高層建筑結(jié)構(gòu)概念和體系闡述

全 靈

(廣西來(lái)賓市城市建設(shè)開(kāi)發(fā)投資有限責(zé)任公司，廣西來(lái)賓546100)

1 高層建筑結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑結(jié)構(gòu)因?qū)訑?shù)增多和高度增大而承受更大的豎向荷載，使墻柱軸向變形增加，承載力要求更高；同時(shí)水平作用如風(fēng)荷載和地震作用成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，側(cè)向力產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。高層建筑結(jié)構(gòu)在均布水平荷載作用下，豎向平面構(gòu)件的彎矩與建筑的總高度呈二次方關(guān)系，側(cè)向位移與總高度呈四次方關(guān)系。過(guò)大的側(cè)向位移會(huì)使人感覺(jué)不舒服，使填充墻、建筑裝修等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和剪力墻、承重墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫和破壞，使豎向荷載由于P-Δ效應(yīng)而產(chǎn)生顯著的附加彎矩甚至引起倒塌，于是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在高層建筑中，有框架、剪力墻、筒體等豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，有水平放置的樓板將它們連成整體，共同作用。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，通常假定一片框架或墻在其自身平面內(nèi)剛度很大而在其側(cè)面剛度很小，水平放置的樓板同樣也可視為剛度無(wú)限大的平板，剛性樓板將各平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)連接在一起共同承受側(cè)向水平荷載。可將建筑結(jié)構(gòu)體系劃分豎向分體系和水平分體系，豎向分體系包括柱、承重墻、剪力墻、筒體等，承受豎向荷載作用并將之直接傳遞給基礎(chǔ)，提供抗側(cè)力抵抗水平荷載作用，水平分體系將各豎向分體系構(gòu)件連成整體，具有整體結(jié)構(gòu)性能，使建筑結(jié)構(gòu)整體共同作用。

2 高層建筑的概念設(shè)計(jì)

高層建筑的概念設(shè)計(jì)是從建筑物的平面形狀、剖面和總體型著手。首先是控制結(jié)構(gòu)高寬比，目的是控制結(jié)構(gòu)剛度及側(cè)向位移。考慮選擇合理的結(jié)構(gòu)平面形狀，力求盡量規(guī)則、簡(jiǎn)單、對(duì)稱，減少?gòu)?fù)雜受力和扭轉(zhuǎn)受力。值得注意的是當(dāng)建筑物長(zhǎng)度較大時(shí)，在風(fēng)力作用下，可能因風(fēng)力不均及風(fēng)向紊亂引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓板平面撓曲，因此應(yīng)當(dāng)限制建筑長(zhǎng)寬比。結(jié)構(gòu)布置形式要對(duì)抗震有利，要使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合以減小扭轉(zhuǎn)，要注意剛度的均勻?qū)ΨQ，控制結(jié)構(gòu)凸出部分的尺寸比例不使應(yīng)力集中程度過(guò)大。在結(jié)構(gòu)的豎向布置上也應(yīng)注意剛度均勻而連續(xù)，要盡量避免剛度突變或結(jié)構(gòu)不連續(xù)。底層柔上部剛的結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)變形集中在底層導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，而下部剛度大而到頂部剛度突然減小的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生“鞭梢”效應(yīng)；結(jié)構(gòu)豎向體型應(yīng)力求規(guī)則、均勻，避免有過(guò)大的外挑和內(nèi)收，側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，對(duì)薄弱部位如轉(zhuǎn)換層尚應(yīng)采取有效地抗震或構(gòu)造措施。此外，高層建筑應(yīng)當(dāng)避免設(shè)縫，并從總體布置和構(gòu)造上采取一些相應(yīng)的措施來(lái)減小沉降、溫度收縮和體型復(fù)雜引起的問(wèn)題，如采用平面布置簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度不大的塔式樓，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

3 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

常見(jiàn)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系有五種：框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)，多筒體系。

框架結(jié)構(gòu)由梁柱組成，其最大優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可以做成較大空間，也可用隔斷分隔成小房間，墻體用非承重構(gòu)件，降低了結(jié)構(gòu)自重。在水平力作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移可分解為由兩部分組成：一部分側(cè)移由柱和梁的彎曲變形產(chǎn)生，框架下部梁柱內(nèi)力大，層間變形也大，愈到上部層間變形愈小，使整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剪切型變形；一部分由柱的軸向變形產(chǎn)生，即柱的拉伸和壓縮使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移，這種側(cè)移在上部各層較大，愈到底層層間變形愈小，使結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎曲型變形。框架結(jié)構(gòu)以柱梁彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移為主，呈現(xiàn)剪切型變形。梁柱的截面尺寸決定著框架的抗側(cè)移剛度，而通常梁柱截面慣性矩小，側(cè)向變形較大，這是框架結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)，基于此通過(guò)“延性框架”設(shè)計(jì)可使框架獲得良好的延性，從而具有較好的抗震性能。

