浅谈几种高层建筑结构新体系

李学治

摘 要：本文着眼于现代高层建筑的发展，详细介绍了巨型结构体系、短肢剪力墙结构体系、连体结构体系三种新型高层建筑结构体系，从定义、优缺点以及发展与应用等方面对其进行了阐述。

关键词：高层建筑；新型结构体系；巨型结构；短肢剪力墙结构；连体结构

一、巨型结构体系

（一）巨型结构的定义及分类。 巨型结构是一种新型结构体系，适应了高层建筑多样化、综合化以及建筑平面布置和竖向体型复杂化的发展特点。巨型结构中由不同于传统梁柱的的巨型梁和柱组成主结构，共同工作的还有常规构件组成的次结构。巨型结构中，主结构本身即是独立结构，承担了绝大部分外力，次结构只是协助主框架抵抗外载。主结构通常为主要抗侧力体系，其中可以有跨越好几层的支撑或斜向布置的剪力墙板；而次结构只承担竖向荷载并负责传力给主结构，柱距小、荷载小，因而其粱、柱断面可以做得很小，有利于楼面的合理使用，两者协同保证巨型结构的巨大抗侧力刚度以及整体工作性能[1]。巨型结构按主要受力体系可以分为巨型桁架结构、巨型框架结构、巨型悬臂结构和巨型分离式结构；按材料可以分为巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨混凝土结构、巨型钢—钢筋混凝土混合结构以及巨型钢结构。

（二）巨型结构体系的特点。巨型结构的优点可以概括如下：（1）巨型结构整体刚度比传统高层房屋建筑大。对于同种材料，弹性模量相同，截面刚度取决于界面惯性矩，即和界面宽度以及高度成正比。巨型结构主结构的巨型梁柱界面尺寸相当于传统框架的柱距，因此界面惯性矩比常规构件大得多，因而刚度大。（2）巨型结构适应了建筑发展趋势。巨型建筑的大柱网大开间满足平面布置的灵活性，便于房屋改造。（3）可以将多种结构形式及不同材料进行组合，具有多样性，满足多种功能要求。由于巨型结构体系是由主结构和次结构共同工作组成的，主结构和次结构可以采用不同的材料和体系，因此，巨型结构体系可以有各种不同的变化和组合。（4）巨型结构体系可以先施工其主结构，待主结构完成后分开各个工作面同时施工次结构，大大加快了施工速度。

（三）巨型结构体系的应用于发展

巨型结构的概念产生于60年代末。1968年建成的芝加哥约翰·汉考克大厦是最早采用巨型结构体系的建筑。国内外比较著名的巨型结构建筑如下表所示：

对于具有特殊功能要求的高层建筑来说，经济有效的巨型结构体系成为了越来越多开发商以及设计师的选择。其发展趋势，呈现在如下几个方面：（1）组合构件的使用；（2）使用大型支撑或剪力墙以增加侧向刚度；（3）使用主动控制系统或被动控制系统减震；（4）杂交结构体系的应用；（5）结构设计时使用更好的分析设计软件和验证方法；

复杂大型的体系结构其计算施工方面具有一系列不同于常规高层结构体系的特点；加之，该体系出现较晚，工程应用不多，人们对其研究、认识还不够。因此，必须全面研究其分析方法与结构特性，使这种既具有良好建筑适应性，又具有高效性能的结构体系更广泛地发挥其应有的作用。

二、短肢剪力墙结构体系

（一）短肢剪力墙的定义。近年来，随着人们对住宅与空间设计平面的要求越来越高，普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅平面与空间的要求，于是在原有框架结构的基础上，吸收了剪力墙的优点，逐步发展形成了短肢剪力墙结构体系。

短肢剪力墙也称短肢抗震墙，或简称短肢墙，是联肢剪力墙的一种，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JBJ3-2002）定义为：短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5-8的剪力墙。主要布置在间隔墙的交点处，其形式灵活多样，常用的截面形式有T形、L形、Z形、“十”字形、“一”字形等，其数量和肢长主要由竖向荷载和抗侧力决定。

