高层建筑结构概念和体系综述

高层建筑结构概念和体系综述

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摘要：本文综合阐述了高层建筑结构的基本概念及其概念设计要点，简要概述了高层建筑五种常见的结构体系：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、筒体结构、多筒体系，简要分析了高层建筑结构的概念和体系。

关键词：高层建筑结构；结构概念；结构体系

与低层、多层建筑结构相比，高层建筑结构因层数增多和高度增大而承受更大的竖向荷载，使墙柱轴向变形增加，承载力要求更高；同时水平作用如风荷载和地震作用成为结构设计的控制因素，侧向力产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。高层建筑结构在均布水平荷载作用下，竖向平面构件的弯矩与建筑的总高度呈二次方关系，侧向位移与总高度呈四次方关系。过大的侧向位移会使人感觉不舒服，使填充墙、建筑装修等非结构构件和剪力墙、承重墙、柱等结构构件出现裂缝和破坏，使竖向荷载由于P-Δ效应而产生显著的附加弯矩甚至引起倒塌，于是抗侧力结构的设计成为高层建筑结构设计的关键。

在高层建筑中，有框架、剪力墙、筒体等竖向抗侧力结构，有水平放置的楼板将它们连成整体，共同作用。在结构计算中，通常假定一片框架或墙在其自身平面内刚度很大而在其平面刚度很小，水平放置的楼板同样也可视为刚度无限大的平板，刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共同承受侧向水平荷载。可将建筑结构体系划分竖向分体系和水平分体系，竖向分体系包括框架柱、承重墙、剪力墙、核心筒等，承受竖向荷载作用并将之直接传递给基础，提供抗侧力抵抗水平荷载作用，水平分体系将各竖向分体系构件连成整体，具有整体结构性能，使建筑结构整体共同作用。

高层建筑的概念设计的一方面是从建筑物的平面形状、剖面和总体型着手。首先是控制结构高宽比，目的是控制结构刚度及侧向位移。考虑选择合理的结构平面形状，尽量规则、简单、对称，减少复杂受力和扭转受力。值得注意的是当建筑物长度较大时，在风力作用下，可能因风力不均及风向紊乱引起结构扭转、楼板平面挠曲，因此应当限制建筑长宽比。结构布置形式要对抗震有利，要使结构的刚度中心和质量中心尽量重合以减小扭转，要注意刚度的均匀对称，控制结构凸出部分的尺寸比例不使应力集中程度过大。在结构的竖向布置上也应注意刚度均匀而连续，要尽量避免刚度突变或结构不连续，底层柔上部刚的结构使结构变形集中在底层导致结构倒塌，下部刚度大而到顶部刚度突然减小的结构容易产生“鞭梢”效应；结构竖向体型应力求规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，对薄弱部位如转换层尚应采取有效的抗震或构造措施。此外，高层建筑应当避免设缝，并从总体布置和构造上采取一些相应的措施来减小沉降、温度收缩和体型复杂引起的问题，如采用平面布置简单、长度不大的塔式楼，加强结构整体性。

常见的高层建筑结构体系有五种：框架结构体系，剪力墙结构体系，框架-剪力墙结构体系，筒体结构，多筒体系。

框架结构由框架梁和框架柱组成，其最大优点是建筑平面布置灵活，可以做成较大空间，也可用隔断分隔成小房间，墙体采用多孔或空心砖墙、轻质隔墙、玻璃幕墙隔断等非承重构件，相较混凝土墙体降低了结构自重。在水平力作用下，框架结构的侧移可分解为由两部分组成：一部分侧移由柱和梁的弯曲变形产生，框架下部梁柱内力大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小，使整个结构呈现剪切型变形；一部分由柱的轴向变形产生，即柱的拉伸和压缩使结构出现侧移，这种侧移在上部各层较大，愈到底层层间变形愈小，使结构呈现弯曲型变形。框架结构以柱梁弯曲变形产生的侧移为主，呈现剪切型变形。梁柱的截面尺寸决定着框架的抗侧移刚度，而通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，这是框架结构的主要缺点，基于此通过“延性框架”设计可使框架获得良好的延性，从而具有较好的抗震性能。

