高層建筑結構體系研究分析

盧志瑋

（東莞市建青建筑設計有限公司，廣東 東莞 523000）

1 框架結構體系

與多層框架結構體系相似，高層建筑中框架結構體系也由縱、橫向框架所組成，形成空間框架結構，以承受豎向荷載和水平力的作用。與其他高層建筑結構體系相比，框架結構具有布置靈活、造型活潑等優(yōu)點，容易滿足建筑使用功能的要求，如會議廳、休息廳、餐廳和貿(mào)易廳等的布置。同時，經(jīng)過合理設計，框架結構可以具有較好的延性和抗震性能。但框架結構構件斷面尺寸較小，結構的抗側(cè)剛度較小，水平位移大。在地震作用下容易由于大變形而引起非結構構件的損壞，因此其建設高度受到限制，一般在非地震區(qū)不宜超過60m，在地震區(qū)不宜超過50m。

2 剪力墻結構體系

剪力墻結構是利用建筑物的外墻和永久性內(nèi)隔墻的位置布置鋼筋混凝土承重墻的結構，剪力墻既能承受豎向荷載，又能承受水平力。一般來說，剪力墻的寬度和高度與整個房屋的寬度和高度相同，寬達十幾米或更大，高達幾十米以上。而它的厚度則很薄，一般為160～300mm，較厚的可達 500mm。

剪力墻的主要作用是承受平行于墻體平面的水平力，并提供較大的抗側(cè)力剛度，它使剪力墻受剪且受彎，剪力墻也因此而得名，以便與一般僅承受豎向荷載的墻體相區(qū)別。在地震區(qū)，該水平力主要由地震作用產(chǎn)生，因此，剪力墻有時也稱為抗震墻。

剪力墻的橫截面(即水平面)一般是狹長的矩形。有將縱橫墻相連，則形成工形、Z形、L形、T形等。剪力墻厚度不應由小于樓層高度的1/25及160mm，前者主要是為了防止剪力墻在兩層樓蓋之間發(fā)生失穩(wěn)破壞，后者主要是為了保證墻體混凝土澆筑的施工質(zhì)量。當建筑物高度較大時，剪力墻厚度不應由其承載力的抗側(cè)剛度決定。剪力墻上常因開門開窗、穿越管線而需要開有洞口，這時應盡量使洞口上下對齊、布置規(guī)則，洞與洞之間、洞到墻邊的距離不能太小。避免在內(nèi)縱墻與內(nèi)橫墻交叉處的四面墻上集中開洞，形成十字形截面的薄弱環(huán)節(jié)。

剪力墻結構常被用于高層住宅和旅館建筑中，因為這類建筑物的隔墻位置較為固定。從建筑體型看，高層建筑可分為板式與塔式兩種。

因為地震對建筑物的作用方向是任意的，因此，在建筑物的縱橫兩個方向都應布置剪力墻，且各榀剪力墻應盡量拉通對直。

在豎向，剪力墻應伸至基礎，直至地下室底板。避免在豎向出現(xiàn)結構剛度突變。但有時，這一點往往與建筑要求相矛盾。例如，在沿街布置的高層住宅中，往往要求在建筑物的底層或底部若干層布置商店，以方便居民購物，滿足城市規(guī)劃中商業(yè)網(wǎng)點的布局要求，在結構布置時，可將部分剪力墻落地、部分剪力墻在底部改為框架，即成為框支剪力墻結構。

這時就整個結構受力性能而言，與剪力墻結構體系有所不同，故常稱為底部大空間剪力墻結構。

在進行底部大空間剪力墻結構布置時，應控制建筑物沿高度方向的剛度變化不要太大。因為部分剪力墻在底部被取消，從而使結構剛度突然受到削弱，這時應采取措施，例如增加落地剪力墻的厚度，提高落地剪力墻的混凝土強度等級，把落地剪力墻布置成筒狀或工字形等來增加結構底部的總抗側(cè)剛度，使結構轉(zhuǎn)換層上下剛度較為接近。同時應控制落地剪力墻的數(shù)量與間距，框支剪力墻榀數(shù)不宜多于同一方向上全部剪力墻榀數(shù)的50%，落地剪力墻的間距不宜大于建筑物寬度的2.5倍。此外要提高轉(zhuǎn)換層附近樓蓋的強度及剛度，板厚不宜小于180mm，混凝土強度等級不宜低于C30級，并應采用雙向上下配筋率不宜小于0.25%。

