浅谈常见的建筑结构体系

马腾

摘 要：钢筋混凝土结构发展至今，经历了漫长的演变过程，其结构形式也在不断变化，本文对目前常见的结构类型做了归纳和总结，并对各种结构形式的受力特点做了初步探究。

关键词：结构体系；框架；剪力墙；框筒

引言

随着现代建筑技术的进步，高层建筑设计理念越发清晰。但这并不意味着那些宏伟的想法没有发展空间。事实上，正是因为这些宏伟的想法，新奇的高层建筑系列才得以发展，也许，更重要的是，在几年前的新概念在当今的技术上已经司空见惯。

省略一些严格与构造材料相关的概念，在高层建筑中使用的最常见使用的结构系统可归类如下：

（1）抗弯矩框架。

（2）支撑框架，包括偏心支撑框架。

（3）剪力墙，包括钢板剪力墙。

（4）筒中框架。

（5）筒中筒结构。

（6）核心交互结构。

（7）框格体系或束筒体系。

特别是最近更趋向于更复杂建筑的形式，也更需要增加刚度以抵抗风力和地震力，大多数高层建筑都有框架结构的组合体系、支撑框架体系、剪力墙和相关体系。此外，对于更高的建筑结构，多数都是由三维阵列里的对话元素组成。

对于高层建筑来说，组合这些元素的方法才是设计过程中的本质。这些组合需要发展以应对环境、功能和成本上的考虑，这样的组合才能提供有效的结构体系以使建筑发展到新的高度。这并不就是说想象中的结构设计能创造伟大的建筑。相反，有很多的例子都是精美的建筑仅是得到结构工程师适度的支持就被创造出来了，精美的建筑，不是伟大的建筑，可以不需要天才和富有天赋的建筑师的领导而被创造出来。不管怎么样，形成高层建筑的一个真正非凡的设计需要两者最好的元素。

虽然在文献中是可以对这7种结构体系进行综合讨论，但是在论文中还是要进行进一步的讨论。设计过程的本质遍布于整个讨论中。

1.抗弯矩框架（框架或刚架）

抗弯矩框架也许是低，中高度的建筑中最常用的结构体系，它具有线性水平构件和垂直构件在接头处基本刚接之特点。这样的结构体系常被作为独立的结构体系或与其他的结构体系相结合以便提供所需水平荷载的抵抗力。对于较高的高层建筑，这种体系作为独立的体系是很可能认为不合适的，因为在水平力的作用下移动刚度足够的刚度是由难度的。

分析可以通过应力、应变或一系列合适的电脑程序计算得来，所谓的门架法分析或悬臂法分析在当今的技术中无一席之地，由于柱梁节点固有柔性，并且由于初步设计应该力求突出体系的弱点，所以在初步分析中使用框架的中心距尺寸设计不是不常見的。当然，在设计的后期阶段，实际地评价结点的变形很有必要。

2.支撑框架

支撑框架实际上刚度比抗弯矩框架强，在高层建筑中也得到更广泛的应用。这种体系的特点是其线性水平构件、垂直构件和斜撑构件在结点处铰接或刚接，它通常与其他体系共同用于较高的建筑，并且作为一种独立的体系用在低、中高度的建筑中。

然而在支撑框架体系中使用钢结构是很常见的，混凝土框架结构更有可能适用于更大规模的体系中。尤其引人关注的是在强震区会使用偏心支撑框架。此外，分析可以利用应力、应变，或一系列二维或三维计算机分析程序中的任何一种电脑程序计算得来。另外，初步分析中常用中心距尺寸。

3.剪力墙

剪力墙在加强结构体系刚性的发展过程中又前进了一步。该体系的特点是具有相当薄的，通常是（而不总是）混凝土的构件，这种构件既可提供结构强度，又可提供建筑物功能上的分隔。

在高层建筑中，剪力墙体系趋向于具有相对的纵横比，即体系中高度要比宽度大。由于基础体系缺少应力，任何一种结构构件抗倾覆弯矩的能力都受到体系的宽度和构件承受的重力荷载的限制。由于受到狭窄和倾覆的限制，在窗户需要量小的建筑物外墙中明显地使用了这种确有需要宽度的体系。

钢结构剪力墙通常通过混凝土覆盖层来加强以抵抗失稳，这在剪切荷载大的地方已得到应用。这种体系实际上比钢支撑经济，对于使剪切荷载由位于地面正上方区域内比较高的楼层向下移特别有效。这种体系还具有高延性之优点，这种特性在强震区特别重要。

由于这些墙内不可避免的出现一些大空洞，使得剪力墙体系分析变得错综复杂。可以通过桁架模似法、有限元法，或者通过利用为考虑剪力墙的交互作用或扭转功能设计的专门计处机程序进行初步分析。

4.框支或支撑式筒体结构

框架或支撑式筒体最先应用于IBM公司在Pittsburgh的一幢办公楼，随后立即被应用于纽约双子座的110层世界贸易中心摩天大楼和其他的建筑中。这种系统有以下几个显著的特征：三维结构、支撑式结构、或由剪力墙形成的一个性质上差不多是圆柱体的闭合曲面，但又有任意的平面构成。由于这些抵抗侧向荷载的柱子差不多都被设置在整个系统的中心，所以整体的惯性得到提高，刚度也是很大的。

