高層結構設計體系選型與優化研究

王菁菁　張巖

【摘 要】對于同一個設計，不同的結構工程師可能采用不同的結構體系，選用不同的結構材料來實現同一設計目標，使得最終的經濟性能不同，甚至相差很大。因此就非常有必要對結構材料、結構體系以及基礎形式等進行比選和優化。

【關鍵詞】高層；優化；設計

【Abstract】For the same design， different structural engineers may have different structural systems， use different materials to achieve the same structural design goals， making the final economic performance of different， even a big difference. Therefore， it is necessary for structural materials， structural systems and forms the basis for comparison and selection and optimization.

【Key words】Level；Optimization；Design

結構體系是指結構在抵抗豎向荷載和水平荷載時的傳力途徑及構件的組成方式。豎向荷載由水平構件和豎向構件傳遞到基礎，而水平荷載則由抗側力體系傳到基礎。在高層建筑中，抗側力體系的選擇與組成是高層建筑結構設計的首要考慮及決策重點。

1. 高層建筑按結構材料劃分

1.1 鋼筋混凝土結構體系。

鋼筋混凝土結構合理利用了鋼筋和混凝土兩種材料的協同受力性能特點，廣泛應用于各種工程結構中。它具有取材豐富，造價較低，耐久性和耐火性較好，維護費用低，結構造型靈活，整體性能好等優點。由于這些優點使得鋼筋混凝土結構成為我國傳統的結構形式，在我國的高層建筑中占主導地位。

1.2 鋼結構體系。

鋼結構具有強度高，抗震性能好，構件截面小，工廠化生產程度高，施工方便，建設周期短，大跨度、大空間、多用途等特點。同時它也具有結構材料較昂貴，造價較高，鋼材易于銹蝕，日后維護費用高，防火性能較差，設計施工技術較復雜等缺點。

1.3 鋼一混凝土混合結構體系。

鋼一混凝土混合結構將鋼構件和鋼筋混凝土構件兩者并用，互相取長補短，既充分利用了鋼構件具有的材料強度高，截面尺寸小，能提供較大跨度空間的優點，也利用了鋼筋混凝土墻體或筒體具有的較大的抗側剛度和較高的抗震承

載力等優點。

1.4 鋼一混凝土組合結構體系。

鋼一混凝土組合結構主要包括型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構，型鋼混凝土結構是指混凝土內含型鋼的勁性配筋混凝土結構，鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構件。

2. 高層建筑按結構形式劃分

多層及高層建筑中傳統的、廣為應用的是框架、剪力墻、框架一剪力墻結構體系。在高度較大的高層建筑中，應用較多的是框架一筒體結構、框架結構、筒中筒結構及多筒結構等結構體系。

2.1 框架結構體系。

框架結構體系采用梁、柱組成的結構體系作為建筑豎向承重結構，并同時承受水平荷載，適用于多層或高度不大的高層建筑。框架結構的布置要注意對稱均勻和傳力途徑直接。傳統的結構布置采用主次梁的作法為主，逐步向扁梁或無蓋梁發展。框架柱是框架結構的主要豎向承重和抗側力構件，以受壓應力為主。

2.2 剪力墻結構體系。

剪力墻結構體系是利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側力的結構體系。剪力墻的間距受樓板構件跨度的限制，一般為3～8米。因而剪力墻結構適用于要求小房間的住宅、旅館等建筑。

2.3 框架一剪力墻結構體系。

框架一剪力墻結構是將框架和剪力墻結合在一起而形成的結構形式。它既有框架結構平面布局靈活、適用性強的優點，又有較好的承受水平荷載的能力，是高層建筑中應用比較廣泛的一種結構形式。合理的結構設計，將能使框架、剪力墻兩種不同變形性能的抗側力結構很好地協同工作共同發揮作用。

2.4 筒體結構。

隨著建筑物高度的增加，傳統的框架結構體系、框架一剪力墻結構體系已不能很好地滿足結構在水平荷載作用下強度和剛度的要求。筒體體系因其在抵抗水平力方面具有良好的剛度，并能形成較大的使用空間，而成為六十年代以后常用于超高層建筑中的一種新的結構體系。根據筒體布置、組成、數量的不同，又可分為框架筒體、筒中筒、組合筒三種體系。