剪力墻結構在豎向荷載作用下受力情況較為簡單，各榀剪力墻分別承受各層樓蓋結構傳來的作用力，剪力墻相當于一受壓柱。在水平荷載作用下，剪力墻的受力較為復雜，其受力性能主要與開洞大小有關。當剪力墻開洞較小時，剪力墻的整體工作性能較好，整個剪力墻猶如一個豎向放置的懸臂桿，剪力墻截面內(nèi)的正應力分布在整個剪力墻截面高度范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性分布或接近于線性分布。這類剪力墻稱為整截面剪力墻。如果剪力墻開洞面積很大，聯(lián)系梁和墻肢的剛度均比較小，整個剪力墻的受力與變形墻稱為壁式框架。幾乎每層墻肢均有一個反彎點，這類剪力墻稱為壁式框架。當剪力墻開洞介于兩者之間時，則剪力墻在側(cè)向荷載作用下的受力特性也介于上述兩者之間。這時整個剪力墻截面上的正應力不再呈線性分布，由于聯(lián)系梁的抗彎剛度的作用，會在墻肢頂部的某幾層內(nèi)產(chǎn)生反彎點，但在底部一般不會有反彎點出現(xiàn)，墻肢內(nèi)的彎矩分布不再像懸臂桿一樣呈光滑的拋物線，而呈鋸齒狀分布。根據(jù)邊梁剛度的大小，這一范圍內(nèi)的剪力墻可分為整體小開口剪力墻和雙肢剪力墻。另外，如聯(lián)系梁的剛度很小，僅能起到傳遞推力的作用，而墻肢的剛度相對較大，則聯(lián)系梁對墻肢彎曲變形的約束作用很小，僅能起到傳遞推力的作用，每個墻肢相當于一個肢共同承擔，每個墻肢的正應力呈線性分布。

3 框架剪力墻結構

框架剪力墻結構體系是由框架和剪力墻共同作為承重結構的受力體系。它克服了框架結構抗側(cè)力剛度小的缺點，彌補了剪力墻結構開間過小的缺點，既可使建筑平面靈活布置，又能對常見的30層以下的高層建筑提供足夠的抗側(cè)剛度。因而在實際工程中被廣泛應用。框架剪力墻結構布置的關鍵是剪力墻的數(shù)量及位置。從建筑布置角度看，減少剪力墻數(shù)量則可使建筑布置更靈活。但從結構的角度看，剪力墻往往承擔了大部分的側(cè)向力，對結構抗側(cè)剛度有明顯的影響，因而剪力墻數(shù)量不能過少。

為了保證框架與剪力墻能夠共同承受側(cè)向荷載作用，樓蓋結構在其平面內(nèi)的剛度必須得到保證。當在側(cè)向荷載作用下，樓蓋結構可看成是一根水平放置的深梁，協(xié)調(diào)各榀框架和剪力墻之間的變形，要保證框架與剪力墻在側(cè)向荷載作用下變形一致。

剪力墻應沿房屋的縱橫兩個方向均有布置，以承受各個方向的地震作用與風荷載，橫向剪力墻宜布置在房屋的平面形狀變化處、剛度變化處、樓梯間及電梯間，以及荷載較大的地方。同時，剪力墻應盡量布置在建筑物的端部附近。

框架剪力墻結構在豎向荷載作用下共同承受各層樓蓋結構所傳來的荷載，對于現(xiàn)澆樓蓋一般可按受荷面積分配。在側(cè)向荷載作用下，總的荷載在各榀框架與剪力墻之間就不能按受荷面積分配，建筑平面兩道剪力墻只有1/4的受荷面積，而事實上，大部分荷載是由剪力墻結構承擔的。

結構一般采用協(xié)同工作原理，即把樓蓋結構平面內(nèi)的剛度成為無窮大，在結構發(fā)生側(cè)向變位時，樓蓋結構僅作剛體位移。在沒有扭轉(zhuǎn)的情況下(荷載對稱、結構布置對稱)可把所有的框架等效成一綜合剪力墻，綜合框架與綜合剪力墻之間用剛性連桿。這樣就把實際的空間結構簡化成平面結構分析。

很顯然，作用在整個空間剪力墻結構上的荷載由綜合剪力墻與綜合框架共同承擔，但是外荷載在綜合剪力墻與綜合框架之間的分配，沿高度方向是變化的。在結構頂部，框架承受較大的外荷載，剪力墻可能會受到與外荷載作用方向相反的力的作用，而在結構的底部，剪力墻承受較大的外荷載，框架所受到的作用力與外荷載的作用方向相反。

【1】梁啟智.高層建筑結構分析與設計【M】.廣州：華南理工大學出版社，1992.