在可能的情况下，通过三维概念的应用、二维的类比，我们可以进行筒体结构的分析。不管应用那种方法，都必须考虑剪力滞后的影响。

这种最先在航天器结构中研究的剪力滞后出现后，对筒体结构的刚度是一个很大的限制。这种观念已经影响了筒体结构在60层以上建筑中的应用。设计者已经开发出了很多的技术，用以减小剪力滞后的影响，这其中最有名的是桁架的应用。框架或支撑式筒体在40层或稍高的建筑中找到了自己的用武之地。除了一些美观的考虑外，桁架几乎很少涉及与外墙联系的每个建筑功能，而悬索一般设置在机械的地板上，这就令机械体系设计师们很不赞成。但是，作为一个性价比较好的结构体系，桁架能充分发挥它的性能，所以它会得到设计师们持续的支持。由于其最佳位置正取决于所提供的桁架的数量，因此很多研究已经试图完善这些构件的位置。实验表明：由于这种结构体系的经济性并不十分受桁架位置的影响，所以这些桁架的位置主要取决于机械系统的完善，审美的要求。

5.筒中筒结构

筒体结构系统能使外墙中的柱具有灵活性，用以抵抗颠覆和剪切力。“筒中筒”这个名字顾名思义就是在建筑物的核心承重部分又被包围了第二层的一系列柱子，它们被当作是框架和支撑筒来使用。配置第二层柱的目的是增强抗颠覆能力和增大侧移刚度。这些筒体不是同样的功能，也就是说，有些筒体是结构的，而有些筒体是用来支撑的。

在考虑这种筒体时，清楚的认识和區别变形的剪切和弯曲分量是很重要的，这源于对梁的对比分析。在结构筒中，剪切构件的偏角和柱、纵梁（例如：结构筒中的网等）的弯曲有关，同时，弯曲构件的偏角取决于柱子的轴心压缩和延伸（例如：结构筒的边缘等）。在支撑筒中，剪切构件的偏角和对角线的轴心变形有关，而弯曲构件的偏角则与柱子的轴心压缩和延伸有关。

根据梁的对比分析，如果平面保持原形（例如：厚楼板），那么外层筒中柱的轴心压力就会与中心筒柱的轴心压力相差甚远，而且稳定的大于中心筒。但是在筒中筒结构的设计中，当发展到极限时，内部轴心压力会很高的，甚至远远大于外部的柱子。这种反常的现象是由于两种体系中的剪切构件的刚度不同。这很容易去理解，内筒可以看成是一个支撑（或者说是剪切刚性的）筒，而外筒可以看成是一个结构（或者说是剪切弹性的）筒。

6.核心交互式结构

核心交互式结构属于两个筒与某些形式的三维空间框架相配合的筒中筒特殊情况。事实上，这种体系常用于那种外筒剪切刚度为零的结构。位于Pittsburgh的美国钢铁大楼证实了这种体系是能很好的工作的。在核心交互式结构中，内筒是一个支撑结构，外筒没有任何剪切刚度，而且两种结构体系能通过一个空间结构或“帽”式结构共同起作用。需要指出的是，如果把外部的柱子看成是一种从“帽”到基础的直线体系，这将是不合适的；根据支撑核心的弹性曲线，这些柱子只发挥了刚度的15%。同样需要指出的是，内柱中与侧向力有关的轴向力沿筒高度由拉力变为压力，同时变化点位于筒高度的约5/8处。当然，外柱也传递相同的轴向力，这种轴向力低于作用在整个柱子高度的侧向荷载，因为这个体系的剪切刚度接近于零。

把内外筒相连接的空间结构、悬臂梁或桁架经常遵照一定的水准来布置。美国电话电报总部就是一个布置交互式构件的生动例子：

（1）结构体系长59.7米，宽28.6米，高183.3米。

（2）布置了两个内筒，每个筒的尺寸是9.4米×12.2米，在长方向上有27.4米的间隔。

（3）在短方向上内筒被支撑起来，但是在长方向上没有剪切刚度。

（4）环绕着建筑物周边布置了一个外筒。

（5）外筒是一个抵抗弯矩的框架，但是在每个长方向的中心15.2米都没有剪切刚度。

（6）在建筑的顶部布置了一个空间桁架构成的“帽式”结构。

（7）在建筑的底部布置了一个相似的空间桁架结构。

（8）由于外筒的剪切刚度在建筑的底部接近零，整个建筑基本上由两个钢板筒来支持。

7.框格体系或束筒体系结构

位于美国芝加哥的西尔斯大厦是框格体系的经典之作，它由九个相互独立的筒组成的一个集中筒。由于西尔斯大厦包括九个几乎一模一样的筒，而且筒在平面上无须相似，基本的结构体系在不规则形状的建筑中得到特别的应用。一些单个的筒高于建筑一点或很多是很常见的。事实上，这种体系的重要特征就在于它既有坚固的一面，也有脆弱的一面。

这种体系的脆弱，特别是在结构筒中，与柱子的压缩变形有很大的关系，柱子的压缩变形有下式计算：△=ΣfL/E

对于那些层高为3.66米左右和平均压力为138MPa的建筑，在荷载作用下每层柱子的压缩变形为15（12）/29000或1.9毫米。在第50层柱子会压缩94毫米，小于它未受压的长度。这些柱子在50层的时候和100层的时候的变形是不一样的，位于这两种体系之间接近于边缘的那些柱需要使这种不均匀的变形得以调解。

主要的结构工作都集中在布置中。在Melbourne的Rialto项目中，结构工程师发现至少有一幢建筑，很有必要垂直预压低高度的柱子，以便使柱不均匀的变形差得以调解，调解的方法近似于后拉伸法，即较短的柱转移重量到较高的邻柱上。（作者单位：南昌市政公用集团工程项目管理分公司）

参考文献：

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