多高層鋼結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)和不足

梁鵬花

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

高層鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是材料的強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)自重輕，有良好的延性，抗震性能好，能夠滿足建筑上超高層，大跨度，大空間以及多用途的各種要求，施工速度快，工期短，建設(shè)成本低。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，即使在高強(qiáng)混凝土等新型材料已經(jīng)出現(xiàn)的今天，鋼結(jié)構(gòu)仍不失為超高層建筑，特別是地震地區(qū)高層建筑的一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)類型［1］。

隨著城市建設(shè)的不斷擴(kuò)大，城市高層建筑的需求與日俱增。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化超高層建筑的要求，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，新的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)。常見的高層鋼結(jié)構(gòu)體系可以分為四大類型:框架結(jié)構(gòu)體系，框架—支撐結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)體系，巨型結(jié)構(gòu)體系［2-4］。

各種結(jié)構(gòu)體系都有各自的結(jié)構(gòu)特征，使用范圍以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面具體分析各個(gè)結(jié)構(gòu)體系［5，6］。

1 框架結(jié)構(gòu)體系

1.1 結(jié)構(gòu)特征

框架結(jié)構(gòu)體系是沿著房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重的抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)一般可分為無支撐框架和有支撐框架兩種形式，無支撐框架是由鋼柱和鋼梁組成的，地震區(qū)的高樓采用框架體系時(shí)，框架的縱，橫梁與柱的連接一般采用剛性連接。

1.2 框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

能夠提供較大的內(nèi)部空間，建筑平面布置靈活，能適應(yīng)各種類型的使用功能。需要時(shí)，可用隔斷分割成小房間，或拆除隔斷改成大房間，使用靈活。外墻用非承重構(gòu)件，可使建筑立面靈活多變。如果采用輕質(zhì)隔板做外墻，就可以大大降低房屋的自重，節(jié)省材料。結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化和定型化，施工速度快，對(duì)層數(shù)不多的高層建筑結(jié)構(gòu)而言，框架結(jié)構(gòu)體系是一種比較經(jīng)濟(jì)合理，運(yùn)用廣泛的結(jié)構(gòu)體系。

框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是抗側(cè)剛度小，在地震荷載作用下側(cè)向位移大。當(dāng)側(cè)向位移過大時(shí)，框架結(jié)構(gòu)上部的豎向荷載作用會(huì)進(jìn)一步加大桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)側(cè)移，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二階效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及框架的總體穩(wěn)定。框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力主要取決于梁和柱的受彎能力。房屋層數(shù)增多時(shí)，側(cè)力總值增大，而要提高梁和柱的抗彎能力和剛度，只有加大梁和柱的截面尺寸，截面過大，就會(huì)使框架結(jié)構(gòu)失去其經(jīng)濟(jì)合理性。此外由于框架結(jié)構(gòu)體系的剛度不足，地震時(shí)側(cè)向位移大，容易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的破壞，有時(shí)甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)的破壞。純框架結(jié)構(gòu)一般適用于層數(shù)不超過30層的高層鋼結(jié)構(gòu)。

1.3 框架結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用

現(xiàn)在，采用框架結(jié)構(gòu)體系的建筑比較多，如北京長富宮中心，法國巴黎圖書館，美國休斯頓市的第一印第安納廣場大廈。

北京長富宮中心分地下2層，地上26層，平面尺寸為48 m×25.8 m，按8度抗震設(shè)防，采用的是鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系，基本柱網(wǎng)尺寸為8 m×9 m。美國休斯頓市的第一印第安納廣場大廈29層，高121 m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，柱距約7.6 m。經(jīng)過計(jì)算分析，不僅能有效地抵抗住風(fēng)力，而且也能滿足抗震要求。

2 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)特征

在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱橫兩個(gè)方向均布置一定數(shù)量的支撐，形成框架支撐結(jié)構(gòu)體系，簡稱為框撐結(jié)構(gòu)體系。在這種結(jié)構(gòu)體系中，框架布置的原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架結(jié)構(gòu)體系相同，支撐沿著結(jié)構(gòu)的周圍布置，縱橫交錯(cuò)的支撐相連接，形成支撐芯筒。

2.2 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

框架—支撐結(jié)構(gòu)體系相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系而言，除了具有框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，其一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是其抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)明顯增大，在地震發(fā)生時(shí)，框架體系和支撐體系形成兩道抗震防線，其抗震性能有明顯的提高［7］。

當(dāng)建筑物的層數(shù)較大時(shí)，可以每隔若干層設(shè)置一層加勁桁架層，將內(nèi)部支撐和外圈框架連為一整體彎曲構(gòu)件，共同抵抗水平荷載引起的傾覆力矩。不僅增強(qiáng)了建筑物的整體抗側(cè)力剛度，同時(shí)也增大了框架—支撐體系的適用高度。

框架—支撐體系可以和鋼筋混凝土剪力墻混合使用，根據(jù)使用功能需求可以靈活布置剪力墻，這樣水平剪力主要由剪力墻承擔(dān)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度得到顯著的提高，地震作用的層間位移也顯著減小，地震區(qū)層數(shù)較高的建筑可以使用這樣的結(jié)構(gòu)體系。采用錯(cuò)列的桁架體系來構(gòu)成框架—支撐體系，可以獲得較大的開間。

