高层建筑结构体系分析

结构体系是指结构抵抗外部作用的构件总体组成的方式。在高层建筑中，抵抗水平力成为确定和 设计结构体系的的关键问题。高层建筑中常用的结构体系有框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体以及它们的组合。
　　
　　 一． 框架结构
　　
　　框架是由梁和柱子刚性连接的骨架结构，国外多用钢为框架 材料，国内主要为钢筋混凝土，框架结构的特点在于“刚节点”。从框架的刚节点来看，它是一个几何不变体，以门式钢架为例来看，钢架受荷载后，刚节点始终维持节点的几何不变性，因而刚节点对杠杆的转动具有约束作用，从而刚架横梁产生正弯矩以减少，对梁的好处是很明显的。刚节点给柱子虽然带来弯矩，但对钢筋混凝土柱来说也不会导致坏处，因为钢筋混凝土不仅抗压能力强，而且抗弯能力也很好。所以，框架结构可以扩大梁的跨度，而且房屋的层数也可以增加。故框架结构体系是六层以上的多层与高层房屋的一种理想的结构形式。
　　
　　框架结构的优点是：强度高，自重轻，整体性和抗震性好。它在建筑中的最大优点在于不靠砖墙承重，建筑平面布置灵活，可以获得较大的使用空间，所以它的应用极为广泛，框架结构可设计成静定的三铰框架或超静定的双铰框架与无铰框架。混凝土框架结构广泛用于住宅、学校、办公楼，也有根据需要对混凝土梁或板施加预应力，以适用于较大的跨度；框架 钢结构常用于大跨度的公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物中，如剧场、商场、体育馆、火车站、展览厅、造船厂、飞机库、停车场、轻工业车间等。
　　
　　 工程实例：
　　
　　概述】
　　
　　艾菲尔铁塔当初是为了万国博览会兴建,自1887年到1931年纽约帝国大厦落成前,保持了45年世界最高建筑物的地位,铁塔高320公尺,建筑设计最著名的是防范强风吹袭的对称钢筋设计,兼具实用与美感考量。铁塔共分3层,登顶收费依楼层而定。搭快速升降梯直达274公尺高的顶层,就可尽览巴黎美景,白天视野佳时可远眺72公里远。
　　
　　结构特色】
　　
　　埃菲尔铁塔采用框架结构的全钢结构，艾菲尔铁塔的金属构架有1.5万个，重达7000吨， 施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个， 施工完全依照设计进行，足见设计的合理与计算的精确。铁塔占地约1万平方米，塔的最顶端不到100平方米，上下宽窄悬殊，使其结构别具一格。从远处看去，它四脚立地。拔地而起，呈四方狭长金字塔形，颇似烛台。铁塔除顶端塔楼外，分为三层，在57米、115米和276米处设有三个了望平台，供游客凭栏眺望。
　　
　　他独特的全金属结构在当时确实是太为改革创新：艾菲尔铁塔由一百五十万个铆钉连接固定，艾菲尔先生还曾决定将18038个铸铁配件更换为更为轻巧坚固的合金配件，所以，最后建成的艾菲尔铁塔非常“轻”。在它所矗立的水泥地面上，每平方厘米只承受4.5公斤的压力。它的总重量是10000吨，其中包括7300吨的四脚金属支架。它的四个支点间形成了一个边长为125米的正方形。加上塔顶部天线的高度，艾菲尔铁塔总高度为324米。它的第二层在离地面149米的高度上，第一层也离地面有91米。在它建成的时候，艾菲尔铁塔曾一度是世界上最高的建筑，并将此纪录一直保持了45年，直到1931年纽约帝国大厦落成前。
　　
　　 二． 剪力墙结构
　　
　　剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构，承受竖向荷载和水平荷载，是高层建筑中常用的结构形式。由于纵、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大，在水平荷载作用下，侧移较小，因此这种结构抗震及抗风性能都较强，承载力要求也比较容易满足，适宜于建造层数较多的高层建筑。
　　
　　剪力墙主要承受两类荷载：一类是楼板传来的竖向荷载，在地震区还应包括竖向地震作用的影响；另一类是水平荷载，包括水平风荷载和水平地震作用。剪力墙的内力分析包括竖向荷载作用下的内力分析和水平荷载作用下的内力分析。在竖向荷载作用下，各片剪力墙所受的内力比较简单，可按照材料力学原理进行。在水平荷载作用下剪力墙的内力和位移计算都比较复杂，因此本节着重讨论剪力墙在水平荷载作用下的内力及位移计算。
　　
　　剪力墙的分类及受力特点：
　　
　　为满足使用要求，剪力墙常开有门窗洞口。理论分析和试验 研究表明，剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙上的开洞情况。洞口是否存在，洞口的大小、形状及位置的不同都将影响剪力墙的受力性能。剪力墙按受力特性的不同主要可分为整体剪力墙、小开口整体剪力墙、双肢墙（多肢墙）和壁式框架等几种类型。不同类型的剪力墙，其相应的受力特点、计算简图和计算方法也不相同，计算其内力和位移时则需采用相应的计算方法。