3. 高層建筑結構體系選型的影響因素

高層建筑是一個一個單體，可統計性差、影響因素多，并且多個影響因素之間往往相互制約，從信息角度講：它的不確定以及不確知的信息多，同時其綜合性也很強。影響高層建筑結構選型的主要因素可以簡要的歸納為。

3.1 環境條件。主要包括建筑抗震設防烈度、建設場地類別、基本風壓以及基本雪壓等自然環境因素。

3.2 建筑方案特征。主要包括方案建筑的高度和層數、高寬比、長寬比以及建筑體型。每一種結構形式都有其各自的特點以及適用性，考慮到經濟的原因也就有了各自的適用高度。我國的《抗震規范》以及《高規》均給出了每一種常見建筑結構體系的適用高度。

3.3 建筑功能要求。結構是為建筑服務的，所以結構的布置必須滿足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分為住宅、辦公樓、旅館和綜合樓，某種功能的建筑可能只有某幾種結構形式與之相配。例如高層住宅，由于其使用空間較小，分隔墻體較多，且各層的平面布置基本相同，通常比較適宜采用剪力墻或框架一剪力墻結構。

3.4 建筑材料。建筑材料對建筑的影響是非常大的，可以說是至關重要。每一次建筑高度的突破，都伴隨著建筑材料的革新。在多層建筑中，水平荷載處于次要地位，結構的荷載主要是豎向荷載。

4. 高層建筑結構體系優化

每一種結構體系都有其適用的經濟高度，對于同一棟高層建筑，往往可以有不同的結構體系可以選擇。到底選擇那一種結構體系比較經濟合理，這就牽扯到結構體系優化的問題。在鋼筋混凝土以及鋼結構的設計中，有一些基本的原則能夠改善結構的受力性能，提高結構的抗震能力，而不需要明顯地增大建筑成本。

4.1 增加抗彎結構體系的有效寬度，以調整結構的抗側剛度。這樣做，是非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。從材料力學的基本知識可以知道，同樣面積、抗傾覆力同結構寬度的關系不同形狀，可以獲得不同的其幾何特征。例如：相等面積的條件下，工字形截面的截面慣性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圓形截面。根據這個原理，不難理解加大寬度以后，整個結構的抗側剛度得到很大提高。在其它條件不變的前提下，側移將按寬度增加的三次方的比例減小。當然，必須考慮“剪力滯后”的不利影響，結構體系中豎向構件的水平連接應具有足夠的剛性，才能真正達到上述效果。

4.2 設計結構分體系時，應使其構件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力狀態的弦桿和斜桿的析架體系；在鋼筋混凝土抗震墻內配置交叉鋼筋，以增強其抗剪能力；調整構件剛度，使框架的剛度比達到最優以取得良好的受力效果。

4.3 增大最有效承受荷載構件的面積，充分發揮材料的自身強度，是結構工程師應該時刻考慮的問題以及應該具有的基本結構概念。例如，增大較低樓層框架柱和框架梁的截面高度或受壓翼緣面積，就能夠直接增大結構的抗側剛度，有效減小側向位移，從而改善結構的抗震性能。

4.4 水平作用的傳遞主要是依靠樓板，并且目前幾乎所有的結構分析理論所采用的基本假定都是樓板水平剛度無限大。故此，每一層樓蓋應該具有足夠的剛度和連續性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的構件能夠協同工作成為整體，而非各自獨立。

4.5 選擇合理的倒塌機制。結構之所以稱之為結構，是因為它可以穩定地承受外荷載作用。高層建筑同多層建筑一樣，當結構出現一定的塑性鉸以后，整個結構變為機構，喪失承載能力。結構最佳的破壞機制應該是結構構件出現塑性鉸以后，其承載能力基本保持穩定，可以持續變形而不至于倒塌，最大限度地消耗地震能量。例如框架結構中，塑性鉸應先出現在框架梁端，而不是出現在柱端；抗震墻結構和框架一抗震墻結構中，塑性鉸應先出現在連梁兩端而不是出現在剪力墻或者框架柱端。

[文章編號]1619-2737（2015）07-11-184

[作者簡介] 王菁菁（1984.07.07-），女，籍貫：河北省石家莊市，職稱：助理工程師，工作單位：河北大地建設科技有限公司。

張巖（1980.03.25-），男，籍貫：河北省景縣，職稱：工程師，工作單位：單位：河北大地建設科技有限公司。