【作者】 劉祥 （安徽理工大學）
【摘要】通過對於目前高層建築的結構體系的大致分析，並總結高層建築結構體系的發展趨勢，可供設計人員和施工人員等參考。
【關鍵詞】鋼筋混凝土結構鋼結構發展趨勢
結構藝術，對於傳統的建築藝術來講，是相對新的概念。它建立在對工程原理—特別是結構原理和效能—充分理解的基礎上，幷包含三個基本要素：效能，經濟和雅緻。
結構的效能，主要應考慮充分發揮結構材料的力學效能，有效減少結構材料的消耗，達到少費多用的目的。結構的經濟，即結構的經濟性，就是要求用較少的錢建盡可能多的建築。不過，用最少的材料和造價進行設計還是不夠的，單純的效能和經濟觀點已經造出太多沒有吸引力的結構物。
所以，在這兩個方面還必須補充雅緻這個要素，即用美學的原則來表現結構，使結構物昇華為結構藝術。
總之，優秀的作品必須具備技術和藝術兩方面的高品質。同時，考慮到社會現實的因素，結構的經濟性也不可忽略。結構只有同時具備了以上三方面基本要素時，才可能昇華為結構藝術。
高層建築結構設計的特點
高層建築整個結構單元的簡化計算模型就是一根豎向懸臂梁，受豎向荷載和水平荷載的共同作用。豎向荷載w在豎向構件中產生的軸向力n，水平荷載q在懸臂梁底部產生的傾覆彎矩m和在頂端產生的水平側移△和建築高度有如下關係:
n=wh m=q·h/2 m=q·h/3 △=q·h·h/8ei △=11q·h·h/120ei
(式中e為結構材料的彈性模量；i為懸臂梁橫截面慣性矩）
同低層建築相比，高層建築結構的內力與變形有以下的特徵：
（1）水平荷載成為決定因素
（2）側移成為控制指標
（3）結構延性是重要設計指標
高層建築結構體系
一.鋼筋混凝土結構體系
（一）三種鋼筋混凝土基本結構體系簡介
在高層建築中，有型別豐富多樣的鋼筋混凝土結構體系，但最基本的但仍然是框架體系，剪力牆體系和筒體體系這三種型別。
1.框架體系
整個結構的縱向和橫向全部由框架單一構件組成的體系稱為框架體系。框架即負擔重力荷載，又負擔水平荷載。框架體系的優點是建築平面布置靈活，可提供較大的內部空間。
但由於本體系屬於柔性結構體系，在水平作用荷載下，它的強度低，剛度小，水平位移大，所以在高烈度**區不宜採用。
2.剪力牆體系
所謂剪力牆體系，是指該體系中豎向承重結構全部由一系列橫向和縱向的鋼筋混凝土剪力牆所組成。剪力牆不僅承受重力荷載作用，而且還要承受風，**等水平荷載的作用。同框架體系相比，該體系側向剛度大，位移小，屬於剛性結構體系。
但建築平面布置不夠靈活，適合於像高層公寓，賓館這種空間要求較小，分隔牆較多的建築。
3.筒體體系
筒體結構由框架或剪力牆合成豎向井筒，並以各層樓板將井筒四壁相互連線起來，在水平荷載的作用下，整個筒體就像一根粗壯的拔地而起的懸臂梁把水平力傳至地面。筒體結構不僅能承受豎向荷載，而且能承受很大的水平荷載。另外，筒體結構所構成的內部空間較大，建築平面布局靈活，因而能適應多種型別建築。
筒體可分為實腹式筒體和空腹式筒體兩種。由剪力牆圍合成的筒體稱為實腹式筒體，由密集立柱圍合成的筒體則稱為空腹式筒體。
（二）常用鋼筋混凝土結構體系
在實踐過程中，以上三種基本結構體系是遠不夠的。在它們的基礎上，針對不同建築高度和建築型別的需要，又發展了如框支剪力牆，框架—剪力牆，框架—筒體等結構體系。
1.框支剪力牆體系
a ：體系構成和適用範圍
該體系在高層旅館，高層綜合樓中運用較多。它們的共同特徵就是在建築上部為小空間，底部為大空間。針對這種情況，建築上部採用剪力牆結構，下部採用框架體系比較符合建築功能對空間使用的要求，因而就形成了框支剪力牆體系。
b ：受力特徵
該體系上部剛度大，底部剛度小，上下剛度在交接處產生突變。**時，底部框架極容易遭到嚴重破壞，從而引起結構的整體失效。因此在設計時，應注意增加底部框架的剛度和承載力，縮小建築上下的剛度差距。
c ：結構布置
為了縮小該體系高層建築上下之間剛度的差距，應將上部結構中的一部分剪力牆延伸至底部大空間，以增加下部結構的剛度，同時，落地剪力牆中應即有縱向牆體又有橫向牆體。
2.框架—剪力牆體系
a ：體系構成和受力特徵
框架—剪力牆體系,是在框架的體系的基礎上增設一定數量的縱向和橫向剪力牆，並使框架柱，樓板有可能連線而形成的結構體系。建築的豎向荷載又框架柱和剪力牆共同承擔，而水平荷載則主要有剛度較大的剪力牆來承受。
b ：適用範圍
在高層建築的結構體系中，該體系是一種經濟有效的，應用範圍較為廣泛的結構體系。
c ：結構布置
剪力牆是該體系中的主要抗震構件，應該沿建築平面的主要軸線方向布置，保證可以承擔來自各個方向的水平**作用。每個方向剪力牆的布置均應盡量做到：分散，均勻，周邊和對稱四準則。
應適當多設定一些雙肢牆，保證建築的穩定性。
3.框架—筒體體系
a ：體系構成和受力特徵
