浅谈高层建筑结构体系
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摘要：本文对常用的几种高层建筑结构体系进行了介绍，便于设计人员根据各体系的受力特征、适用范围采用不同的结构体系。
关键词：高层建筑；结构体系
随着社会与经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度与规模不断增加。例如目前世界上高度超过300m的高层建筑已达几十幢，国际上正在筹划的100~300层的巨型建筑其高度均超过400m，中国目前已建成并投入使用的上海金茂大厦高为420.5m。高层建筑在全球范围内突飞猛进的建设，从科学技术方面看，得益于力学分析方法的发展、结构设计和施工技术的进步及现代机械和电子技术的贡献。在结构设计方面，概念设计显得尤为重要，它包括结构的选型，即结构体系与结构布置。本文就对常用的高层建筑结构体系做一些简单的论述。
高层建筑结构的结构型式繁多，以材料来分有配筋砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构和钢―混凝土组合结构等。其中砌体结构强度较低、抗拉抗剪性能较差，难以抵抗水平作用产生的弯矩和剪力，所以一般情况下采用配筋砌体；钢筋混凝土结构强度较高、抗震性能较好，并且具有良好的可塑性；钢结构强度较高、自重较轻，具有良好的延性和抗震性能，并能适应建筑上大跨度、大空间的要求；钢―混凝土组合结构一般是钢框架与钢筋混凝土筒体的组合，在结构体系的层次上将两者的优点结合起来。
高层建筑常用的结构体系有框架结构体系、剪力墙结构体系、框架―剪力墙结构体系和筒体结构体系等。
随着层数和高度的增加，水平作用对高层建筑结构安全的控制作用更加显著，包括地震作用和风荷载。高层建筑的承载能力、抗侧刚度、抗震性能、材料用量和造价高低，与其所采用的结构体系密切相关。不同的结构体系，适用于不同的层数、高度和功能。
1、框架结构体系
框架结构由梁、柱构件通过节点连接构成承载结构。钢筋混凝土框架按施工方法的不同，又可分为：①梁、板、柱全部现场浇注的现浇框架；②楼板预制，梁、柱现场浇注的现浇框架；③梁、板预制，柱现场浇注的半装配式框架；④梁、板、柱全部预制的全装配式框架等。框架结构体系可以较灵活的配合建筑平面布置、安排需要较大空间的会议室、商场和教室、餐厅等。
随着结构高度的增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。因此在使用层数上受到限制。
框架结构抗侧刚度较小，在水平力作用下将产生较大的侧向位移。其中一部分是结构弯曲变形，即框架结构产生整体弯曲，由柱子的拉伸和压缩所引起的水平位移；另一部分是剪切变形，即框架结构整体受剪，层间梁柱杆件发生弯曲引起的水平位移。当框架的高宽比H/B=<4时，框架结构以剪切变形为主，弯曲变形较小而可忽略，其整体位移曲线呈剪切型，特点是结构层间位移随楼层增高而减小。
框架节点是内力集中，关系到结构整体安全的关键部位。震害表明，节点常常是导致结构破坏的薄弱环节。由于框架结构杆件截面较小，抗侧刚度较小，在强震下结构整体位移和层间位移都比较容易产生震害。此外，非结构性破坏如填充墙、建筑装修和设备管道等破坏较严重。因而主要适用于非抗震区和层数较少的建筑；抗震设计的框架结构除需遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“节点更强”、和“避免短柱”的设计原则外，还需注意填充墙的材料以及填充墙与框架的连接方式等，以避免框架变形过大时填充墙的损坏。
2、剪力墙结构体系
剪力墙结构体系一般用于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。根据施工方法的不同，可以分为：
（1）全部现浇的剪力墙；
（2）全部用预制墙板装配而成的剪力墙；
（3）内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。
在承受水平力的作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂深梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲，特点是结构层间位移随楼层增高而增加。
