试论高层建筑结构体系及其特点

1、剪力墙结构体系。剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。剪力墙的主要作用在于提高整个房屋的抗剪强度和刚度，墙体同时也作为维护及房间分格构件。其特点是整体性好，侧向刚度人，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。历史地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较少发生，而且程度也较轻微，在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不太大的特点，而且可以使房间不露梁柱，整齐美观。缺点是不能提供大空间房屋。结构延性较差。当地下室或下部一层、几层，需要大空间时(如商场、停车库等)即形成部分框支剪力墙结构。在框架.剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身宿舍。为了适用任何方向的水平力(或地震作用)，因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置;对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置;三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。

2、框架结构体系。框架结构体系是由梁和柱这两类构件通过刚节点连接而成的。当整个结构单元所有的竖向和水平作用完全由框架承担时，该结构体系成为框架结构体系。有钢筋混凝土框架、钢框架和混合结构框架三类。由梁、柱、基础构成平面框架，它是主要承重结构，各平面框架再由连系梁连系起来，即形成一个空间结构体系，它是高层建筑中常用的结构形式之一。框架结构在水平荷载作用下，将产生较大的侧向位移。侧向位移由两部分组成：第一部分是由梁和柱的弯曲变形引起;第二部分由柱的轴向变形引起。在水平荷载作用下，柱产生拉伸和收缩变形，从而引起侧向变形。其中，第一部分的侧移是主要的，并随着结构高度的增加而增大。由框架侧向变形图可见，框架结构在水平荷载作用下，在不考虑扭转影响的情况下，层间位移在结构的底部较大，在结构的上部相对较小，由底部到顶部有逐渐减小的趋势其侧移曲线称为剪切型分布。

框架结构体系优点是：框架结构体系具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构。同时框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期。结构自重轻，计算理论也比较成熟，在一定高度范围内造价较低。

框架结构的缺点是：框架结构体系的缺点为：①框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性;②对于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱由水平荷载所产生的弯矩亦显著增加，从而导致截面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置和空间处理，就可能带来困难，影响建筑空间的合理使用，在材料消耗和造价方面，也趋于不合理。

3、框架—剪力墙结构体系。由于框架结构的主要特点是能获得大空间的房屋，房间布置灵活。而其主要弱点是侧刚度较小，侧移较大。而剪力墙结构侧向刚度大，可减小侧移。但是全剪力墙结构无法布置大空间房屋。因此，框架.剪力墙结构体系恰好是对两者取长补短，既能布置大空间房屋与小空间房屋，布置灵活，又具有较大的侧向刚度，弥补纯框架结构之小足，所以广泛用于层数较多、房屋总高较高的建筑，而且可以灵活布置大小空间房间，适应较多的建筑功能要求。在框架结构中布置一定数量的剪力墙，可以组成框架—剪力墙结构，这种结构既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，因而广泛地应用于高层建筑中的办公楼和旅馆。

4、筒体结构体系。由剪力墙围成筒状，构成空间薄壁实腹筒体，或由框架通过加密柱子形成密排柱，加大框架梁的截面高度以加大刚度，形成空间整体受力的非实腹筒体—框筒，或由四个平面桁架组成的空间桁架形成的非实腹筒体—桁架筒。简体结构包括框架一核心筒结构与筒中筒结构。框架一核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成。一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内; 其他需较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。由于核心简实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构具有更好的整体性与抗侧刚度。框架 - 核心筒结构体系适用于高度较高，功能较多的建筑。筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成。空腹外筒由密排柱及高度较大的横梁组成。筒中筒结构体系具有更大的整体性与侧向刚度，因此适用于高度很大的建筑。如果将若干筒体组合成成组筒结构体系，则侧向刚度更大，可适用于特别高的超高层建筑。随着建筑层数、高度的增长和抗震设防要求的提高，以平面工作状态的框架、剪力墙来组成高层建筑结构体系，往往不能满足要求。这时可以由剪力墙构成空间薄壁筒体，成为竖向悬臂箱形梁，加密柱子以增强梁的刚度，也可以形成空间整体受力的框筒，由一个或多个筒体为主抵抗水平力的结构称为筒体结构。

除以上介绍的几种结构体系外，还有其他一些结构形式，也可应用，如薄壳、悬索、膜结构、网架等，不过目前应用最广泛的还是框架、剪力墙、框架—剪力墙和筒体等四种结构。

二、高层建筑结构设计的特点

(一)抗震设计要求更高?

高层建筑和 6+1 结构的楼房相比，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，更应该把抗震性考虑进去，在设计结构中必须加强这方面的考虑，有抗震设防的高层建筑结构设计，做到小震不坏、大震不倒。

(二)减轻高层建筑自重比多层建筑更为重要

高层建筑由于自身的高度，决定了它不能有太重的重量，减轻自身的重量是高层建筑必须做的事情，高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基的情况下，减轻房屋自重意昧着不增加基础造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层有突出的经济效益。

(三)概念设计与理论计算同样重要

抗震设计可以分为概念设计和计算设计两大部分。高层建筑结构的抗震设计计算是在一定的假想条件下进行的，尽管分析手段不断提高，科技水平不断提高，分析的原则不断完善，但由于地震作用的复杂性和不确定性，出现高层建筑局部破坏的现象时有发生，可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多，尤其是当结构进入弹塑性阶段之后，会出现构件局部开裂甚至破坏，这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明，在设计中把握好高层建筑的概念设计也是很重要的。

(四)轴向变形不容忽视

采用框架体系和框架—剪力墙体系的高层建筑中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种轴向变形的差异将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁中间支座沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

三、结语

总之，在高层建筑结构设计中，结构工程师应根据结构方案的具体实际情况，作出合理的结构方案选择，只有这样才能使设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的基本原则。

参考文献

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