淺談幾種高層建筑結構新體系

李學治

摘 要：本文著眼于現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展，詳細介紹了巨型結構體系、短肢剪力墻結構體系、連體結構體系三種新型高層建筑結構體系，從定義、優(yōu)缺點以及發(fā)展與應用等方面對其進行了闡述。

關鍵詞：高層建筑；新型結構體系；巨型結構；短肢剪力墻結構；連體結構

一、巨型結構體系

（一）巨型結構的定義及分類。 巨型結構是一種新型結構體系，適應了高層建筑多樣化、綜合化以及建筑平面布置和豎向體型復雜化的發(fā)展特點。巨型結構中由不同于傳統(tǒng)梁柱的的巨型梁和柱組成主結構，共同工作的還有常規(guī)構件組成的次結構。巨型結構中，主結構本身即是獨立結構，承擔了絕大部分外力，次結構只是協(xié)助主框架抵抗外載。主結構通常為主要抗側力體系，其中可以有跨越好幾層的支撐或斜向布置的剪力墻板；而次結構只承擔豎向荷載并負責傳力給主結構，柱距小、荷載小，因而其粱、柱斷面可以做得很小，有利于樓面的合理使用，兩者協(xié)同保證巨型結構的巨大抗側力剛度以及整體工作性能[1]。巨型結構按主要受力體系可以分為巨型桁架結構、巨型框架結構、巨型懸臂結構和巨型分離式結構；按材料可以分為巨型鋼筋混凝土結構、巨型鋼骨混凝土結構、巨型鋼—鋼筋混凝土混合結構以及巨型鋼結構。

（二）巨型結構體系的特點。巨型結構的優(yōu)點可以概括如下：（1）巨型結構整體剛度比傳統(tǒng)高層房屋建筑大。對于同種材料，彈性模量相同，截面剛度取決于界面慣性矩，即和界面寬度以及高度成正比。巨型結構主結構的巨型梁柱界面尺寸相當于傳統(tǒng)框架的柱距，因此界面慣性矩比常規(guī)構件大得多，因而剛度大。（2）巨型結構適應了建筑發(fā)展趨勢。巨型建筑的大柱網(wǎng)大開間滿足平面布置的靈活性，便于房屋改造。（3）可以將多種結構形式及不同材料進行組合，具有多樣性，滿足多種功能要求。由于巨型結構體系是由主結構和次結構共同工作組成的，主結構和次結構可以采用不同的材料和體系，因此，巨型結構體系可以有各種不同的變化和組合。（4）巨型結構體系可以先施工其主結構，待主結構完成后分開各個工作面同時施工次結構，大大加快了施工速度。

（三）巨型結構體系的應用于發(fā)展

巨型結構的概念產(chǎn)生于60年代末。1968年建成的芝加哥約翰·漢考克大廈是最早采用巨型結構體系的建筑。國內(nèi)外比較著名的巨型結構建筑如下表所示：

對于具有特殊功能要求的高層建筑來說，經(jīng)濟有效的巨型結構體系成為了越來越多開發(fā)商以及設計師的選擇。其發(fā)展趨勢，呈現(xiàn)在如下幾個方面：（1）組合構件的使用；（2）使用大型支撐或剪力墻以增加側向剛度；（3）使用主動控制系統(tǒng)或被動控制系統(tǒng)減震；（4）雜交結構體系的應用；（5）結構設計時使用更好的分析設計軟件和驗證方法；

復雜大型的體系結構其計算施工方面具有一系列不同于常規(guī)高層結構體系的特點；加之，該體系出現(xiàn)較晚，工程應用不多，人們對其研究、認識還不夠。因此，必須全面研究其分析方法與結構特性，使這種既具有良好建筑適應性，又具有高效性能的結構體系更廣泛地發(fā)揮其應有的作用。

二、短肢剪力墻結構體系

（一）短肢剪力墻的定義。近年來，隨著人們對住宅與空間設計平面的要求越來越高，普通剪力墻結構對建筑空間的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅平面與空間的要求，于是在原有框架結構的基礎上，吸收了剪力墻的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了短肢剪力墻結構體系。

