浅谈高层建筑竖向承重结构体系

浅谈高层建筑竖向承重结构体系摘要：本文重点论及若干种高层建筑结构体系，归纳了各种竖向承重结构体系的特点，优缺点，受力情况，以及基础选型。为突出各种竖向承重结构体系的特点，本文还对一些竖向承重结构体系进行了对比。常用的竖向承重结构有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架-支撑(延性墙板)结构、筒体结构、框架核心筒结构、等。随着建筑物高度的越来越高、功能也越来越复杂化，高层建筑结构还需进行加强层、结构转换层等的设计。关键词：高层建筑；竖向承重；结构体系。1.框架结构由梁和柱组成的结构单元称为框架，而结构由所有纵向和横向负荷组成的结构称为框架结构。该框架结构的优点是建筑设计的灵活性和空间的大特别适用办公楼、教室、商店、住宅等。该框架结构也可以根据需要做成小空间的建筑。在一定高度范围上，成本低，计算理论成熟。但这个结构也有一定的缺陷：梁柱受水平荷载影响侧位移较大，有时侯也会影响正常地使用；例如框架结构房屋高宽比很大，水平负载的侧向位移很大，由此产生较高倾覆作用；为了满足侧向刚度要求，从而减少了空间的有效利用并导致材料的浪费，因此，在结构设计中应控制高宽度比，高层建筑采用框架结构是不合适的。通过对框架结构的合理设计，该框架结构可以成为一个耐久框架结构，具有高的能耗和变形能力，并具有更好的抗震性能。在过去二十年中，由于柱的大段而突出墙壁，Y、T、Z或横列组成的杂圆柱形结构发生了变化，以改进框架的传统结构。这种结构柱的截面宽度与填充壁的厚度相同，具有良好的使用功能，防震性能略低于常规框架结构。2.剪力墙结构垂直荷载由建筑物的墙支撑的抗侧力结构称为剪力墙结构。剪力墙在平面内具有很高的刚度，通常承受结构中的大部分水平力。与框架结构相比，它具有较高的侧向位移刚度、较低的水平力、良好的抗震性能和广泛的应用前景。墙内设置竖向钢骨、钢跟、钢管、钢板等。剪力墙能有效地提高剪力墙的抗震性能，且无梁、柱等外露构件，使墙体更加美观，便于安装和使用。采用大型滑模等先进的施工工艺，可大大缩短施工周期；由于楼板宽度的限制。其开间一般为3m-8m，不利于大空间的形成，从而限制了建筑方案的配置、交通布置和使用要求。剪力墙结构比较适用与有小房间的建筑例如于公寓、酒店等建筑，2.1框支剪力墙结构一些剪切墙结构由于建筑要求而不能直接落在地面上，然后通过框架梁将负载转移到框架柱上。此时的梁称为框支梁，柱称为框支柱，上面的墙称为框支剪力墙。当底层或底层的剪切墙转换成框架时，结构的侧刚度降低，层的剪切强度降低，并且形成软弱层。框架的支撑层在层之间更为变形，这可能导致底盘的关闭环，甚至整个建筑物的倒塌。对于抗震设计的部分框支剪力墙结构，底部大空间的层数不宜过多;应采取措施加大底部大空间的刚度。转换层的上下结构的横向刚度不应太低，地面剪切墙支撑的地震倾斜扭矩不应太低，应为地震倾斜总扭矩的50%。3.框架-剪力墙结构为了优化具有高侧移刚度的柔性平面结构和剪力墙结构的特性，当建筑物需要更多的空间和高于框架结构的合理高度时，可以使用一种框架和剪力墙一起工作的结构被称为框架剪力墙结构。3.1框架-剪力墙结构特点框架-剪切结构是双向侧向力结构。该结构中的剪切墙的刚度很高，并且支撑大多数层间剪切，该框架支撑相对较小的侧向力。如果碰到罕遇地震剪切墙耦合件首先倾向于屈服，由此降低剪切墙的刚度，并将一部分剪切墙的剪切力传递到框架上。在水平荷载效应下，通过框架和剪切墙之间的协调，沿着建筑物高度的层间移动更加均匀，并且每个层的梁部柱尺寸也更加均匀，从而提高框架结构和剪切墙结构的地震强度，以减少地震造成的损害。剪切墙结构可应用于10至20层的建筑物，如办公室、教育楼、医院和旅馆等建筑。3.2．板柱-剪力墙结构钢筋混凝土无梁楼板以及柱组成了板柱结构。板柱结构具有楼板的高度比较大、施工也相对来说比较方便、使用空间大、可灵活布置等特点。