多高层建筑混凝土结构体系的特点及适用范围

多高层建筑混凝土结构体系的特点及适用范围

周鹏生

景森设计股份有限公司广州510665

摘要：伴随着经济的发展和人类文明的进步，多高层建筑的结构体系也在不断的变化和增多，本文通过对多高层建筑混凝土结构体系特点及适用范围的论述，希望对建筑结构设计人员有所指引。

关键词：多高层建筑；结构体系；特点；适用范围

多高层建筑的结构体系从大到方向分主要有框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙（筒体）结构、混合结构体系等。多高层建筑应根据房屋的高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术条件等因素，选用合适的结构体系。

1.框架结构

1.1框架结构体系的特点

框架结构由梁、柱刚性连接组成。

1.1.1优点：柱网间距可大可小，建筑平面布置灵活便于获得较大的使用空间，钢筋混凝土延性框架结构，具有较好的抗震性能。

1.1.2缺点：横向抗侧移刚度小，侧向变形大。

1.1.3框架结构适用范围：适用需要大空间的、层数不宜太多、房屋的高

度不宜太高的建筑，例如教学楼、商场、车站、展览馆、停车库、酒店等。建造高度以60m以下为宜。框架应当纵横双向布置，形成双向抗侧力体系，框架结构在水平力作用下侧向变形的特征为剪切型。框架结构用于比较高的建筑时，需要较大的梁柱才能满足侧向变形限值要求，经济指标不好。

2.剪力墙结构

2.1剪力墙结构体系的特点

剪力墙结构由钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和抵抗水平荷载。

2.1.1优点：剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，平力作用下侧移小，并且由于极少有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。钢筋混凝土延性剪力墙，具有较好的抗震性能。

2.1.2缺点：剪力墙的间距小，平面布置不灵活，不能提供大空间房屋。

2.1.3剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身宿舍。当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、门厅、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。在框架一剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。剪力墙结构应用最多的是10~30层的高层住宅。高度很大的剪力墙结构并不经济。

为了适用任何方向的水平力（或地震作用），因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。

3.框架-剪力墙结构

3.1框架-剪力墙结构体系的特点

框架-剪力墙结构由框架及钢筋混凝土墙体共同承受竖向荷载和抵抗水平荷载，由于框架结构的主要特点是能获得大空间的房屋，房间布置灵活。而其主要弱点是侧向刚度较小，侧移较大。而剪力墙结构侧向刚度大，可减小侧移。但是纯剪力墙结构无法布置大空间房屋。因此，框架一剪力墙结构体系恰好是对两者取长补短。

3.1.1优点：既能布置大空间房屋与小空间房屋，布置灵活，又具有较大的侧向刚度，弥补纯框架结构之不足。

3.1.2缺点：由于功能要求，剪力墙布置位置往往受到限制，往往不可避免地造成刚心、质心不重合，产生偏心扭矩。同时其侧向刚度还是偏小，房屋建造高度受到限制。

3.1.3框架-剪力墙结构广泛用于层数较多（一般为20～50层）、房屋总高较高的建筑，而且可以灵活布置大小空间房间，适应较多的建筑功能要求。对于地震区建筑来说，框架-剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架。由于框架、剪力墙协同受力，在水平力作用下，框架-剪力墙结构的侧移曲线呈弯剪型。弯剪型侧移曲线的层间变形沿建筑高度比较均匀。

为适应更大的建造高度，由框架-剪力墙结构体系衍生出框架-核心筒结构与筒中筒结构体系。

框架-核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成。一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内；其他需较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。由于核心筒实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构，具有更好的整体性与抗侧刚度。

框架-核心筒结构体系适用于高度较高，功能较多的建筑。

筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成。空腹外筒由密排柱及高度较大的横梁组成。筒中筒结构体系具有更大的整体性与侧向刚度，因此适用于高度很大的建筑。如果将若干筒体组合成成组筒结构体系，则侧向刚度更大，可适用于特别高的超高层建筑。

4.混合结构

4.1混合结构体系的特点

由多种不同材料构件组成的结构体系称为混合结构体系。由于不同材料制成的构件有不同的特点，有其明显的优点，采用不同材料构件组成的混合结构体系，实际上是各种构件的优化组合。