　　
　　1．整体剪力墙
　　
　　无洞口的剪力墙或剪力墙上开有一定数量的洞口，但洞口的面积不超过墙体面积的15%，且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整体剪力墙（或称为悬臂剪力墙）。整体剪力墙的受力状态如同竖向悬臂梁，截面变形后仍符合平面假定，因而截面应力可按材料力学公式计算。
　　
　　2．小开口整体剪力墙
　　
　　当剪力墙上所开洞口面积稍大且超过墙体面积的15%时，通过洞口的正应力分布已不再成一直线，而是在洞口两侧的部分横截面上，其正应力分布各成一直线。这说明除了整个墙截面产生整体弯矩外，每个墙肢还出现局部弯矩，因为实际正应力分布，相当于在沿整个截面直线分布的应力之上叠加局部弯矩应力。但由于洞口还不很大，局部弯矩不超过水平荷载的悬臂弯矩的15％。因此，可以认为剪力墙截面变形大体上仍符合平面假定，且大部分楼层上墙肢没有反弯点。内力和变形仍按材料力学计算，然后适当修正。
　　
　　在水平荷载作用下，这类剪力墙截面上的正应力分布略偏离了直线分布的规律，变成了相当于在整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢局部弯曲应力，当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的15%时，其截面变形仍接近于整体截面剪力墙，这种剪力墙称之为小开口整体剪力墙。
　　
　　3．联肢剪力墙
　　
　　洞口开得比较大，截面的整体性已经破坏，横截面上正应力的分布远不是遵循沿一根直线的规律。但墙肢的线刚度比同列两孔间所形成的连梁的线刚度大得多，每根连梁中部有反弯点，各墙肢单独弯曲作用较为显著，但仅在个别或少数层内，墙肢出现反弯点。这种剪力墙可视为由连梁把墙肢联结起来的结构体系，故称为联肢剪力墙。其中，仅由一列连梁把两个墙肢联结起来的称为双肢剪力墙；由两列以上的连梁把三个以上的墙肢联结起来的称为多肢剪力墙。
　　
　　当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时，由于洞口较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，剪力墙的截面变形已不再符合平截面假设。这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙。开有一列洞口的联肢墙称为双肢墙，当开有多列洞口时称之为多肢墙。
　　
　　4．壁式框架
　　
　　洞口开得比联肢剪力墙更宽，墙肢宽度较小，墙肢与连梁刚度接近时，墙肢明显出现局部弯矩，在许多楼层内有反弯点。剪力墙的内力分布接近框架，故称壁式框架。壁式框架实质是介于剪力墙和框架之间的一种过渡形式，它的变形已很接近剪切型。只不过壁柱和壁梁都较宽，因而在梁柱交接区形成不产生变形的刚域。
　　
　　当剪力墙的洞口尺寸较大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能已接近于框架，这种剪力墙称为壁式框架。
　　
　　剪力墙结构的使用范围：
　　
　　1．框架-剪力墙结构。是由框架与剪力墙组合而成的结构体系，适用于需要有局部大空间的建筑，这时在局部大空间部分采用框架结构，同时又可用剪力墙来提高建筑物的抗侧能力，从而满足高层建筑的要求。
　　
　　2．普通剪力墙结构。全部由剪力墙组成的结构体系。
　　
　　3．框支剪力墙结构。当剪力墙结构的底部需要有大空间，剪力墙无法全部落地时，就需要采用底部框支剪力墙的框支剪力墙结构。
　　
　　 工程实例
　　
　　概述】
　　
　　1985年建成的香港汇丰银行大楼.地面以下四层，基础埋深为-20m，地面以上43层，高175m；采用矩形平面，底层平面尺寸为55m×72m。建筑规划要求大楼底层为全开敞式大空间，与前面的皇后广场自然地连成一片.由于开敞底层限制了上部框架落地，最后确定采用钢结构悬挂体系。由八根“格构柱”和五层纵、横向桁架梁组成悬挂体系的主构件(下图)，承担着整个大楼的全部水平荷载和竖向荷载.每根格构柱是由两个方向间距分别为48m和51m的四根圆形钢管；以及沿高度每隔39m的四根纵、横向变裁面箱形梁所组成。沿房屋的横向，构架柱的净距为11.1m；沿房屋的纵向，一对格构柱之间的净跨度为33.6m，两端悬臂长度为10.8m。各道桁架梁之间的4—7层楼板，通过吊杆悬挂在上一层的桁架梁上。
　　
　　结构设计】
　　
