高层建筑结构体系的发展

1、高层建筑结构体系的发展摘要：本文简要介绍了高层、超高层建筑的结构体系，以及结构体系的 特点及应用,文章分析高层建筑结构的六个特点，并介绍目前国内高层建筑的四 大结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构。关键词：高层建筑；结构特点；结构体系1绪论钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来 越大，在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑；同时高强度钢材应运而生， 在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步 刖进。超高层建筑的发展体现了发达国家的建筑科技水平、材料工业水平和综合技 术水平，也是建设部门财力雄厚的象征。我国的高层与超高层

2、钢结构建筑自改革开放以来已有20年的历史，并在设 计和施工中积累了不少经验，已有我国自行编制的高层民用建筑钢结构技术规 程JGJ 99-98.高层及超高层结构体系对于高层及超高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑 抗震设计规范、建筑防火设计规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过 24m为高层建筑，建筑总高度超过60m为超高层建筑。对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场 地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系， 一般分为六大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架一剪力墙结构体系、框 一筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。近些年来

3、，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。2高层建筑结构设计特点对于高层建筑结构，可以设想成为一个从地基升起的竖向悬壁构件，承受水

4、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

5、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。2.1水平荷载成为决定因素.一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数 值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由 此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定 高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值

6、，而作为水平荷载的风荷载和地震作用， 其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。2.2轴向变形不容忽视高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会 对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之 和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变 形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件 竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。2.3侧移成为控制指标与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高 度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的 侧移应被

7、控制在某一限度之内。2.4结构延性是重要设计指标相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。 为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要 在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够延性。2.5高层建筑的结构体系对抗震的要求（1）高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求：1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷 载和地震作用的能力；应避免连续倒塌；3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施。（2）高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：1）结构的竖向和水平布置宜具有合理

8、的刚度和承载力分布，避免因局部突变 和扭转效应而形成薄弱部位；2）宜具有多道抗震防线3高层建筑的结构体系3.1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。3.2剪力墙结构体系剪力墙

9、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38m，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。3.3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。

10、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。3.4筒中筒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。筒中 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。高层建筑发展到今天.其结构体系形式繁多，划分的标准