框架支撐體系設(shè)置較多的支撐，使得結(jié)構(gòu)受力分析復(fù)雜，施工難度加大，用鋼量也增大了。其次支撐的設(shè)置容易與建筑立面處理，門窗布置等建筑要求發(fā)生沖突。框架—支撐結(jié)構(gòu)體系的支撐成為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的重要部位，在外力的作用下，支撐長期處于拉壓的周期作用，容易引起支撐構(gòu)件的疲勞破壞，使其在突然的較大外力，如地震發(fā)生時(shí)會(huì)有很大的變形或者屈曲，從而引起整個(gè)建筑的較大變形。

在框架—支撐及剪力墻結(jié)構(gòu)體系中鋼筋混凝土剪力墻與鋼柱連接困難，容易引起溫度變形，且其剛度較大，地震時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而發(fā)生脆性破壞。

框架—支撐結(jié)構(gòu)由于抗側(cè)力剛度有限，不能使用于超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，一般用于40層～60層的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。

2.3 框架—支撐結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用

在城市的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，框架—支撐體系是運(yùn)用的比較多的一種結(jié)構(gòu)體系，如紐約42層的ETW大廈，北京國貿(mào)中心(高155.2 m，地下3層，地上39層)，上海世界廣場(高度150 m，地下2層，地上38層)等都是采用的鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系。此外，如北京京廣中心(總高度208 m，地下3層，地上57層，基礎(chǔ)埋深－16.4 m)，上海錦江飯店(高度153 m，地下1層，地上46層)等采用的是框架—支撐及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3 筒體結(jié)構(gòu)體系

3.1 結(jié)構(gòu)特征

筒體結(jié)構(gòu)是由若干縱橫交錯(cuò)的框架，抗剪桁架所圍成的筒狀封閉結(jié)構(gòu)。在建筑物外圍由密柱，深梁組成的封閉式筒體通過懸臂作用來抵抗側(cè)向荷載，內(nèi)部柱子或核心只承受豎向荷載。

筒中筒結(jié)構(gòu)體系是由內(nèi)外設(shè)置的幾個(gè)筒體，通過有效的連接形成一個(gè)共同作用的骨架體系，這種體系一般是利用作為垂直運(yùn)輸，管道及服務(wù)設(shè)施的結(jié)構(gòu)核心部分充作內(nèi)筒，并與外層通過各層樓面梁板的連系形成一個(gè)能共同受力的空間筒狀骨架。

束筒結(jié)構(gòu)體系是把幾個(gè)筒體并列組合在一起的結(jié)構(gòu)整體，它以外框筒為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在其內(nèi)部增設(shè)一榀以上的腹板框架組成，增設(shè)的內(nèi)部腹板框架可以是密柱深梁組成的框架。

3.2 筒體結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

筒體結(jié)構(gòu)有較大的剛度，有較強(qiáng)的抗側(cè)力能力，所以能形成較大的使用空間，滿足一些大空間建筑的需求，而且因其良好的性能，使得筒體結(jié)構(gòu)體系在超高層建筑中被廣泛應(yīng)用。

筒體結(jié)構(gòu)是高層結(jié)構(gòu)中受力較好的結(jié)構(gòu)體系，內(nèi)外筒均可形成較強(qiáng)抗彎剛度，共同承受水平力的作用，可形成兩道抗震防線的效果，一般外筒應(yīng)承受最少30%～40%的水平力。又由于筒體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得結(jié)構(gòu)體系有均勻?qū)ΨQ的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，能抵御任何方向較大的傾覆力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。有較好的延性，抗震性能很好。

桁架筒體結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)，束筒結(jié)構(gòu)體系的剪力滯后效應(yīng)比框架筒體結(jié)構(gòu)體系有了很大的改善。其中束筒結(jié)構(gòu)體系由一些剛度很大的筒體結(jié)構(gòu)組成，可以組合成任何外形和平面，各個(gè)筒體可以終止于不同的高度，能使建筑物形成穩(wěn)定的塔形結(jié)構(gòu)，而又不增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。利用束筒結(jié)構(gòu)體系可以設(shè)計(jì)出外觀獨(dú)特，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的超高層建筑。

在框筒結(jié)構(gòu)中，由于存在框架橫梁的剪切變形，使框架柱的實(shí)際內(nèi)力呈非線性分布，這種剪力滯后效應(yīng)使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力，并且結(jié)構(gòu)的側(cè)向撓度呈明顯的剪切變形。剪力滯后效應(yīng)對(duì)筒體的效能有很大的影響，而且梁，柱的線剛度比越小，這種影響越明顯。

框筒結(jié)構(gòu)體系由于內(nèi)筒平面尺寸較小，抗側(cè)剛度不大，不宜用于強(qiáng)震地區(qū)。在束筒結(jié)構(gòu)體系中，存在著大量的交叉節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造比較復(fù)雜，而且開窗要受斜桿的影響。