　　风荷裁作用下的结构分析结果表明，纵向或横向水平力作用下，结构体系的侧移曲线均属剪切型变形。结构的动力分析结果给出，沿房屋纵向(东西方)，结构的基本周期为4.5s，第二和第三扭转振型的周期分别为3.7s和3.1s。比其它结构体系的自振周期稍长。整座大楼钢结构的总用钢量为2500T。
　　
　　在框架结构中杆件以受弯为主，截面刚度主要取决于截面高度，但过大的截面高度势必增加层高，或使得结构构件与建筑功能发生矛度。巨型框架的概念实际上是把框架梁柱截面大幅度提高，把每一栋高层框架结构划分成很少几层，每层的梁柱都特别大。例如，对于巨型截面来说，截面刚度与截面高度3次方成正比。
　　
　　巨型框架的横梁可以为各种大型水平结构。它利用整体楼层作为“梁”高，可以是箱形截面或桁架；巨型框架的立柱一般为筒体结构。巨型框架利用了把荷载集中在主要承重结构上的概念，其他柱子不必从上通到地。每个小柱只需承受横梁之间少数几层荷载，截面可以做得很小；采用巨型框架结构，巨型横梁下的楼层，没有中间小柱，可以布置餐厅、会议厅及游泳池等需要大空间的楼层。深圳亚洲大酒店以及新华大厦都是巨型框架结构。
　　
　　此外，巨型框架结构可以利用中间大横梁下部空间开设大洞口，让一部分气流通过，从而大大减小风荷载，这是别的结构难以做到的。但是，由于构件刚度增大，温度、收缩和局部压力的影响也会加剧，节点构造上也会出现新的问题。
　　
　 　三． 框架-剪力墙结构
　　
　　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。但是全剪力墙结构无法布置大空间房屋。因此，框架．剪力墙结构体系恰好是对两者取长补短，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，弥补纯框架结构之小足，所以广泛用于层数较多、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，框架一剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架。
　　
　　框架．剪力墙结构的主要缺点，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。
　　
　　框架一剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯剪型。
　　
　　工程实例
　　
　　概述】
　　
　　洛阳市政府机关办公大楼建筑总高84.3m，总长180.3m，总建筑面积62390平方米，大楼地上21层，其总一层为架空停车场，二层为入口大厅，三层以上为政府办公用房，裙楼为会议用房，设400人大型报告厅2个，容纳80人的电视会议厅和200平方米的贵宾接待厅各一个，大楼设地下室一层，为后勤服务和设备用房。
　　
　　结构设计】
　　
　　该办公大楼主楼采用框架-剪力墙结构，基础埋深6.50m，经计算基地压力约为380Kps。主楼采用框架-剪力墙结构，上层结构层数较多，且轴网尺寸较大，故底层剪力墙和框架柱子承受的荷载较大，多采用样式主板基础，通过试算，满足荷载要求，混凝土强度为C40时，底面板厚度约为2m，且板顶部受力钢筋较大，因此在确定基础方案是，本着，安全，经济，使用的原则，通过反复的计算比较，决定采用梁板结合的结构设计方案。
　　
　　该种结构形式更适合本工程的要求，不仅使基础受力更加明确，并且大大节省了基础的土建投资，加快了施工进度，并且得到了的好评。
　　
　　 四．筒体结构
　　
　　筒体结构由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字楼建筑。
　　
　　主要抗侧力，四周的剪力墙围成竖向薄壁筒和柱框架组成竖向箱形截面的框筒，形成整体，整体作用抗荷。
　　
　　由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件称为筒体（由密柱框架组成的筒体称为框筒；由剪力墙组成的筒体称为薄壁筒）。由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构，它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。
　　
　　由密柱高梁空间框架或空间剪力墙所组成，在水平荷载作用下起整体空间作用的抗侧力构件称为筒体（由密柱框架组成的筒体称为框筒；由剪力墙组成的筒体称为薄壁筒）。由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构，它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑。
　　
　　筒体结构分筒体－框架、框筒、筒中筒、束筒四种结构。