（二）短肢剪力墙的特点。一般剪力墙结构对于底部有停车场等公共设施的情况矛盾很大，满足不了建筑的使用功能。而且对于小高层建筑，采用剪力墙结构会造成刚度过大，重量增加，导致地面反应过强，使得上部结构和基础造价增高。短肢剪力墙避免了这些缺陷，具有以下优点：（1）墙肢较短，布置灵活，可调整性大，容易满足建筑平面的要求；（2）减少了剪力墙而代之以轻质砌体，结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度，增大振动周期，降低地震作用力；（3）墙肢高宽比较大，延性较好，对抗震有利；（4）连梁跨高比较大，以受弯破坏为主，地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰，能起到很好的耗能作用；（5）短肢的承载力得到了较充分的发挥；（6）墙的数量可调节，视抗侧力需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置。

短肢剪力墙较为高细，通常情况下其破坏形态由受弯承载力控制，故延性较好。连梁在短肢剪力墙结构体系中是一个耗能构件，振动台试验中，它出现弯曲以及剪切两种破坏，而短肢剪力墙是一种强肢弱梁型的连肢墙，在通常情况下连梁首先开裂，随后墙肢开裂，如果在墙肢翼缘和腹板相交处应力集中下，会出现明显的上下贯通裂缝。短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位在建筑平面外边缘及角部处的墙肢，当墙结构发生扭转效应时，这些部位的墙肢会首先开裂，因此应加强抗震构造措施，在设计短肢剪力墙时应尽量设翼缘。

三、连体结构的定义及分类

（一）连体结构的定义与分类。从形式上看，连体高层建筑主要由两种形式：（1）凯旋门式：也称门式高层结构，即在两个主体结构的顶部若干层练成整体楼层，连接体的宽度与主体结构的宽度相等或相近，两个主题结构一般采用对称的平面形式；（2）连廊式：即在两个主体结构之间的某部位设一个或多个连廊，连廊的跨度可达几米到几十米，连廊的宽度一般在十米以内。

（二）连体结构的特点及设计要点。连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面布置和刚度；宜采用双轴对称的平面形式，其建筑材料，结构体系等也呈现出多样性。而7、8度抗震设计时，层数和刚度相差悬殊的建筑不宜采用连体结构。

连体结构因为通过连接体将不同结构连接在一起，且连体两端的塔楼刚度往往有差异，因此连体结构的受力比一般多塔结构更为复杂，连接体两端的连接方式也至为重要。通过对连体结构的计算分析及国内进行的振动台试验研究，结果说明：连体结构自振振型较为复杂，前几个振型与单体建筑有明显不同，除顺向振型外，还出现反向振型；连体结构总体为一开口薄壁构件，扭转性能较差，扭转振型丰富，当第一扭转频率与场地卓越频率接近时，容易引起较大的扭转反应，易使结构发生较大的扭转破坏。因此，如何对连体结构计算分析，怎样保证连接体与高层塔楼整体协同工作成为设计关注的问题。

随着科学技术、结构设计理论、高强材料的迅速发展，以及人们对建筑造型、建筑设计等的要求越来越高的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高，高层和超高层建筑迅猛发展，各种新型结构体系大量涌现，不断满足着人们更新更高的追求。除了上述三种结构体系外，张拉整体结构，高预应力结构，开合屋盖结构等也得到广泛应用。我们要大量引进国外先进新型结构体系，但更重要的是加强自主创新能力，研发适合我国国情的新型结构体系，缩短与先进国家在建筑业上的差距。

参考文献：

[1]宋萌，李博，郑必杰.浅谈巨型结构体系[J].科技资讯，2009，21：69.

[2]汪琎.新型建筑结构体系浅谈[J].工程科技，2008，（9）：8-9.

[3]郑廷银，付光耀.国外巨型钢结构工程实例与启示[J].钢结构，1999，14（2）：49-53.