钢管混凝土构件是有效利用混凝土的约束强度，在三向约束下，混凝土的抗压强度可比单向抗压强度提高数倍。正是利用这一特点，混凝土处于三向约束的钢管混凝土最适宜用于以受压为主的轴心受压或小偏心受压柱以及其他受压构件。钢管混凝土构件的主要优点是抗压强度高，延性好，浇灌混凝土时不需模板。广泛用于高层建筑的柱子、拱桥的受压拱圈、高层建筑与高耸结构的受压弦杆等。

型钢混凝土构件是在混凝土中主要配置型钢（包括轧钢型钢与焊接型钢）的构件。一般也配置一些构造钢筋及辅助受力钢筋。型钢混凝土可制作成柱、梁、剪力墙、筒体等。

它们的特点是强度高、刚度大、断面小、延性与抗震性能好，防火性能好等。它可以和钢结构混合使用。例如下部若干层为型钢混凝土结构，上部为钢结构，以增大高层建筑的刚度，减少风荷载或水平地震作用下的侧移。型钢混凝土结构也可和钢筋.混凝土结构混合使用。例如核心筒为钢筋混凝土结构，外框架为型钢混凝土的框架一筒体结构。框架结构或框剪结构中也可下部数层用型钢混凝土结构、上部用钢筋混凝土结构。

4.1.1优点：既能布置大空间房屋与小空间房屋，布置灵活，又具有较大的侧向刚度，且构件尺寸相对轻巧。

4.1.2缺点：房屋造价及施工难度较高。

4.1.3混合结构广泛用于各类超高层建筑及异型结构。

5.复杂高层结构

5.1复杂结构体系的特点

5.1.1带转换层的高层建筑结构在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件，如剪力墙、框架柱不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层。在结构转换层布置转换结构构件。

转换结构构件可采用梁、衍架、空腹析架、箱形结构、斜撑等；非抗震设计和6度抗震设计时转换构件，以及7、8度抗震设计的地下室的转换构件可采用厚板。

关于转换层的设置位置《高规》规定，底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时其层数可适当增加；底部带转换层的框架-核心筒结构和外筒为密排柱的筒中筒结构，其转换层位置可适当提高。

5.1.2带加强层高层建筑结构当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可沿竖向利用建筑避难层、设备层空间，设置适宜刚度的水平伸臂构件，构成带加强层的高层建筑结构。必要时，也可设置周边水平环带构件。加强层采用的水平伸臂构件、周边环带构件可采用斜腹杆析架、实体梁、整层或跨若于层高的箱形梁、空腹衍架等形式。加强层的位置和数量要合理有效。当布置多个加强层时，加强层宜沿竖向从顶层向下均匀布置。

5.1.3错层结构

由于功能与建筑的需要，有时同一层房屋的楼板不在同一高度，而使楼层产生错层。抗震设计时，高层建筑宜避免错层。当抗震建筑中楼层错层时，宜采用防震缝划分为独立的结构单元，错层两侧宜采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系。

错层结构中，错开的楼层应各自参加结构整体计算，不应归并为一层计算。

5.1.4多塔楼结构

两个或两个以上塔楼用裙房（底盘）相连组成多塔楼结构，以满足多种功能的需要，便如商住楼、商办楼以及宾馆等，由于其体型复杂，不仅增加了计算难度，尤应重视其平面及竖向布置，并应加强构造措施。

6.新型及不常用结构体系

高层建筑除了上述主要结构体系外，近年来随着建筑科学的发展以及经济建设，城市建筑发展新的要求，出现了一系列新的结构体系，其中有巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挂和悬挑结构、隔震、减振结构等。虽然目前采用这些结构体系的工程尚较少，但对结构的研究也在深人成熟，有些已经能逐步推广于设计与施工中。

结论

文中多高层建筑混凝土结构体系的特点及适用范围，针对不同的结构体系，设计人员应根据其特点及使用范围合理选取，已最大限度的满足各类建筑物的使用要求，并尽可能的经济、适用。

参考文献：

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）

[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010）

[4]多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例（第二版），李国胜，《中国建筑工业出版社》2011年8月