高層建筑常用結構體系的特點分析

【摘 要】超過一定層數或高度的建筑稱為高層建筑。隨著城市的不斷發展以及節約用地的需求，高層建筑得到了大力的推廣。文章主要分析了高層建筑常用的結構體系特點。

【關鍵詞】高層建筑;結構體系;特點

1.框架結構體系

框架結構是指以鋼筋混凝土澆搗成承重梁柱，再用預制的加氣混凝土、膨脹珍珠巖、浮石、蛭石、陶爛等輕質板材隔墻分戶裝配而成的住宅樓、商用樓等。比較適合高層和大面積結構的樓層施工[1]。框架結構體系是由豎向構件與水平構件通過節點連接而成，既承擔豎向荷載，又承擔水平荷載。框架結構建筑平面布置靈活，可以提供較大的建筑空間，也可以構成豐富多變的立面造型。但是框架結構抗側能力較弱，屬較柔結構，因此建筑高度受到限制。在水平荷載作用下，其內力分布特點是底層柱軸力、剪力、彎矩最大，由下往上減小，其變形規律是雖然柱的軸力引起的側移隨高度遞增，但由于框架結構的高度限制，仍以剪切型變形為主，底層之間變形最大，向上遞減。框架結構抗震效果較傳統的磚混結構要高，在地震作用下的震害多發生于柱端，邊柱破壞程度重于中柱，且以角柱最為嚴重。底層柱破壞早于以上各柱，而框架梁及節點通常震害較少。經過合理設計，鋼筋混凝土框架可以獲得良好的延性，即“延性框架”，但由于其層間變形較大，容易引起非結構構件的破壞。混凝土框架結構施工包括以下工序:軸線定位，柱鋼筋綁扎及支模架搭設，柱模板，柱混凝土，梁底模及梁筋，板底模及板筋，梁板混凝土。

2.剪力墻結構體系

剪力墻結構體系是由鋼筋混凝土墻體互相連接構成的承重墻結構體系，用以承受豎向荷載，抵抗水平荷載，同時亦兼作建筑物的圍護和內部空間的分隔構件。剪力墻結構體系集承重、抗風、抗震、圍護與分隔于一體，經濟合理地利用了結構材料，結構整體性強、抗側剛度大，側向變形小，在承載力方面的要求易于滿足，適于建造較高的建筑;抗震性能好，具有承受強烈地震而不倒的良好性能;用鋼量省;相比于框架結構，施工相對簡便快速。但是剪力墻結構體系墻體較密，使建筑平面布置和空間利用受到限制，很難滿足大空間建筑功能的要求;結構自重大，并且抗側剛度也較大，從而自振周期較短，導致須承受較大的地震作用。其受力特點隨著墻體上開洞方式，開洞大小的不同可以劃分為不同的剪力墻，具有不同的受力特點。

剪力墻的變形特點，當層數較低，墻體的高寬比小于1時，水平荷載作用下墻體以剪切型變形為主，當層數較高，高寬比大于4時，變形以彎曲型為主，為高寬比處于1～4之間時，變形呈現彎剪型特征。通過合理的設計及構造措施，剪力墻可以具備較好的延性，震害輕微，但是對于剪力墻結構的一種特殊形式—框支剪力墻結構情形就完全不一樣了。框支剪力墻結構就是底層大空間采用框架，上部標準層采用剪力墻的結構。由于這種結構的側向剛度在底層樓蓋處發生突變，在遭受地震作用時，往往由于底層框架剛度太弱、強度不足，側移過大、延性不足而出現破壞，甚至導致結構倒塌，所以在地震區通常不宜采用。

框架結構，往往因柱楞突出隔墻，妨礙美觀，影響使用；一般剪力墻結構，對于底部有停車場等公共設施的情況則矛盾很大，滿足不了建筑的使用功能;對于房屋高度不太大的小高層建筑，采用剪力墻結構會造成剛度過大，重量增加，導致地震反應過強，使得上部結構和基礎造價提高。以一般剪力墻結構為基礎，吸取框架結構的優點，使結構剛度調整到適宜的“短肢”剪力墻結構體系越來越多的受到人們的關注。短肢剪力墻結構體系墻肢較短，布置靈活；結構自重減輕，結構整體剛度小，地震作用力小;墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利;連梁跨高比較大，以受彎破壞為主，地震作用下首先在弱連梁兩端出現塑性鉸，能起到很好的耗能作用[2]。