但柱节点的抗震性能低于梁柱节点：地震作用下柱端弯矩通过板柱节点传递。因此，在柱的周边板上可以得到更多的附加剪力和竖向荷载剪力，其楼板被破坏的可能性也相对较大在板柱结构中设置剪力墙或在建筑物与电梯之间设置钢筋混凝土井，形成剪力墙板柱结构，提高整个结构的刚度和强度以及抗震的性能。板柱剪力墙结构可用于抗震住宅结构抗震强度不超过8度的建筑中。电梯入口四周设梁座和梁。抗震墙或层的剪力墙必须能承受相应方向至少20%的地震剪力，且必须满足抗震结构的要求。4框架-支撑（延性墙板）结构4.1框架-支撑结构在框架中，支撑杆是通常用于钢结构。由框架和支撑框架一起支撑垂直和水平负载的支撑结构称为框架-支撑结构。框架支撑结构具有下述特性：斜杆支撑改变框架在水平作用下的受力性能。支撑框架形成垂直框架，其中所有元件在水平力下支撑轴向力。支撑框架的侧位移主要是由于元件的轴向变形，侧位移曲线的形状类似于弯曲的剪切墙侧移曲线。换句话说，层间位移角从上向下增加。杆件的轴向刚度大大高于元件的弯曲刚度，因此，支撑框架的抗侧刚度大大高于框架的抗侧刚度。在框架-支撑结构中，框架的刚度较低，支撑的水平剪切力较低，支撑框架的刚度较高，支撑的水平剪切力较高，从而形成双侧力系统。4.2框架-延性墙板结构由墙板取代钢支撑放入钢框架的结构被称为框架-延性墙。框架-延性墙的结构有以下主要特点：板是装配式的，在焊接处或螺栓与框架梁连接起来，嵌入框架内，在没有湿法施工的情况下施工。与目前铸成的剪力墙相比，预制板的刚度较小。由于钢骨架的刚度，板承受不了垂直载荷，仅受到由侧向力带来的剪力。5筒体结构当常规框架结构和框架支撑结构达到一定的高度时，每个附加的建筑材料层比中层和底层大得多。为确保高层建筑的经济可行性，建立了新的结构体系。二十世纪六十年代初期，由于社会的需求，美国工程师Fazlukhan创建了一个有效的筒体结构，包括框架筒、筒中筒等。随后出现了一些多筒及多重筒结构等结构。筒体以框筒和实腹筒和绗架的形式出现。被钢筋混凝土剪力墙包围的筒体被称为实腹筒，筒体由高横向密排柱和窗群梁包围，称为框筒，桁架筒体由筒体的四边墙做成桁架构成的。筒体结构是指具有一个或多个筒化结构的高结构。作为垂直支撑结构。5.1框筒结构框筒结构是由设置在建筑物周围的小柱距上，以及梁截面高的密柱深梁框架组成。框架结构是一种平面结构，主要由与水平力方向平行的抵抗层的剪力和倾覆力矩组成。筒化框架结构是一种空间结构，即四周框架全部参与抵抗水平力的。层剪切力由平行于水平力方向的腹板框架维持。另外，板架和垂直边架共同抵抗倾覆力矩。筒体结构的四个框架位于建筑物周围，形成一个抗侧能力强、扭转刚度高、强度高的外筒体。框筒结构的布置的关键之一就是要尽我们所能地减小剪力滞效应。框架结构不仅可以是钢结构、也可以是混凝土结构还可以是混合结构。框架结构可单独作为抗侧力结构使用。为了减少楼板和梁的长度，可以在结构的中心设置一些柱。框架区域中心的柱仅用于支撑垂直荷载而不是水平荷载。5.2桁架筒结构把一种绗架布置在建筑物的四周，这种桁架由稀柱，浅梁和支撑斜杆组成，就形成了桁架筒结构。钢桁架筒的柱与柱之间的距离是非常大的，支撑斜杆横跨了整个建筑面的一边长，也就是说整个跨越了数个楼层，由此形成了非常巨大的桁架。四片桁架围成桁架筒，相邻两个相对侧的支撑杆与角柱相对，确保了支撑力传输线的连续性，从而形成整体悬臂结构；水平力通过支撑斜杆的轴向力传到柱子和基础上。钢桁架筒结构能充分利用建筑材料而且刚度相对框筒结构较大，所以更适用于高层建筑。5.3筒中筒结构外筒和内筒组成了我们所说的筒中筒结构。外筒一般为框筒或者桁架筒，钢筋混凝土结构的内筒可以采用由剪力墙围成的实腹筒，钢结构的内筒则一般采用内钢桁架筒、钢支撑柜架或内钢框筒。内筒可设置竖向交通井及竖向管道井，同时加强了结构。因此，筒中筒结构的抗侧刚度和抗扭刚度相对来说也更大,适用高度相对于框筒结构也更大，成为78层以上超高层建筑的主要结构体系。