由筒體和框架共同組成的結構體系稱為框架—筒體體系。筒體是乙個立體構件，具有很大的抗推剛度和強度，作為該體系的主要抗側力構件，承擔起絕大分的水平荷載。而框架主要承擔重力荷載。
從建築平面布置來看，通常將所有服務性用房和公共設施都集中布置於筒體內，以保證框架大空間的完整性，從而有效提高建築平面的利用率。
b ：適用範圍
該體系中，由於有立體構件—筒體的存在，使得它的剛度大大加強，能抵抗更大的側向力的作用。同時，該體系能充分有效地利用建築面積，具有良好的技術經濟指標。
4.筒中筒體系
a ：體系構成和適用範圍
由兩個及兩個以上的筒體內外巢狀所組成的結構體系，稱為筒中筒體系。根據筒體巢狀數量的不同，又分為二重筒體系，三重筒體系等。筒中筒結構形成的內部空間較大，加上其抗側力效能較好，特別適用於建造辦公旅館等功能的超高層建築。
b ：受力特徵
該體系中，由於是幾重筒體共同工作，故比單筒的抗側力和水平力要強的多。一般來講，外圈的框筒具有很大的整體抗彎能力，但抗剪能力不高；內圈的牆筒抗彎能力比框筒小，但它的抗剪能力很強。二者配合，相得益彰。
5.框筒束體系
a ：體系構成適用範圍
框筒束體系是由兩個及兩個以上的框筒並置在一起所形成的結構體系。
b ：受力特徵
框筒束體系抗剪能力較差。為保證該體系的整體性，應設定內牆筒，或者沿兩個主軸方向設定一定長度的剪力牆，與框筒束配合使用，以增強整個體系抵抗水平剪力的能力。
c ：適用範圍
由於框筒束能夠利用若干個框筒組合成各種不同的平面形狀，而且其中的每乙個單筒又可根據上面各層樓面面積的實際需要，在任何高度終止。所以，鋼筋混凝土框筒束體系在高層建築中的應用也日益廣泛。
二.鋼結構體系
（1）鋼結構的特點
1.節約結構面積
2.減輕結構自重，降低基礎工程造價
3.縮短施工週期
4.抗震效能好
5.用鋼量較大
6.耐火效能差
（2）鋼結構主要體系
1.框架體系
a ：體系構成
框架體系是指沿建築的縱向和橫向，均採用框架作為主要構件所構成的結構體系。框架即是承重構件，也是抵抗側力的構件。
b ：受力特徵和適用範圍
鋼框架體系抵抗側力的水平不強。當水平荷載較大時，為提供足夠的抗彎剛度，梁柱截面會變得很大，以致超出經濟的範圍。所以鋼框架結構高層建築的高度受到一定的限制。
由於框架體系能夠提供較大的內部使用空間，因而建築布置靈活，能適應多種建築功能的需要。此外，框架體系的桿件型別少，構造簡單，施工周期短。所以，對層數不太多的高層建築來說，框架體系是一種應用比較廣泛的結構體系。
2.框筒體系
a ：體系構成
該體系又稱為外筒體系。其外圈由密柱，深梁和框架圍成框筒，它具有很大的抗推剛度，幾乎承擔了所有的水平荷載。在建築內部僅設一般框架，承受豎向重力荷載，構造簡單，而且可以採用較大跨度，為建築提供較大空間。
為了保證框筒體系密柱，深梁的實現，減少剪力滯後效應的影響，並考慮到建築功能的需要，鋼框筒的外立面開洞率一般控制在30%左右。
b ：受力特徵和適用範圍
筒體結構體系具有如下特點：抗側力構件由建築平面中心移向周邊，加大了抗側力體系的寬度，減小了其高寬比。用立體構件替代平面構件，提高了抗側力體系的效能。
抗側力構件與承重構件二者合一，加大了抗側力構件所承擔的重力荷載，並避免了抗側力豎向構件出現過大拉力。
框筒體系用於方形圓形正多邊形等具有雙對稱軸的平面最為有效。但是，該體系用鋼量較大，外圈框架密柱深梁柱距較小，立面開洞率受到限制，這是在建築設計中必須考慮到的。
3.筒中筒體系
a ：體系構成
筒中筒體系由兩個及兩個以上的內外框筒組成。它與框筒體系的不同之處就是將原來的承重框架換成由密柱深梁組成的內框筒與外框筒協同工作。為了進一步提高結構抵抗水平荷載的能力，通常還在內框筒中設定支撐。
b ：受力特徵和適用範圍
筒中筒體系進一步提高了結構的抗推剛度，減小了結構頂點位移。還可以利用建築的頂層和裝置層設定內外框筒之間的伸臂桁架，提高結構的整體抗彎能力。它所適用的平面也形狀，外圈框筒柱的柱距及外立面的開洞率也受到一定限制，亦對建築設計提出了一定的要求。
4懸掛體系
a ：體系構成
懸掛體系是指採用吊桿將高層建築樓蓋分段懸掛在主構架上所構成的結構體系。主構架承擔全部側向荷載和豎向荷載，並將它直接傳至基礎。
b ：受力特徵和適用範圍
鋼材是勻質材料，具有很高的而且幾乎相等的抗拉和抗壓強度。鋼結構懸掛體系能夠充分利用材料強度，而且能夠採用高強度鋼，是一種經濟有效的鋼結構體系。
在懸掛體系中，除主構架落地外，其餘部分均從上面吊掛，可以不落地，為建築設計實現底層全開敞提供了可能性。該體系對於**區的高層建築尤其適合。它可以減小**作用，有利於提高結構的抗震可靠度。
雖然對於高層建築存在許多爭論，但由於人口不斷增加，可利用土地資源不斷減少，高層建築並未停止它前進的步伐，特別是在發展中國家，這一趨勢更加明顯。
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