高层建筑结构体系选型分析

周倩

摘要：结构体系是指结构在抵抗竖向荷载和水平荷载时的传力途径及构件的组成方式。竖向荷载由水平构件（楼盖）和竖向构件（柱、墙、斜撑等）传递到基础，而水平荷载则由抗侧力体系传到基础。在高层建筑中，抗侧力体系的选择与组成是高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点。

关键词： 结构设计，高层，混凝土

1高层建筑按结构材料划分

（1）钢筋混凝土结构体系

钢筋混凝土结构合理利用了钢筋和混凝土两种材料的协同受力性能特点，广泛应用于各种工程结构中。它具有取材丰富，造价较低，耐久性和耐火性较好，维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。由于这些优点使得钢筋混凝土结构成为我国传统的结构形式，在我国的高层建筑中占主导地位。

（2）钢结构体系

钢结构具有强度高，抗震性能好，构件截面小，工厂化生产程度高，施工方便，建设周期短，大跨度、大空间、多用途等特点。同时它也具有结构材料较昂贵，造价较高，钢材易于锈蚀，日后维护费用高，防火性能较差，设计施工技术较复杂等缺点。在发达国家高层建筑的结构体系以钢结构为主，而在我国直至d 80年代中期才在深圳建成我国第一幢高层钢结构建筑--深圳发展中心大厦，但到目前为止，我国已建成和在建多幢高层钢结构，取得了较好的综合经济效益。

（3）钢--混凝土混合结构体系

钢--混凝土混合结构将钢构件和钢筋混凝土构件两者并用，互相取长补短，既充分利用了钢构件具有的材料强度高，截面尺寸小，能提供较大跨度空间的优点，也利用了钢筋混凝土墙体或筒体具有的较大的抗侧刚度和较高的抗震承载力等优点。正因为钢--混凝土混合结构能形成高效的抗侧力体系，用钢量较小，造价较低，具有良好的技术经济效益，因而它在3080层的高层建筑中得到了推广应用。但是这种体系中两种不同材料的结构或构件间的连接技术是其缺点，尚需进--步研究。

（4）钢--混凝土组合结构体系

钢--混凝土组合结构主要包括型钢混凝土结构和钢管混凝土结构，型钢混凝土结构是指混凝土内含型钢的劲性配筋混凝土结构，钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢--混凝土组合结构的优点是，在三向受压状态下极大改善了混凝土脆性性能，承载力高，抗裂性能和抗震性能较好，耐火性能优于钢结构，能在不显著提高造价的情况下增强结构的抗震性能，减小构件截面，施工时无需支撑和模板，施工速度加快。其缺点是节点构造复杂，主要适宜于轴心受压，小偏心受压构件。钢管混凝土结构的优越性能已逐步被人们

所认识，在高层建筑中得到推广应用，有着较好的综合经济效益。

2高层建筑按结构形式划分

多层及高层建筑中传统的、广为应用的是框架、剪力墙、框架--剪力墙结构体系。在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架--筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系

（1）框架结构体系

框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。

框架体系的整体结构的抗侧移和稳定主要靠框架结构自身，其结构侧向刚度差，侧向位移大，因此一般适用于10-12层50m高度以下的建筑。当建筑层数较多时，框架结构的内力和位移很大，不宜选用纯框架结构体系。

（2）剪力墙结构体系

剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3-8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。剪力墙一般采用钢筋混凝土材料，可分为全部为现浇的剪力墙，全部用预制墙板装配而成的剪力墙，内墙为现浇、外墙为预制墙板的剪力墙。

现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体面积大，承载力要求也比较容易满足，抗震性能也较好。因此，它适用于建造高层建筑，在10-SO层都适用，目前我国10-30层的高层公寓式住宅大多采用这种体系。剪力墙结构的缺点和局限性主要是剪力墙间距太小，平面布置不灵活，不适用于建造公共建筑，结构自重较大。

剪力墙结构的平面布置中，要注意刚度均匀，要避免出现又长又实的墙。同时剪力墙结构的设计中需注意刚度适度。为保证剪力墙的延性，通常抗剪承载力对剪力墙截面的确定不起控制作用，而是由轴压比来控制。

（3）框架--剪力墙结构体系

框架--剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。

3.高层建筑结构体系选型的影响因素

高层建筑是一个一个单体，可统计性差、影响因素多，并且多个影响因素之间往往相互制约，从信息角度讲：它的不确定以及不确知的信息多，同时其综合性也很强。高层建筑的结构方案不仅仅取决于力学分析，而且应该综合考虑到环境、经济、安全、适用性等综合因素，决策十分复杂。我们只能考虑其中主要因素，忽略次要因素的影响；注意各影响因素可能具有的层次性，不同因素之间存在的连续性，以及这些影响因素综合起来对整个结构选型有具有一定的模糊性。对于千差万别的建筑方案除了考虑美学因素以外，影响高层建筑结构选型的主要因素可以简要的归纳为：

1）环境条件。主要包括建筑抗震设防烈度、建设场地类别、基本风压以及基本雪压等自然环境因素。

2）建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度和层数、高宽比、长宽比以及建筑体型。每一种结构形式都有其各自的特点以及适用性，考慮到经济的原因也就有了各自的适用高度。我国的《抗震规范》以及《高规》均给出了每一种常见建筑结构体系的适用高度。

3）建筑功能要求。结构是为建筑服务的，所以结构的布置必须满足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼，某种功能的建筑可能只有某几种结构形式与之相配。例如高层住宅，由于其使用空间较小，分隔墙体较多，且各层的平面布置基本相同，通常比较适宜采用剪力墙或框架--剪力墙结构。

4）建筑材料。建筑材料对建筑的影响是非常大的，可以说是至关重要。每一次建筑高度的突破，都伴随着建筑材料的革新。在多层建筑中，水平荷载处于次要地位，结构的荷载主要是竖向荷载。由于楼层少，高度低，对材料的强度要求不高，因此结构选型比较灵活，受制约条件较少。

1徐培福主编.复杂高层建筑结构设计[J]，北京：中国建筑工业出版社，2005

23姚兵编著.我国混凝土技术的成就和发展[M]，北京：中国建筑工业出版社，2003

3国振喜主编.简明钢筋混凝土结构计算手册[M]，北京：中国机械工业出版社，2003