3.3 筒體結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用

筒體結(jié)構(gòu)體系由于其自身巨大的抗側(cè)力剛度，所以在當(dāng)代的超高層建筑中比較有廣泛的應(yīng)用。如中國國際貿(mào)易中心主樓，地下2層，地上39層，高155 m，按8度地震設(shè)防，采用了筒中筒結(jié)構(gòu)體系。美國芝加哥希爾斯大廈，采用了束筒結(jié)構(gòu)體系，該大廈由9個(gè)22.86 m×22.86 m的方形鋼框筒組成，內(nèi)部有一些共用柱使筒體相連。

4 巨型結(jié)構(gòu)體系

4.1 結(jié)構(gòu)特征

巨型結(jié)構(gòu)體系是把一般的框架結(jié)構(gòu)體系按照一定的比例放大得到的，與一般框架的桿件為實(shí)腹截面不同，巨型結(jié)構(gòu)體系的梁和柱是格構(gòu)式立體構(gòu)件。巨型框架結(jié)構(gòu)是以巨型框架(主框架)為結(jié)構(gòu)主體，并在其間設(shè)置普通的小型框架(次框架)所組成的結(jié)構(gòu)體系。巨型框架的“柱”一般布置在房屋的四角，一般多于四根。除角柱外，其余柱沿房屋的周邊布置。巨型框架的“梁”一般每隔12個(gè)～15個(gè)樓層設(shè)置一根，其中間樓層是僅承受重力荷載的一般小框架。

4.2 巨型結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)

巨型柱本身具有較大的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，將巨型柱沿巨型結(jié)構(gòu)體系的四角和周邊布置后，具有更大的力臂，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度都有了很大的提高，能抵御特大的水平荷載和扭轉(zhuǎn)荷載。該結(jié)構(gòu)體系特別適用于特大型超高層建筑［8］。

巨型框架另外一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的建筑適應(yīng)性，有較大的靈活空間可以布置次框架，形成多層房間，也可以滿足大開間的建筑功能要求，在巨型框架的下部若干層高度范圍內(nèi)，可以按需要設(shè)置大空間的無柱中庭、展覽廳和多功能廳等。

巨型結(jié)構(gòu)中可將多種結(jié)構(gòu)形式及不同材料進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)建筑的多功能化，滿足有特殊功能要求的建筑。巨型框架結(jié)構(gòu)體系施工速度快，可先施工其主框架，待主框架完成后分開各個(gè)工作面同時(shí)施工次框架，施工進(jìn)度較快。

巨型結(jié)構(gòu)體系的首要缺點(diǎn)是由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、構(gòu)件受力不規(guī)則，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面有很大的難度，加上目前還沒有現(xiàn)成規(guī)范規(guī)定巨型結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震設(shè)計(jì)，需要專門的研究驗(yàn)證。

其次，巨型結(jié)構(gòu)不利于消防、其外表玻璃幕墻會(huì)造成光污染、低層房間日曬得不到正常保證、其風(fēng)環(huán)境易對(duì)城市環(huán)境及周圍建筑產(chǎn)生不利影響，并干擾電視信號(hào)的接收和影響鳥類飛行等。

4.3 巨型結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用

巨型結(jié)構(gòu)體系因?yàn)槠渚薮蟮目箓?cè)剛度和抗扭剛度，使得在一些大型超高層建筑中有廣泛的應(yīng)用。如日本千葉縣的NEC辦公大樓，采用的就是巨型框架結(jié)構(gòu)體系，該大樓地面以上43層，高180 m。建筑布置時(shí)，在底層到13層之間設(shè)置了內(nèi)部大庭園，13層～15層之間還設(shè)置了橫貫整個(gè)房屋的具有3層樓高的大開口，上海證券大廈，采用了鋼筋混凝土核心筒與巨型鋼框架的組合，總高度120.9 m，地下2層，地上27層。

5 結(jié)語

在鋼結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的今天，新型的鋼結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，這就要求我們?nèi)ニ伎济恳环N結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及它的使用范圍，從而為鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系選型提供一定的參考。筆者認(rèn)為，多層、高層鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)考慮建筑功能(建筑的采光、通風(fēng)、用途等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求(結(jié)構(gòu)的重要性、設(shè)防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎(chǔ)、材料供應(yīng)和施工條件等)、結(jié)構(gòu)體系特征(結(jié)構(gòu)的整體剛度、承載能力以及結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的延性等)等因素選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式。

［1］鄭延銀.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［2］李國強(qiáng).多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］陳富生.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］郭 兵，紀(jì)偉東.多層民用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］崔 鴻.超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18(1):60-71.

［6］Burstrand H.Light-gauge steel framing leads the way to an increased productivity for residential housing［J］.Journal of Constructional Steel Research，1998，46(1-3):183-186.

［7］王長寧，王祿鵬.高層全鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(84):22-24.

［8］宋 萌.淺談巨型結(jié)構(gòu)體系［J］.科技資訊，2009(21):37-38.

［9］吳 迪，賈國亭.談芯筒—框架體系在高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2012，38(21):61-62.