高層建筑結構概論

譚業文

【摘要】本文主要論述了高層建筑上部結構形式，接受了包括框架結構、剪力墻結構、框剪結構、筒體結構等常見結構形式的特點，簡要說明了其優缺點，布置要求以及適用范圍。

【關鍵詞】高層建筑；上部結構形式

文章編號:ISSN1006—656X(2013)06?-0179-01

一、高層建筑發展現狀

隨著人口的日益增加，城市商業以及住宅用地日趨緊張，傳統建筑形式已經無法滿足社會發展的需求，在這種情況下高層建筑應運而生。19世紀末，隨著科學技術快速發展，混凝土以及鋼結構逐漸取代磚、石、木等傳統的建筑材料，使房屋建筑高度的增加、層數的增多、跨度的增大成為可能，此時在1931年美國建成紐約帝國大廈，其成為現代意義上的高層建筑的里程碑。1985年以來，中國、日本、韓國、馬來西亞等國迅速發展了高層以及超高層建筑，其中不乏位于世界高層建筑排行前列的超高層建筑。

自上世紀90年代開始，亞洲高層建筑迅猛發展，其高層建筑在世界前100高層建筑所占數量已經接近三分之一。目前，中國正在建設的摩天大樓總數量已經超過200座，相當于美國現有同類摩天大樓的總數。未來3年，平均每5天將有一座摩天大樓在中國封頂。5年后，中國的摩天大樓總數將超過800座，達到現今美國總數的4倍。因此可以推斷21世紀,亞洲將成為高層建筑發展的中心地區而中國將成為高層建筑發展的核心地帶。

二、高層建筑結構主要形式及適用范圍

（一）框架結構

框架結構，是由縱梁、橫梁和柱組成的結構，這種結構是梁和柱剛性連接而成骨架的結構?？蚣芙Y構只能承受自身平面內的水平力，因此采用框架結構時在建筑的兩個主軸方向都要設置框架結構，在水平荷載作用下，框架結構水平變形為剪切變形。

由于框架結構整體剛度偏柔，其具有良好的延性和耗能能力，有較好的抗震性能。其主要缺點是對于較高的建筑，框架結構頂層水平偏大，梁柱截面尺寸偏大，減小了有效建筑面積。因此，目前框架結構主要用于隔間較多的飯店、辦公樓、住宅、醫院病房樓等10層以下的小高層建筑中。

在結構布置上，框架結構要盡量避免單跨框架的出現，其會造成結構冗余度不夠，削弱建筑結構的抗震性能；框架梁柱在強度上遵循強柱弱梁原則，兩者軸線宜重合，防止發生脆性破壞；填充墻在平面和豎向布置要盡量遵循均勻對稱要求，宜采用輕質墻體。

（二）剪力墻結構

剪力墻結構，其結構主體是由縱向、橫向的鋼筋混凝土墻所組成的，即結構采用剪力墻的結構體系。在剪力墻結構中水平荷載和豎向荷載主要通過剪力墻來承擔，此外剪力墻對建筑空間起到分割分配的作用。剪力墻結構的水平位移為彎曲變形為主。

剪力墻結構優點是整體性好，側向剛度大，適用于較高的高層建筑，水平力作用下側移小；由于沒有梁、柱等外露構件，從而不影響房屋的使用功能，有效建筑面積大。缺點是由于剪力墻間距的約束，使得建筑內部空間的劃分比較狹小，不能提供大空間房屋；結構剛度大，自振周期大，地震作用大，延性較差，對于抗震問題難以處理。因此剪力墻結構常用于建筑空間分格較多的賓館、住宅等高度在25～30層的結構。

剪力墻布置，要遵循均勻、分散、對稱和周邊的原則；剪力墻應沿房屋縱橫兩個方向布置；在平面剪力墻應盡可能均勻、對稱布置，保證結構剛度中心和質量中心重合，以減小扭轉，不能對稱時，應使結構的剛度中心和質量中心接近；在豎向布置上剪力墻應連續布置，使結構上下剛度連續、均勻；為安全起見，高層建筑結構不宜全部采用短肢剪力墻，短肢剪力墻較多時，應布置筒體，形成短肢剪力墻與筒體共同抵抗水平力的剪力墻結構；剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成鮮明的墻肢和連梁。

（三）框架—剪力墻結構

框架—剪力墻結構，又稱框剪結構，框架-剪力墻結構體系是框架結構與剪力墻結構相結合而成的結構體系，其在框架縱、橫方向的適當位置，在柱與柱之間設置鋼筋混凝土墻體（剪力墻），框架與剪力墻協同受力，剪力墻承擔絕大部分水平荷載，框架則以承擔豎向荷載為主?？蚣艚Y構水平位移介于框架結構和剪力墻結構之間。

框架—剪力墻結構體系充分發揮框架和剪力墻各自的特點，結構體系中運用少量的剪力墻，減少了立柱的截面尺寸，既能方便空間的靈活布置，又使結構具有較強的側向剛度，所以這種結構形式在房屋設計中比較常用?？蚣堋袅Y構一般用于辦公樓、旅館、住宅以及某些工藝用房等類型的25層以下房屋結構。

對于框架—剪力墻的空間布置，要求框架應在主軸方向均做剛接；剪力墻應沿各主軸布置，并遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的原則；剪力墻布置位置應選在豎向荷載較大處，建筑端部附近，平面形狀變化處，樓梯或電梯間附近；剪力墻數量應布置合理

（四）筒體結構

筒體結構一般采用鋼筋混凝土墻或密柱圍成筒體，使其抗側剛度很大的結構。其主要結構形式為框筒結構、筒中筒結構、框架—筒體結構、多重筒體結構、成束筒結構、底部大空間筒體結構六類。

各類筒體結構在側向風荷載的作用下，共同受力特點類似于一個固定在基礎上的筒形的懸臂薄壁桿件受力狀況。

筒體結構具有造型美觀、使用靈活、受力合理、剛度大、有良好的抗側性能等優點。筒體結構多用于高層或超高層公共建筑中，其空間作用隨著高度的增高而越發明顯，因此筒體結構一般用于30或100m以上的超高層建筑。

三、總結

在高層建筑結構設計中，結構選型是概念設計中至關重要的一步，選擇正確的結構形式可以有效地降低高層建筑的造價、提升結構的可靠性、增加結構的抗風抗震能力以及改善建筑的使用體驗。在結構選型時首先需要考慮的是建筑的高度、設防烈度和用途。對于不同結構體系，其強度和剛度是不同的。各類建筑結構形式在不同設防烈度中有相應的結構抗震等級和適用范圍。當建筑的高度超過規范數值時，需要進行專門研究，選擇合理的結構形式并采取有效的措施。

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