高層建筑結(jié)構(gòu)體系變化與創(chuàng)新途徑探索

王新宇 石建光

( 廈門大學(xué) 福建廈門 361005)

0 引言

高層建筑結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)形成了幾種常見的基本結(jié)構(gòu)體系，如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、框架—筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)。這些體系歷經(jīng)工程的實踐，計算和設(shè)計方法較完善，且收錄在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》和《高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中。以這些基本體系為基礎(chǔ)可以衍生出多新型結(jié)構(gòu)體系。除此之外，還有抗側(cè)力形式和構(gòu)件受力形式全然不同的特殊結(jié)構(gòu)體系，例如懸掛結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)。

有學(xué)者把結(jié)構(gòu)體系按照材料、抗側(cè)力形式、功能、樓層載重匯集的系統(tǒng)分類等標準進行分類[1]。但過于關(guān)注劃分標準反而忽視了結(jié)構(gòu)的傳力方式，忽視了結(jié)構(gòu)體系的衍變歷程。根據(jù)幾種常見的結(jié)構(gòu)體系，及其不同的變化方法，可以衍生出各種新的不同結(jié)構(gòu)體系，雖然不能囊括所有，但已概括絕大部分的新型體系及研究方向，并且能把體系的變化歷程和方法清晰地勾勒出來。但是，結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新不是盲目的，要符合結(jié)構(gòu)可靠性、綠色、節(jié)能、工業(yè)化等當(dāng)前社會發(fā)展的需要。

其實，建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，無不是基于現(xiàn)實建筑性能的要求，在研究原結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，并予推廣。基此，本文擬歸納總結(jié)結(jié)構(gòu)體系變化的路徑和創(chuàng)新方法，為結(jié)構(gòu)體系的今后持續(xù)創(chuàng)新提供思路。

1 結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)件

構(gòu)件是結(jié)構(gòu)的基本單元，可分為水平構(gòu)件和豎直構(gòu)件。梁、柱、板、墻、支撐作為基本構(gòu)件，構(gòu)成了復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)材料、傳力方式、施工方法等把這些基本構(gòu)件進一步分類。本文總結(jié)了一些不常見，或者正在研究中的新型構(gòu)件以供參考。

(1)柱

除了普通的鋼柱、混凝土柱，還有帶斜撐鋼柱[2]、配矩形螺旋箍筋型鋼高強混凝土柱[3]、內(nèi)置鋼管高強混凝土芯柱的十字形異形柱[4]、CFRP-鋼管混凝土柱[5]、方鋼管混凝土組合異形柱[6]、中空夾層鋼管混凝土柱[7]、方形中空夾層鋼管再生塊體混合短柱[8]、多腔體巨型柱[9]。

(2)梁

對于受彎的梁構(gòu)件，創(chuàng)新較少，值得一提的有鋼—混凝土蜂窩組合梁[10]。

(3)墻

作為常用的抗側(cè)力構(gòu)件，新型墻體有搖擺墻[11]、防屈曲鋼板剪力墻(改進型組合鋼板墻、蓋板防屈曲鋼板墻、兩邊連接屈曲約束鋼板墻)、低屈服點鋼板墻、密肋框格防屈曲低屈服點鋼板墻[12]、鋼板混凝土組合剪力墻(內(nèi)置鋼板支撐混凝土剪力墻[13]、內(nèi)嵌鋼板混凝土組合剪力墻、外包雙鋼板混凝土組合剪力墻)、兩端為方鋼管混凝土暗柱的內(nèi)嵌鋼板混凝土組合剪力墻[14]、外包多腔鋼板-混凝土組合剪力墻[15]、鋼管混凝土組合剪力墻[16]、組合網(wǎng)架夾心板墻[17]、CL復(fù)合墻[18]、密肋復(fù)合墻[19]等。

(4)樓板

對于樓板的研究方向多在減輕重量和大跨上，除普通混凝土樓板外，還有鋼筋混凝土疊合板、鋼筋桁架樓承板[20]、現(xiàn)澆混凝土空心板、預(yù)應(yīng)力混凝土疊合樓板、預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合樓板[21]、鋼管空心混凝土板[22]、WZ(鋼筋混凝土組合網(wǎng)架夾芯板)、CTSRC(鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土板)[23]。

(5)支撐

支撐不如墻體常用，除普通鋼支撐或混凝土支撐外，有屈曲約束支撐[24]、新型套筒扁鋼支撐(分層裝配式)[25]、自復(fù)位耗能支撐[26]。

以上是構(gòu)件最新的研究和應(yīng)用方向，這些新型構(gòu)件為結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新提供了可能和選擇。本文構(gòu)件的總結(jié)剔除了常見的混凝土和鋼構(gòu)件，可以看到，相比墻體、柱、支撐等,梁構(gòu)件的創(chuàng)新比較少。對于柱子，創(chuàng)新方向主要是更高的承載能力和抗震性能；對于墻體，則主要是更好的耗能和約束變形；對于支撐，研究方向則多在于耗能，對于樓板，則致力于減輕重量和大跨度。

