高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系

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近些年来，建筑业有了突飞猛进的发展，城市规划设计中的高层建筑越来越广泛。它以其高度强烈地影响着规划、设计、构造和使用功能。就结构特性而言，高层建筑是必须着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物。设计高层建筑时，它的结构除在上述荷载组合下的强度、刚度和稳定性应予以保证外，还必须控制由风荷载（或地震水平作用）所产生的侧向位移，防止由此产生的结构的和非结构性材料的破坏；控制由风荷载造成顶部楼层的加速度反应，以使用户对摆动的感觉和不舒适感降到最低程度。这就需要设计师从一开始就应该以一个立体的概念设计为基础。

　　一、高层结构概念设计

　　（一）高层结构概念设计的三维层次

　　把房屋看成一个三维空间块体分层次来分析，对于复杂的高层，例如多塔机构也可以把它分成几块，分别研究其倾覆、刚度、承载力等问题，然后组合起来。首先，在方案阶段（I），可以把基本设计方案概念化，建立一个符合建筑空间三维形式的结构方案。在该阶段分析总结构体系的荷载和抗力关系；高宽比与抗倾覆；承载力和刚度；并预估基本分体系的相互关系。由于整个结构必然是由一些平面单元组成，因此在初步设计阶段（Ⅱ），要扩展方案，把那些体现初步设计基本要求的、主要是二维的平面体系包括进来，进行基本水平和竖向分体系的总体设计，从而得到主要构件及其相互的关系。而在最后的第Ⅲ阶段，即施工图设计阶段，处理一维的构件设计，具体设计所有分体系的构件、连接和构造详图，对第Ⅱ阶段做出的粗略决定进行细化。

　　对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件，承受水平侧向荷载和竖向重力荷载的作用。侧向荷载是由风吹向建筑物引起的水平压力和水平吸力，或者是由地震时地面晃动引起的水平惯性力。重力荷载则是建筑物自身的总重力荷载。这些侧向荷载和重力荷载的组合，趋向于既可能将它推倒（受弯曲），又可能将它切断（受剪切），还可能使它的地基发生过大的变形，使整个建筑物倾斜或滑移。对抗弯曲而言，结构体系要做到不使建筑物发生倾覆，其支撑体系的构件不致被压碎、压屈或拉断，其弯曲侧移不超过弹性可恢复极限；对抗剪切来说，结构体系要做到不使建筑物被剪断，其剪切侧移不超过弹性可恢复极限；对地基和基础来说，结构体系的各支撑点之间不应发生过大的不均匀变形，地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不引起水平滑移。由于风力和水平地震作用力对于高层建筑是动荷载，使建筑结构抗弯曲和抗剪切时都处于运动状态，就会导致建筑物中的人有震动的感觉，使人有不舒服感。如果建筑物晃动得太厉害，还会使非结构构件（如玻璃窗、隔墙、装饰物等）断裂，甚至危及屋外行人的安全。所以，高层建筑结构要避免过大的震动。例如：在建造机关事务局12层的办公综合楼，它长48m、宽18m、高36m。建筑物两边各有9根柱，横行柱距为18m，纵向柱距为6m，中央有一个6×12m的电梯和管道井筒。考虑水平荷载的传递有几种不同方式，进行结构方案优选，分析两种结构方案：一种为仅由核心筒承受水平力，外柱仅承受大部分竖向荷载，不抵抗水平力，梁和柱铰接；一种为纵横两个方向柱和梁刚接形成框架，来抵抗纵横两个方向的水平力。在方案一中：筒井所受的风荷载为1.4×6×8=67.2KN/m，竖向荷载近似为15120KN，井简墙自重为6×36×（6+12）×2=7776KN，可得抵抗倾覆弯矩的竖向荷载为22896KN。则可计算出合力偏心矩e=M/G=67.2×36×18/22896=1.9m，超过核心范围（6/6=1m），不满足稳定要求。必须加强、加宽基础或采用下部锚固，才能避免基础向上抬起。在方案二中：由横行跨度的框架承担全部水平力。因此，在一个方向风荷载作用下，总框架一侧柱子受压，另一侧柱子受拉，并可近似求得总压力或拉力为：67.2×36×18/18=2418.2KN，大致由每侧9根柱子平均分担2419.2/9=268，8KN/柱<7×3×9×10=1890KN，即比每根柱所承受的恒载小很多，基础不会向上抬起。因此方案二比方案一好，应采用方案二的结构。

　　二、高层建筑的结构体系

　　通过受力因素分析，下一步就考虑采用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可供选择，其结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架一剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，结合高层概念设计的三维层次考虑，选取合适的结构体系或其组合体系。

　　（一）框架结构体系

　　由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由梁联系起来，形成空间结构体系。框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业厅、教室等。需要时，可用隔断分割成小房间，或拆除隔断改成大房间，因而使用灵活。外墙采用非承重构件，可使立面设计灵活多变。但是框架结构本身刚度不大，抗侧力能力差，水平荷载作用下会产生较大的位移，地震荷载作用下较易破坏。不高于15层宜采用框架结构，可以达到比较好的经济平衡点。

　　（二）剪力墙结构体系

　　剪力墙结构体系是利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。墙体同时作为维护及房间分隔构件。剪力墙间距一般为3—8m，现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，适于建造较高的高层建筑。而且其抗震性能良好，在历次的地震中，都表现了很好的抗震性能，震害较少发生，程度也很轻微。但是剪力墙结构间距不能太大，平面布置不灵活，而且不宜开过大的洞口，自重往往也较大，不是很能满足公共建筑的使用要求，而且其成本也较大。

　　（三）框架一剪力墙结构体系

　　框架一剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成。剪力墙作为主要的水平荷载承受的构件，框架和剪力墙协同工作的体系。在框架一剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙承担大部分水平力（有时可以达到80%~90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高。框架则承受竖向荷载，提供较大的使用空间，同时承担少部分水平力。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活；内筒采用滑模施工，外围的框架柱断面小、开间大、跨度大，很适合现在的建筑设计要求。

　　（四）筒中简结构体系

　　筒中筒结构体系由一个或多个简体为主抵抗水平力。通常简体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能。不论哪一种简体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。简中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但是由于它需要密柱深梁，当采用钢筋混凝土结构时，可能延性不好，而且造价昂贵。

　　除了上述的几种结构体系外，还有其他一些结构体系，如薄壳、膜结构、网架等。随着时代的进步，会涌现出越来越多更好的结构体系。这就需要不断学习，从各方面考虑运用经济合理的手段到达目标。