浅析我国高层建筑结构形式

陈高鹏 吴 帅 玄 超 吴月磊（山东科技大学土木工程与建筑学院 山东省青岛市 266590）

浅析我国高层建筑结构形式

陈高鹏 吴 帅 玄 超 吴月磊
（山东科技大学土木工程与建筑学院 山东省青岛市 266590）

随着社会技术和经济的不断发展，城镇化建设进程不断深入，对于自有住房，城镇居民的要求日益提高。住宅向高层发展是解决城市土地资源稀缺的有效方法，业主及用户的首选也越来越倾向高层住宅。各种结构的特点及性能在下文中得到详细介绍，现阶段高层建筑几种主要的结构形式也在下文中得到清晰的反应。

框架结构；剪力墙结构；筒体结构

在初期阶段，高层建筑设计的目的和用途都很单一，例如高层居民住房、高层酒店、高层行政办公场所等。近些年来高层建筑的发展进入一个新的更加快速的阶段，体型结构复杂多样、具有多样性用途的建筑成为发展的新方向。渐渐的人们发现许多有关生活工作的便利设施可以设置在建筑住宅底层，综合性多用途高层建筑开始设置大量的集商铺、写字间、停车场等为一体的商用大楼，特别是在城市道路两侧，形成了当代高层建筑发展的大方向。

1 框架结构

多层结构和小高层结构通常应用框架结构方案，高度的适用范围通常为不超过六十米（六度设防）。使用较为方便，结构布置灵活，室内空间相对较大是框架结构的优点。出于使结构自重减轻的目的，框架结构的填充墙通常使用轻质隔墙。但是框架结构向内凸出的各种框架柱使室内的使用面积及放置家具受到一定的影响。框架结构一般用于多层结构的形式，它由多梁柱组成，灵活的空间，抗震抗风的能力相对弱，公共的多层建筑常采用这种形式，超高层建筑很少见到框架结构形式。

梁和柱组成了框架结构的受力体系，它们是用来承受竖向荷载的，对于水平荷载的承受能力方面是很差的。在设计中，竖向荷载受风荷载影响很小，房屋层数少时起到控制作用，但是层数相对多时，有很大影响的荷载将是水平荷载，按框架结构设计将使梁、柱的截面尺寸过大，从在技术经济上方面来考虑不如其他结构体系合理。框架结构如果被采用到高层建筑中，剪力墙或钢结构会在某些部位被采用，钢框架结构也出现在当前的一些框架结构中。

2 剪力墙结构体系

用钢筋混凝土墙和板来承担水平荷载和竖向荷载的空间结构称作钢筋混凝土剪力墙结构，维护和分隔构件也是剪力墙结构的墙体，整体性能良好，截面惯性矩较大墙板，使剪力墙体系的有很大的侧向刚度，承受水平荷载的能力也相应的增大。因此抗侧向力强，抗震性能好，变形相对小是剪力墙结构体系比较明显的特点。在水平荷载作用下，纵墙和横墙在剪力墙结构体系中的工作状态就像一根悬臂深梁嵌固于基础顶面，墙体在压力、弯矩、剪力的作用下工作。剪力墙得水平力由与力平行的，如同水平隔板的楼面板分配。这些剪力墙通过剪力和受弯来抵抗倾覆，因为它们像深梁一样引起的刚度很大。由于横墙较密, 宾馆和居住房屋中往往采取剪力墙结构体系。

高层结构住房经常使用普通剪力墙结构，特别在三十层左右的高层住房结构设计中广泛应用。这种方案的优点是凭借建筑平面结构进行钢筋混凝土墙的布置，布置结构洞在恰当部位，用轻质填充墙替代，对降低工程造价和减轻结构自重起到很大的作用，能使各个墙段刚度均匀，且具有良好的抗震性，层间位移和水平位移有效减小，特别在实际使用面积及房间内部家具布置中作用尤为明显。

对于抗震性能相对较差短肢剪力墙结构中的短肢剪力墙，在地震区这类结构的应用经验并不很多，出于安全的考虑，对此类结构抗震设计的适用最大设计高度、适用范围、抗震级别、两根连梁之间墙的厚度、轴压比、纵向钢筋配筋率都做了比较严格的限制。

