高层房屋结构体系选择问题

Answer 1

高层建筑的受力特点是承受直荷载和水平荷载的作用。在低层结构中，水平荷载产生的内力很少，结构以抵抗垂直荷载产生的轴力为主；弯矩和剪力的影响较小、侧向位移很小，通常可以忽略。随着建筑高度的增加，水平荷载（风或地震力）产生的内力和位移迅速增加。
　　由于上述特点，选择经济而有效的结构体系是多、高层结构的重要内容，在钢筋混凝土多、高层建筑中随着层数的不同，主要可选用以下几种结构类型：

（1） 框架结构

　　框架是由横梁和柱通过结点而组成。框架的横梁或柱，既承受垂直荷载、也承受水平荷载。在多层和高层房屋中，根据房屋的平面布置及垂直高度空间的要求，有的是单跨多层框架，而更多的是多层多跨框架；框架可以是等跨的或不等跨的。层高可以是相同的，也可以是不相同的；个别还有错层的。

　　随着房屋层数的增多和总高度的增加，水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量的控制作用就愈大，在框架结构中更加突出，因而在非地震区，框架结构最多可用到15层左右、一般控制在10层。

　　框架横梁的内力，主要是剪力和弯矩，轴力较小可以忽略不计，柱的内力，主要是轴力和弯矩，而剪力较少可以忽略不计。

　　框架结构的主要优点是：建筑平面布置灵活、可形成较大的空间、且在立面处理上，也易于表现建筑艺术的要求

（2） 剪力墙结构

　　剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构，它既承担垂直荷载、也抵抗水平力。因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑，故在其身平面内有很大的侧向刚度，属于刚性结构，能承受较大的水平荷载（剪力）、“剪力墙”即由此而得名。

　　实际上，在水平荷载作用下，剪力墙是一个底部固定、顶端自由的竖向悬臂梁，主要是因墙肢的拉、压而产生“弯曲型”变形。

　　剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间，建筑布置和使用都受到一定的限制，故多用于仅需小开间的住宅、公寓、旅馆等居住性建筑，在工业建筑中很少采用。

　　剪力墙结构的侧向刚度大，在水平荷载作用下的侧移量少，故能适用于较高（15至35层）的高层房屋。

　　剪力墙结构的缺点和局限性也是很明显的，主要是剪力墙间距不能太大、平面布置不灵活、不能满足公共建筑的使用要求、结构自重较大。

　　此外，由于剪力墙结构刚度大、吸引的地震力也大。若在配筋和构造上处理不当，在强烈地震下，可能出现整体倾复或在受力大的部位产生严重破坏。

（3） 框架――剪力墙结构（简称框――剪结构）

　　所谓框架－剪力墙体系，是指由框架和剪力墙共同承受竖向荷载的高层建筑结构承重体系。

　　在高层建筑中，若由框架来承受水平力，显然不够经济合理，而采用剪力墙体系又难以满足使用上大开间的要求，采用框架－剪力墙体系，则二者可兼顾。它可以使建筑平面布置比较灵活，也可以满足结构在强度上和抗侧移刚度方面的要求，所以，框架－剪力墙体系在高层建筑中广为应用。

　　在框架－剪力墙体系中，竖向荷载主要由框架承受，而风荷载等水平荷载则主要由剪力墙承受，在一般情况下，剪力墙要承受70~90％的水平荷载。

　　剪力墙的布置应满足使用上的要求，尽量与隔墙位置相吻合。除此之外，剪力墙宜放在恒载较大处，并宜尽量均匀对称，否则，在风荷载作用下，房屋将会发生扭转。为墙强房屋的抗扭能力，剪力墙宜布置在房屋各区段的两端、在平面形状或刚度有变化处，以加强该薄弱环节。

　　框架－剪力墙结构方面：由于近年层数越来越多、高度加大，使得底层的墙柱内力迅速增大，如广州《广东国际大厦》钢筋混凝土结构――63层的底层柱截面达到1.8×2.2米，增加了建筑布置困难、使用上亦很不方便。

　　如果改用"钢管高强混凝土柱"，则柱的直径减至1~1.3米左右、用钢量省、造价亦可降低。现在，上海、广州及深圳新设计的超高层建筑已多采用。例如：广州的《好世界广场》就是采用了"钢管高强混凝土柱"，使柱的直径大为减少。

（4） 筒体结构

　　所谓筒体结构，是指由一个或几个筒体作竖向承重结构的高层屋结构体系。

　　筒体体系适用于层数较多的高层建筑。采用这种体系的建筑，其平面是正方形或者接近正方形。

　　筒体体系的建筑，按筒体的形式、布置和数目上的不同，通常分下面的几种：

　　1） 如果利用空间受力体系的筒体结构来抵抗水平荷载，利用建筑平面上的电梯间、楼梯间或管道井等组成的核心筒来抵抗水平荷载，或利用建筑物四周的外墙来组成外筒以抵抗水平荷载的结构，均称为"单筒体结构"。

　　2） 如果外筒体和内核心筒体同时存在并共同抵抗水平荷载的结构称为"筒中筒结构"（包括双筒体、三重筒体等）。

　　3） 整个建筑物的外墙由刚度很大的窗裙深梁和间距很近的密排柱形成空间网络所组成的直立多孔筒体，称为"框筒结构"。

　　在高层建筑平面尺寸过长，也需要设置变形缝。

　　综上所述，目前设计中究竟采用哪种结构体系，要经过方案比较确定，这主要要看拟建建筑物的高度、使用要求、施工条件和经济比较而定。

　　框架结构――如果拟建建筑物为宿舍，高度又比较高，就选择剪力墙结构，因为居住建筑要有足够的隔墙。

　　框－剪结构――当建筑物的底部需要设商店和大开间的门厅、餐厅时，则采用框支剪力墙结构；再如建建筑为高层办公楼或公寓，当高度不太高时，宜采用框－剪结构。

　　简体结构――当高度较高时，宜采用外框架、内核芯筒结构；再高时，则采用筒中筒结构，即采用外框架筒和内核芯筒结构。这类结构外框架筒可以开窗，以满足采光要求，在内筒中布置电梯井、管道竖并及生活间等。