剪力墻結(jié)構(gòu)利用建筑物墻體承受豎向荷載、抵抗水平作用，因其整體性好，剛度大，水平荷載作用下側(cè)向變形小而用于高層建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向位移呈彎曲型變形，按開(kāi)洞情況、受力特點(diǎn)(承受的整體彎矩和局部彎矩)、計(jì)算方法不同而分為整體墻和小開(kāi)口整體墻(基本上采用材料力學(xué)計(jì)算方法)、雙肢剪力墻和多肢剪力墻(可采用連續(xù)連桿法分析計(jì)算，對(duì)壁式框架可按帶剛域框架簡(jiǎn)化計(jì)算)、框支剪力墻、開(kāi)有不規(guī)則大洞口的墻。剪力墻結(jié)構(gòu)的局限性在于剪力墻間距不能太大，故平面布置不靈活，而且結(jié)構(gòu)自重較大。

在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架與剪力墻兩者結(jié)合起來(lái)，共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系；如果把剪力墻布置成筒體，就構(gòu)成框架—筒體結(jié)構(gòu)體系。剪力墻剛度大，承擔(dān)大部分水平力，是抗側(cè)力的主體；框架則承擔(dān)豎向荷載，提供較大的使用空間。水平荷載作用下，框架呈剪切型變形，剪力墻呈彎曲型變形，兩者通過(guò)樓板連接形成框架—剪力墻鉸接體系，或通過(guò)樓板和連梁連接形成框架—剪力墻剛接體系(剛結(jié)端對(duì)墻肢有約束彎矩作用)，框架與剪力墻協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)呈彎剪型變形。在高層建筑結(jié)構(gòu)下部剪力墻的位移比框架要小，剪力墻拉框架；而在結(jié)構(gòu)上部剪力墻的位移比框架要大，框架拉剪力墻?？梢詫⒓袅σ曌飨露斯潭?、上端自由，承受外荷載和框架彈性反力的“彈性地基梁”，而框架就是其“彈性地基”?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)平面布置需注意這幾方面的問(wèn)題：增加剪力墻的數(shù)量及抗彎剛度，結(jié)構(gòu)剛度加大，地震作用就會(huì)隨之加大，因此剪力墻的數(shù)量不宜過(guò)多，而應(yīng)以滿足位移限制作為設(shè)置剪力墻數(shù)量的依據(jù)；剪力墻布置要對(duì)稱以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而且剪力墻靠近外圍布置可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭作用；應(yīng)貫通全高使結(jié)構(gòu)上下剛度連續(xù)均勻；在地震區(qū)縱橫兩個(gè)方向布置的剪力墻數(shù)量要盡量接近。

筒體的基本形式有實(shí)腹筒、框筒、桁架筒三種。(1)實(shí)腹筒用剪力墻圍成，實(shí)際上是一個(gè)懸臂箱形梁；(2)框筒由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成，受力特點(diǎn)較為復(fù)雜。由于連梁的柔性產(chǎn)生了剪力滯現(xiàn)象，使得角部柱子軸向應(yīng)力增加而中間柱子軸向應(yīng)力減小，角柱軸力大于平均值，遠(yuǎn)離角柱的各柱軸力小于平均值，這一作用使樓板產(chǎn)生翹曲，并因此而引起內(nèi)部間隔和次要結(jié)構(gòu)的變形，所以框筒結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)盡可能減少剪力滯后充分發(fā)揮材料作用；(3)桁架筒的四壁由豎桿和斜桿構(gòu)成的桁架組成。通常用框筒和桁架筒做為外筒，實(shí)腹筒做為內(nèi)筒，形成筒中筒結(jié)構(gòu)?？蛲矀?cè)向變形以剪切型為主，核心筒以彎曲型變形為主，二者通過(guò)樓板聯(lián)系，協(xié)同工作，共同抵抗水平力?？蛲埠屯仓型步Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮：要求設(shè)計(jì)密柱深梁，控制梁柱剛度比，梁線剛度大，柱密排；建筑平面宜接近方形，采用塔樓形式，長(zhǎng)寬比不應(yīng)大于2；結(jié)構(gòu)高寬比宜大于3，高度不宜低于60 m；選擇合適的樓板體系；在稀柱層與密柱層間要設(shè)置轉(zhuǎn)換層。

多筒體系采用多個(gè)筒體共同抵抗側(cè)向力，典型的有：兩個(gè)以上框筒或其它筒體排列在一起成束狀形成束筒，最著名的例子即是西爾斯大廈，利用框筒成束狀排列減小了剪力滯現(xiàn)象；利用筒體作為柱子，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨型梁相連形成巨型框架。

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