2 結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新方法

2.1 構(gòu)件的變換

通過基本構(gòu)件的變化和替換，可以產(chǎn)生許多新型結(jié)構(gòu)體系。這些重要的傳力構(gòu)件，通過材料、結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新，力學(xué)性能發(fā)生了變化。本文主要介紹了一些新型的、經(jīng)過檢驗或尚在理論階段的結(jié)構(gòu)體系，通過基本結(jié)構(gòu)體系變換而來。具體的變換如下。

2.1.1框架結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表1)

表1 框架結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

2.1.2框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表2)

表2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變化

2.1.3剪力墻結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表3)

表3 剪力墻結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

2.1.4板柱結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表4)

表4 板柱結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

2.1.5框筒結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表5)

表5 框筒結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

2.1.6框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表6)

表6 框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

續(xù)表6

2.1.7筒中筒結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(表7)

表7 筒中筒結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件變換

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的增減

在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增減重要的傳力構(gòu)件，改變原有結(jié)構(gòu)的傳力途徑或者明顯改變構(gòu)件的受力的性能，形成新的結(jié)構(gòu)體系，如表8所示。

表8 構(gòu)件的增減

續(xù)表8

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置變換

構(gòu)件位置的改變，同樣會使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能發(fā)生改變。例如，把外圍柱子布置緊密一些，就變成了框筒結(jié)構(gòu)；把核心筒分散為4個角筒等。經(jīng)過整理構(gòu)件布置變換基本情況如表9所示。

表9 構(gòu)件布置變換

除了平面的布置改變外，沿豎向的構(gòu)件的布置變化，也能創(chuàng)新出新的結(jié)構(gòu)體系。例如，筒中筒結(jié)構(gòu)外框柱不再垂直，而是傾斜一定的角度，變成斜向相交的網(wǎng)格，形成新的結(jié)構(gòu)體系——巨型斜交網(wǎng)格筒中筒結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)也可以理解為外框柱直接替換，但要考慮到，當(dāng)斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)出現(xiàn)之前，人們還沒有意識到斜交網(wǎng)格柱這一特殊構(gòu)件。此外，轉(zhuǎn)換層也可以理解為剪力墻沿豎向的布置變換。底層正式因為缺少了部分剪力墻才形成帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)體系，如局部加強層、局部大空間等。因此，當(dāng)缺少可創(chuàng)新的構(gòu)件時，這種方法也能提供一種思路。

2.4 構(gòu)件連接方式改變

構(gòu)件連接方式改變，則構(gòu)件的受力狀態(tài)發(fā)生改變，進而可能會改變整個結(jié)構(gòu)的傳力方式。這種改變方式也能創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)體系。近來被人們廣泛研究的搖擺墻就是屬于這一方法，通過改變端部連接，進而將傳統(tǒng)的剪力墻變?yōu)樾碌膿u擺墻，力學(xué)性能也發(fā)生變化，如表10所示。

表10 構(gòu)件連接方式的改變

2.5 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力

除了主要受力構(gòu)件發(fā)生改變，還可著眼于非受力構(gòu)件。例如，在框筒結(jié)構(gòu)中幕墻為非受力構(gòu)件，由于框筒柱間裙梁受剪很大，用鋼板幕墻幫助承擔(dān)剪力時，可減小裙梁的尺寸。用非受力構(gòu)件傳力，使原有的受力形式發(fā)生改變，同樣是一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系的方法。

2.6 完全新的受力方式和結(jié)構(gòu)方案

僅改變個別構(gòu)件的受力形式，已經(jīng)不能得到滿足時，需要設(shè)計完全新的受力方式和結(jié)構(gòu)方案。例如，懸掛結(jié)構(gòu)體系，大部分柱子由受壓變成受拉，整個結(jié)構(gòu)布置不同，大多數(shù)構(gòu)件的受力形態(tài)也發(fā)生了變化，不能僅僅通過局部的變化得以實現(xiàn)。此外，還有完全使用新型材料的建筑，如重組的竹結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料建筑等。由于新型材料的使用，不再是簡單的梁板柱體系，整個圍護墻體兼做受力墻體，而這“墻體”的受力特性也會和傳統(tǒng)的墻體不同。這是由于材料的創(chuàng)新和大規(guī)模的使用所導(dǎo)致的變革。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)單元是構(gòu)件，當(dāng)重要的傳力構(gòu)件受力或性能發(fā)生變化時，新的結(jié)構(gòu)體系得以誕生。本文介紹了幾種常見的創(chuàng)新方法，通過受力構(gòu)件替換、增減、布置變換、連接改變，或者通過非受力構(gòu)件受力，可以改變整個結(jié)構(gòu)的受力和性能，得到新結(jié)構(gòu)體系。這里要注意，構(gòu)件要在剛度和力學(xué)性能上與結(jié)構(gòu)要求相符，同時還應(yīng)滿足施工的要求。放眼未來，構(gòu)件還要滿足綠色節(jié)能環(huán)保以及工業(yè)化、智能化的要求。因此新材料、新構(gòu)造、新型施工方法逐漸被人關(guān)注。從這個角度出發(fā)，預(yù)制裝配式建筑、再生混凝土結(jié)構(gòu)建筑以及其他各種新材料結(jié)構(gòu)建筑等都是未來發(fā)展的重要方向。

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