剪力墙结构利用建筑物钢筋混凝土剪力墙墙体承受竖向荷载、抵抗水平作用，因其整体性好，刚度大，水平荷载作用下侧向变形小，而广泛应用于高层建筑，尤其是高层住宅。剪力墙结构侧向位移呈弯曲型变形，按开洞情况、受力特点（承受的整体弯矩和局部弯矩）、计算方法不同可分类为整体墙和小开口整体墙（基本上采用材料力学计算方法）、双肢剪力墙和多肢剪力墙（可采用连续连杆法分析计算，对壁式框架可按带刚域框架简化计算）、框支剪力墙、开有不规则大洞口的墙。剪力墙结构的局限性在于剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，而且结构自重较大。

在框架结构中设置部分剪力墙，使框架与剪力墙两者结合起来，共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系，简称框剪结构；如果把剪力墙布置成核心筒体，就构成框架—筒体结构体系。剪力墙刚度大，承担大部分水平力，是抗侧力的主体；框架则承担竖向荷载，提供较大的使用空间。水平荷载作用下，框架呈剪切型变形，剪力墙呈弯曲型变形，两者通过楼板连接形成框架—剪力墙铰接体系，或通过楼板和连梁连接形成框架—剪力墙刚接体系（刚结端对墙肢有约束弯矩作用），框架与剪力墙协同工作，共同抵抗水平荷载，框架—剪力墙结构呈弯剪型变形。在高层建筑结构下部剪力墙的位移比框架要小，剪力墙拉框架；而在结构上部剪力墙的位移比框架要大，框架拉剪力墙。可以将剪力墙视作下端固定、上端自由，承受外荷载和框架弹性反力的“弹性地基梁”，而框架就是其“弹性地基”。框架—剪力墙结构平面布置需注意这几方面的问题：增加剪力墙的数量及抗弯刚度，结构刚度加大，地震作用就会随之加大，因此剪力墙的数量不宜过多，而应以满足位移限制作为设置剪力墙数量的依据；剪力墙布置要对称以减少结构的扭转效应，而且剪力墙靠近外围布置可以加强结构的抗扭作用；应贯通全高使结构上下刚度连续均匀；在地震区纵横两个方向布置的剪力墙数量要尽量接近。

筒体的基本形式有实腹筒、框筒、桁架筒三种。实腹筒用剪力墙围成，实际上是一个悬臂箱形梁；框筒由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成，受力特点较为复杂，由于连梁的柔性产生了剪力滞现象，使得角部柱子轴向应力增加而中间柱子轴向应力减小，角柱轴力大于平均值，远离角柱的各柱轴力小于平均值，这一作用使楼板产生翘曲，并因此而引起内部间隔和次要结构的变形，所以框筒结构的布置应尽可能减少剪力滞后充分发挥材料作用；桁架筒的四壁由竖杆和斜杆构成的桁架组成。通常用框筒和桁架筒作为外筒，实腹筒作为内筒，形成筒中筒结构。框筒侧向变形以剪切型为主，核心筒以弯曲型变形为主，二者通过楼板联系，协同工作，共同抵抗水平力。框筒和筒中筒结构的设计需考虑以下几个方面：要求设计密柱深梁，控制梁柱刚度比，梁线刚度大，柱密排；建筑平面宜接近方形，采用塔楼形式，长宽比不应大于2；结构高宽比宜大于3，高度不宜低于60m；选择合适的楼板体系；在稀柱层与密柱层间要设置转换层。

多筒体系采用多个筒体共同抵抗侧向力，典型的有：两个以上框筒或其它筒体排列在一起成束状形成成束筒，最著名的例子即是西尔斯大厦，利用框筒成束状排列减小了剪力滞现象；利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连形成巨型框架。

实际工程中需根据建筑类型（住宅或公建）、高度、使用功能等选择合理适用的结构体系。一般高层住宅常选用剪力墙结构体系，高层公建多选用框架结构体系或框架—剪力墙结构体系，超高层建筑多采用筒体结构或钢-混凝土组合结构体系。

参考文献：

[1]《新编高层建筑结构（第二版）》包世华编著

[2]《结构概念和体系（第二版）》[美]林同炎S.D.斯多台斯伯利著高立人、方鄂华、钱稼茹译

[3]《基本概念体系·建筑结构基础》郑琪编著

[4]《建筑结构选型》张建荣主编

[5]《高层建筑结构概念设计》高立人等著