系形式繁多，劃分的標(biāo)準(zhǔn)