3.框架一剪力墻結構體系

框架一剪力墻結構體系既能提供較大較靈活布置的建筑空間，又具有良好的抗震性能。如果把剪力墻布置成筒體，就組成了框筒結構。筒體的載力、抗扭能力均較單片剪力墻有較大提高，在結構上可以提高材料的利用率，在建筑布置上往往可以利用筒體作電梯間、樓梯間和豎向管道的信道。由于框架結構在水平荷載作用下變形呈剪切型而剪力墻則呈彎曲型。將框架與剪力墻經過連梁、樓板連結成一個協同工作的整體，使框架與剪力墻在同一樓層上的位移協調一致，側向變形將呈彎剪型。其上下各層變形趨于均勻并減小了頂點位移，同時框架各層剪力趨于均勻，各層梁柱截面尺寸和配筋也趨于均勻。

框架—剪力墻結構的底部，全部剪力由剪力墻承擔，而框架的底部剪力為零;框架與剪力墻頂部的剪力不等于零，框架頂端與剪力墻頂端各自受一等量反向的水平集中力作用;由于剪力墻剛度大，將承擔大部分水平力是抗側力的主體;框架則承擔豎向荷載，提供較大的使用空間。框剪結構在承受地震作用時可形成多道防線，剛度很大的剪力墻作為第二道防線，隨著剪力墻的開裂，剛度退化，框架在保持結構穩定及防止結構倒塌上發揮第一道防線作用。經過合理設計，框架剪力墻結構的延性是比較好的。由于剪力的剛度大，若數量多，從而結構自振周期變短，導致較大的地震作用，若數量不足，整體剛度過小，在地震作用下會出現過大的側向變形，從而導致嚴重的震害[3]。

4.筒體結構體系

筒體結構抗側剛度大，空間受力性能強，當建筑物的層數較多，高度大，抗震設防烈度高時，采用前述的幾種結構體系往往難滿足要求，建議采用筒體結構體系。筒體的基本形式有三種:實腹筒、框筒、析架筒。由剪力墻圍成的筒體稱為實腹筒。在實腹筒的墻體上形出許多規則排列的窗洞所形成的開洞筒體稱為框筒，它實際上是由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體。如果筒體的四壁是由豎桿和斜桿形成的析架組成，則稱為析架筒。

筒體結構的受力特點，以框筒為例，在于柱子的正應力并不符合平截面假定，而呈現曲線形分布的特點，在角柱及其附近柱的正應力大于理想臂。梁的正應力，而在中間區段柱的正應力則小于正應力。在整體彎曲作用下框筒柱正應力的這種兩邊大，中間小的現象稱為“剪力滯后”。剪力后的根源在于裙梁的柔性，因為在框筒中豎向力由角柱向中間柱的傳遞需要通過裙梁的剪力來完成，裙梁剛度的大小直接影響剪力滯后現象的輕重，當梁的剛度比柱的剛度大時，梁的剪力傳遞應力的能力較大，剪力滯后現象不嚴重，框筒能有效地發揮整體空間作用。梁較柔時，剪力滯后就較嚴重。另外框筒結構的長寬比及高寬比均會影響結構整體空間作用的發揮。長寬比越接近于1，高寬比大于3時才能充分發揮整體空間作用。由于裙梁截面高度一般很大，導致框筒成為強梁弱柱型結構，在地震作用下容易形成樓層屈服機制和柱鉸側移機構，對抗震不利。可以在裙梁中開設水平縫以改善其延性，這種橫縫裙梁確能使框筒保持較好的整體空間性能，且又可避免裙梁發生脆性剪切破壞，使框筒的抗震性能得到改善。

【參考文獻】

［１］李立軍.淺議高層建筑框架結構施工質量控制[J].河南建材，2010，1.

［２］奉光華.基于小高層住宅短肢剪力墻結構設計要點分析探討[J].四川建材.2009，3.

［３］李勇，孫麗杰.高層建筑結構特點、現狀及發展趨勢[J].黑龍江科技信息.2009，7.