　　
　　1. 筒体-框架结构
　　
　　中心为抗剪薄壁筒,外围为普通框架所组成的结构南京玄武饭店即采用这种结构。
　　
　　2．框筒结构
　　
　　外围为密柱框筒，内部为普通框架柱组成的结构。
　　
　　3.筒中筒结构
　　
　　中央为薄壁筒，外围为框筒组成的结构。目前世界上层数最多的纽约世界贸易中心[1]（110层，高412米，1931年建成，保持高度纪录（378米，102层）达40年，综合地代表20世纪30年代][建筑科学技术的水平,位于美国纽约市])即采用这种结构。中国目前最高的深圳国际贸易中心（52层,高160米，平面如图2a[筒中筒结构],(见彩图[深圳国际贸易中心滑升模板施工])和按地震烈度9度设防的北京中央彩色电视中心（24层，高107米,平面如图2b[筒中筒结构]）也采用了这种结构。在有些工程中还采用了三重筒、四重筒结构。
　　
　　4.束筒结构
　　
　　由若干个筒体并列连接为整体的结构。
　　
　　 工程实例
　　
　　概述】
　　
　　台北101，又称台北101大楼，在规划阶段初期原名台北国际金融中心，是目前世界第二高楼。位于我国台湾省台北市信义区，由建筑师李祖原设计，KTRT团队建造，保持了中国记录协会多项世界纪录。台北101曾是世界第一高楼，以实际建筑物高度来计算已在2007年7月21日被当时兴建到141楼的迪拜塔（阿联酋迪拜）所超越，2010年1月4日迪拜塔的建成（828米）使得台北101退居世界第二高楼。
　　
　　结构设计】
　　
　　台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101两大建筑所需克服的问题。为了评估地震对台北101所产生的影响，地质学家陈斗生开始探查工地预定地附近的地质结构，探钻4号发现距台北101200公尺左右有一处10公尺厚的断层。依据这些资料，国家地震工程研究中心建立了大小不同的模型，来仿真地震发生时，大楼可能发生的情形。为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏，台北101的中心是由一个外围8根钢筋的巨柱所组成。
　　
　　但是良好的弹性，却也让大楼面临微风冲击，即有摇晃的问题。抵销风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器，而大楼外形的锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%风所产生的摇晃。
　　
　　台北101打地基的工程总共进行了15个月，挖出70万吨土，基桩由382根钢筋混凝土构成。中心的巨柱为双管结构，钢外管，钢加混凝土内管，巨柱焊接花了约两年的时间完成。台北101所使用的钢至少有5种，依不同部位所设计，特别调制的混凝土，比一般混疑土强度强60%。
　　
　　为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．大楼内设置了调谐质块阻尼器是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。据台北101告示牌所言，这也是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。
　　
　　防震措施方面，台北101采用新式的「巨型结构」在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3公尺、宽2.4公尺，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。
　　
　　 五． 组合结构
　　
　　高层建筑结构的布置有很大的灵活性，可以在以上各种基本结构形式的基础上进行灵活组合和布置，形成新的抗侧力结构体系。
　　
　　1. 巨型框架结构
　　
　　其打破了传统的以单独楼层为基本结构单元的格局，整个高层由两级结构组成，第一级为巨型框架，是主要承重结构；第二级为楼层框架，只承受各楼面荷载并传到巨型框架上。东京NEC大厦，由刚度很大桁架组成巨型的梁柱，形成单跨四层大框架。
　　
　　2. 悬挂式结构
　　
　　以核心筒、刚架、拱等作为竖向承力结构，全部楼面均通过钢丝束、吊索牢挂在上述承重结构上而形成的一种新型结构体系。南非约翰内斯堡 标准银行大厦，以中央核心筒为主要承重结构，外挑三道预应力混凝土井字梁，由预应力混凝土吊杆悬挂33个楼层。
　　
　　3. 竖向桁架结构
　　
　　在高层钢结构中，采用若干建筑层高作为桁架的节间距，以若干个建筑开间作为桁架的弦杆间距，所形成的巨型桁架作为高层建筑的承重结构，用来承受竖向力和水平作用。芝加哥的约翰•考克大厦为锥形桁架筒，102层，344m。