3 框架—剪力墙结构

高层结构常采用框剪结构，高层结构设计中近几年的应用比较广泛，这种方案的优点是大部分水平荷载是由楼电梯间钢混结构核心筒抵抗，竖向荷载由框架柱承担，层间位移和水平位移减少比较明显，相对框架结构轴压比限值放宽，但是涉及结构框架柱的构造要求，在实际计算中如果轴压比大于 0.90，那么柱的配筋相对较大，和框架结构对比，相应的小柱网的住宅中，柱截面设计尺寸不可能比框架结构小太多，上面提到的空间使用问题仍然不能很好解决。

框架剪力墙的一种派生结构是异型柱框架剪力墙结构体系，这种方案的优点是大部分水平荷载由楼电梯间钢混核心筒抵抗，竖向荷载大部分由异型柱承受，层间位移和水平位移显著减少。异型柱由于与墙同宽能更大限度的使用建筑空间。六度的地区，通常总高度45.0m是框架剪力墙结构的上限，柱中距应小于7.20m。异形柱在抗震等级要求下有以上的约束条件原因主要是，其肢长较短，对于高度较高的建筑，其轴力和抗侧力的需求没法得到满足。六度的区域，高度超过十八米的建筑物抗震等级即为三级，就这方面而言比框架结构（六十米）更高。

在框架结构中，合适位置设置合适数量剪力墙形成的框架剪力墙结构体系。抗侧力构件包括各片剪力墙及各榀框架，框架及剪力墙在竖向荷载作用下承受各自传递范围内楼面荷载。在受力性质和变形特点方面两种结构是不一样的，剪力墙在水平力作用下是竖向悬臂弯曲结构，呈弯曲形的变形；框架是剪切形变形曲线，由无限大刚度的板连接起来，使其有协调一致的水平位移。

4 筒体结构

单个筒体或者多个筒体作为竖向承重结构的高层结构是筒体结构体系。层数比较多的高层建筑适合筒体体系。在侧向风荷载的作用下，刚性箱型截面悬臂梁类似于筒体结构的受力。受拉的部分将是筒体结构的迎风面，而受压的部分是筒体结构的背风面。选用筒体结构体系的建筑，它的平面最优选择接近正方形或者正方形。

在框筒体系，间距很近的密排柱以及刚度非常大的窗裙深梁形成的空间网络组成直立多孔筒体构成整个建筑物的外墙，称为"框筒结构"。通常剪力墙构成体系的内芯，周边是框架结构的筒体；筒中筒体系，筒体单元的组合构成了筒中筒结构。在水平荷载作用下，筒体可看作箱形悬臂构件嵌固于基础上，抗扭侧刚度及承载力比单片平面结构更大，并且抗扭刚度也较好；刚架、核心筒、拱等作为悬挂结构的主要承重部分，全部楼面都采用吊索、钢丝束牢固的挂在上面所说的承重部分上所形成的一种新型结构。充分利用吊杆的抗拉性能和混凝土抗压性能的悬挂结构，有有效面积大、用钢量小、自重轻等优点。选用多筒悬挂体系的震区高层结构，能有效的降低地震作用，对结构的抗震可靠度有所升高；桁架筒体系是为抵抗水平荷载增加斜撑的筒体结构，结构承受水平力的能力得到进一步提升，体系的刚度也得到增加，此类结构体系称作桁架筒体系。

5 结论

通过本文的浅析，让我们了解到高层建筑作为现代都市的标志，有其发展的必然性，也使我们加深了对我国高层建筑各种形式的了解，让我们更加向往未来中国的高层建筑。由于人口密度大，用地紧张是我国城市的基本情况，高层建筑的发展势头在我国还将持续下去。将会出现更加复杂和多样化的建筑体型，结构体系决不可能仅停留在现有的几种形式上，随着科学技术的迅猛发展，新的结构体系为更好地满足建筑艺术上的需求和建筑功能将会被创造，计算机绘图和分析在高层建筑的设计中也将更多地被应用，集建筑、设备、电气、结构等为一体的集成化程序将被编制出，高层建筑的设计将更加完善。

[1]徐培福，王翠坤. 中国高层建筑结构发展与展望. 建筑结构. 2009.09.

[2]左双洁. 新时期我国高层建筑结构的发展趋势及未来. 科技传播. 2013.

[3]聂群华. 浅析高层建筑结构设计. 中国建筑科技. 2014.10.

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