住宅和旅馆客房层具有开间较小、墙体较多、房间面积不太大的特点，采用剪力墙结构比较适合，而且房间内不露出梁柱、整体美观。但剪力墙结构墙体多，使建筑平面布置和使用要求受到一定的限制，不容易形成大空间。为了满足布置门厅、餐厅、会议室、商店和公共设施等大空间的要求，可以在底部一层或数层取消部分剪力墙而代之以框架，形成框支剪力墙结构。
剪力墙结构比框架结构刚度大、空间整体性好，用钢量较省，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，能够满足抗震设计变形要求。历次地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较轻。
3、框架―剪力墙结构体系
框架―剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。房屋的竖向荷载分别由框架和剪力墙共同承担，而水平作用主要由抗侧刚度较大的剪力墙承担。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，因而广泛应用于高层办公建筑和旅馆建筑中。这种结构体系的平面布置见图。
框架―剪力墙结构体系中的框架和剪力墙共同承担水平力。由于框架和剪力墙的协同工作，框架和剪力墙的的受力状况和内力分布都得到了改善。主要表现为，框架所承受的水平剪力减少且沿高度分布比较均匀。剪力墙所承受的剪力愈接近底部愈大，有利于框架控制的变形；而在结构上部，框架的水平位移比有剪力墙的位移小的趋势，剪力墙承受框架约束的负剪力。其变形特征见图。
4、筒体结构体系
随着层数、高度增大，高层建筑结构承受的水平地震作用大大增加，框架、剪力墙以及框架―剪力墙等结构体系已经显得不合理、不经济，甚至是不可行的。这时，可将剪力墙在平面内围合成箱形，形成一个竖向布置的空间整体受力的框筒，从而形成具有很好的抗风和抗震性能的筒体结构体系。该类体系根据筒的布置、组成和数量等又可分为框架―筒体结构体系、筒中筒结构体系、成束筒结构体系。
（1）框架―筒体结构体系：一般中央布置剪力墙薄壁筒，它承受大部分水平力；周边布置大柱距的普通框架，它的受力特点类似于框架―剪力墙结构。也有把多个筒体布置在结构的端部，中部为框架的框架―筒体结构形式。
（2）筒中筒结构体系：由内外几层筒体组合而成，通常内筒为剪力墙薄壁筒，外筒是框筒。
（3）成束筒结构体系：又称为组合筒体结构体系，在平面内设置多个筒体组合在一起，形成整体刚度很大的结构形式。建筑结构内部空间也较大，平面可以灵活划分，适用于多功能、多用途的超高层建筑。
高层建筑设计中，由于水平荷载起主要控制作用，为了考虑水平荷载，结构上必须提供必要的手段去应付。所以，有些人认为高层建筑设计主要是结构方面应考虑得多，而建筑方面没有多少可以考虑创作的余地，结构在建筑形式中似乎充当了主角的地位。这种看法是不够正确的。如果说，结构是建筑设计的唯一准则的话，那么，我们只能有正方形和圆形的高层建筑，建筑设计不过重复使用这种单调的建筑形式罢了。但是，风荷载不仅在建筑高度上显示着它的作用，而且因建筑形状不同，其作用也大有差别。所以，高层建筑设计中，不能认为结构束缚了建筑，相反，这正好有力地说明建筑体型与结构选型相配合的重要性，也说明建筑师与结构工程师充分合作的必要性。在现代高层建筑设计中，有些建筑反映了建筑师对结构工程师的尊重，以结构的构成来表达建筑的完美形式；有些建筑反映了结构工程师对建筑师的理解，以创造性的结构处理去适应建筑功能的要求。
参考文献:
1.高层建筑结构分析与设计；梁启智编著；华南理工大学出版社；1993
2.全国民用建筑工程设计技术措施结构篇；建设部工程质量安全监督与行业设计司，中国建筑标准设计研究院；2003
3.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3―2003）；中国建筑工业出版社；2002北京
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