短肢剪力墻也稱短肢抗震墻，或簡稱短肢墻，是聯(lián)肢剪力墻的一種，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JBJ3-2002）定義為：短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5-8的剪力墻。主要布置在間隔墻的交點處，其形式靈活多樣，常用的截面形式有T形、L形、Z形、“十”字形、“一”字形等，其數(shù)量和肢長主要由豎向荷載和抗側力決定。

（二）短肢剪力墻的特點。一般剪力墻結構對于底部有停車場等公共設施的情況矛盾很大，滿足不了建筑的使用功能。而且對于小高層建筑，采用剪力墻結構會造成剛度過大，重量增加，導致地面反應過強，使得上部結構和基礎造價增高。短肢剪力墻避免了這些缺陷，具有以下優(yōu)點：（1）墻肢較短，布置靈活，可調整性大，容易滿足建筑平面的要求；（2）減少了剪力墻而代之以輕質砌體，結構自重相應減輕，從而減小結構整體剛度，增大振動周期，降低地震作用力；（3）墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利；（4）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(xiàn)塑性鉸，能起到很好的耗能作用；（5）短肢的承載力得到了較充分的發(fā)揮；（6）墻的數(shù)量可調節(jié)，視抗側力需要而定，還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度中心的位置。

短肢剪力墻較為高細，通常情況下其破壞形態(tài)由受彎承載力控制，故延性較好。連梁在短肢剪力墻結構體系中是一個耗能構件，振動臺試驗中，它出現(xiàn)彎曲以及剪切兩種破壞，而短肢剪力墻是一種強肢弱梁型的連肢墻，在通常情況下連梁首先開裂，隨后墻肢開裂，如果在墻肢翼緣和腹板相交處應力集中下，會出現(xiàn)明顯的上下貫通裂縫。短肢剪力墻結構的抗震薄弱部位在建筑平面外邊緣及角部處的墻肢，當墻結構發(fā)生扭轉效應時，這些部位的墻肢會首先開裂，因此應加強抗震構造措施，在設計短肢剪力墻時應盡量設翼緣。

三、連體結構的定義及分類

（一）連體結構的定義與分類。從形式上看，連體高層建筑主要由兩種形式：（1）凱旋門式：也稱門式高層結構，即在兩個主體結構的頂部若干層練成整體樓層，連接體的寬度與主體結構的寬度相等或相近，兩個主題結構一般采用對稱的平面形式；（2）連廊式：即在兩個主體結構之間的某部位設一個或多個連廊，連廊的跨度可達幾米到幾十米，連廊的寬度一般在十米以內(nèi)。

（二）連體結構的特點及設計要點。連體結構各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度；宜采用雙軸對稱的平面形式，其建筑材料，結構體系等也呈現(xiàn)出多樣性。而7、8度抗震設計時，層數(shù)和剛度相差懸殊的建筑不宜采用連體結構。

連體結構因為通過連接體將不同結構連接在一起，且連體兩端的塔樓剛度往往有差異，因此連體結構的受力比一般多塔結構更為復雜，連接體兩端的連接方式也至為重要。通過對連體結構的計算分析及國內(nèi)進行的振動臺試驗研究，結果說明：連體結構自振振型較為復雜，前幾個振型與單體建筑有明顯不同，除順向振型外，還出現(xiàn)反向振型；連體結構總體為一開口薄壁構件，扭轉性能較差，扭轉振型豐富，當?shù)谝慌まD頻率與場地卓越頻率接近時，容易引起較大的扭轉反應，易使結構發(fā)生較大的扭轉破壞。因此，如何對連體結構計算分析，怎樣保證連接體與高層塔樓整體協(xié)同工作成為設計關注的問題。

隨著科學技術、結構設計理論、高強材料的迅速發(fā)展，以及人們對建筑造型、建筑設計等的要求越來越高的研究日趨完善、計算技術的發(fā)展和施工技術水平的不斷提高，高層和超高層建筑迅猛發(fā)展，各種新型結構體系大量涌現(xiàn)，不斷滿足著人們更新更高的追求。除了上述三種結構體系外，張拉整體結構，高預應力結構，開合屋蓋結構等也得到廣泛應用。我們要大量引進國外先進新型結構體系，但更重要的是加強自主創(chuàng)新能力，研發(fā)適合我國國情的新型結構體系，縮短與先進國家在建筑業(yè)上的差距。

參考文獻：

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