内筒以实腹筒为主，主要以弯曲变形为主，具有更大的水平抗剪强度。它两个由楼板连接，能一起承受水平荷载。其工作原理与框架剪力墙结构相似。由于内外筒的协同工作，使结构的强度对侧向拉力的影响有增有减，这也导致了体在水平力作用下的剪力滞。筒中筒结构的平面形状可以是很多形状，以最大限度地利用内外筒之间的使用面积。内外筒之间一般情况下不放置柱子，但是跨度要是太大，就需要设置柱子，从而减少水平构件的跨度。内筒的长度约为外端长度的三分之一，高度的三分之一为1/15至1/12。其中，支撑框筒(桁架筒)核心筒结构体系轴向受力杆件的刚度较弯曲杆件的大，外支撑筒体刚度更大，无剪力滞后效应;因外筒承担的侧向力更大，故对内筒要求可放松，更为经济有效,但应注意保证外支撑筒体的延性。5.4束筒结构把两个或者是多个框筒排列在一起便形成了我们所说的束筒结构。束筒结构中的每一个框筒不仅可以是方形、或者矩形还可以是三角形等。多个框筒可以组成不同的平面形状,其中任一个框筒可以根据需要在任意高度处中止。束筒结构与单筒结构相比较.，在结构概念上有以下优点:在束筒结构中，筒体构件通过内筒体壁相互连接，形成多层筒体，增加了筒体的腹板，从而大大减小了横向荷载作用下的剪力滞效应，减小了剪力滞效应，大大统一了内柱的强度。其受力特性比单框筒更接近实壁筒体，适用于较大的平面。因束筒结构内力柱的受力性能变好，筒壁柱之间可以获得更大的距离。这增加了开窗的面积，而布置内框架轴线并不影响室内的一些设置。束筒结构的抗侧刚度远远大于单框架结构，束筒结构的抗剪和抗扭能力都比但框架结构要大得多，所以采用束筒结构比单框架结构建筑的高度要大的多。束筒结构的筒格沿高度线连续截断，大大降低了建筑物顶部所受的风荷载。束筒结构加上外伸臂桁架还有周边桁架提高了抗侧刚度和抵抗竖向变形的强度。6．框架-核心筒结构20世纪60-80年代超高层建筑的主要采用了筒中筒结构，但是筒中筒结构中的密柱以及深梁却使建筑外形看起来非常的呆板，而且窗口小还非常地小，导致室内光线昏暗，不仅如此而且建筑的外形也都大致差不多过于单一。为了解决上述问题,加大外框筒的柱距，减小梁的高度,周边形成稀柱框架,框架核心筒结构便登上了历史的舞台。如果采用了大截面柱，框架-核心筒结构中的外框架柱与柱之间的间距可以达到8~9m远，因为柱与柱之间距离的增大随之而来的是布置方式变得多种多样,所以之前框架-核心筒窗户小的问题也得到了改进，当然外观也开始变得多种多样。如果运用无黏结预应力楼板或钢混凝土楼板，外框架与核心筒它们之间的距离可达10m以上，这样一来不仅采光问题得到改善，而且空间上也变得更加的大，也方便布置更多的东西。框架核心筒结构的周边框架与核心筒之间可以利用的空间比较大，这一点与筒中筒结构非常之类似.所以它经常被建成写字楼、多功能建筑。框架-核心筒结构不但可以采用钢筋混凝土结构、而且可以采用钢结构除此之外还可以采用混合结构。什么是混合结构呢，它就是由钢构件、钢筋混凝土构件、组合构件他们之间互相组合，前提是两个或者两个以上互相组合，由此便形成了混合结构。内外筒之间的楼板梁连接一般采用铰接发音一般来说，在框架-核心筒结构中，他的外围框架是所述框架-核心筒的无空间作用平面框架，与框架-剪力墙非常地相似。此结构除了四周有剪力墙，建筑物和电梯间也有分隔墙壁。核心筒的刚度和支撑力很强，是侧向力的主体，支撑着大多数侧向力；外框架作为第二道防线，支撑着最小的剪切百分比。巨型柱柱也可用于框架筒体结构的外部或角度。当建筑物较大时，为了增加结构的抗侧移刚度和进一步减少层之间的移动，还提供了加强层，如外伸臂桁架与周边带状桁架等。在核心筒和框架柱之间的水平臂构件可以利用遮蔽层和建筑物设备层的空间设置，以增加外围框架柱的抗倾覆力矩。如果某一楼层设置了伸臂构件那么我们就叫它加强层。为了逐步提高结构刚度，还可以在加强层上安装带周边部件。7.结束语竖向承重结构体系承受水平承重