根据结构体系的组成单元等不同,可以将常见的高层建筑结构体系划分成8种类型:框架结构,剪力墙结构,框架-剪力墙结构,板柱-剪力墙结构、框架-支撑结构,筒体结构,框架-核心筒结构,巨型结构。
以下将对于8种高层建筑结构体系,按照组成单元、平面布置、受力及变形特点、抗震性能等进行介绍。
02
8种常见的高层建筑结构体系
01
框架结构
1、 组成单元:梁、柱组成的结构单元为框架单元。全部竖向荷载和水平荷载由框架承担的结构体系,称为框架结构。
2、 结构布置:平面布置灵活,可用隔墙分割空间,适用于各种使用功能的建筑。沿高度方向布置时,柱网尺寸一般不变,轴线位置尽可能不变。梁截面尺寸一般不变,柱截面尺寸可以若干层变化一次。
框架结构平面柱网布置图
3、 受力及变形特点:框架结构为平面抗侧力结构,需要在两个正交的方向设置框架。在水平力的作用下,结构变形曲线为剪切型位移曲线,底部层间位移最大,但由于底部固端约束较强,一般2或3层层间位移最大。相对而言,框架结构的刚度比较小,结构适用高度低于下述其他结构体系。
4、 抗震设计:
(1)抗震框架梁的梁柱不允许铰接,必须刚接,梁端能够传递弯矩,使结构有良好的整体性和较大刚度。
(2)强柱弱梁,保证结构破坏时梁先发生破坏。如果柱先发生破坏,结构会发生整层的坍塌,导致结构坍塌。
(3)少墙框架,设置少量剪力墙,增大结构的刚度,增加结构的刚度,以满足规范对于层间位移的要求。
(4)连接节点:地震作用下,节点处容易发生破坏,应保证结构节点的变形及承载力。
02
剪力墙结构
1、 结构组成:全部为钢筋混凝土剪力墙承受竖向荷载和抵抗水平力的结构成为剪力墙结构。剪力墙结构的主要组成单元为剪力墙。
三种剪力墙
2、 平面布置:开间小,建筑平面布置不灵活。
3、 受力及变形特点:剪力墙结构的整体性好,承载力大,侧向刚度比较大,但自重较大。适用的房屋高度要高于框架结构。建筑的最大允许高度要高于框架结构。在水平力作用下,剪力墙的变形曲线为弯曲型,即类似于在竖直细长杆顶部施加水平集中力,杆件的弯曲变形的形状。楼层层间位移从下往上,逐渐增大。
4、 抗震设计
设计合理的剪力墙结构具有良好的抗震性能。剪力墙的布置应满足以下要求:
(1)平面方向双向布置,并力求使两个方向的抗侧刚度接近。
(2)沿高度连续布置,避免刚度突变
(3)形成工形,T形或L形有翼缘的墙
(4)楼电梯间两个方向的墙相互连接形成筒。
部分框支剪力墙结构
剪力墙的首层或底部若干层支承在转换层及以下的框架上,由框架支承剪力墙,成为框支剪力墙。实际设计中,不允许全部为框支剪力墙,必须有一部分剪力墙贯通到基础。
03
框架-剪力墙结构
1、 结构组成:框架-剪力墙结构是将框架,剪力墙进行组合,由框架和剪力墙共同承担竖向及水平荷载的双重抗侧力结构,广泛用于高层建筑。
2、 剪力墙布置要求:数量适当,双向布置,平面内对称布置,竖向贯穿建筑物全高,沿高度连续均匀。平面形状凹凸较大时,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。
3、 受力特点:在小震作用下,剪力墙承受大部分荷载。在大震作用下,剪力墙之间的连梁首先屈服,框架受到的层剪力增大。如果框架的承载能力和延性不够大,有可能严重破坏。
4、 变形特点:在地震等水平荷载作用下,框架和剪力墙的侧向位移通过楼板协调,其变形曲线呈弯剪型。层间位移沿高度分布比较均匀,改善了框架结构及剪力墙结构的抗震性能,有利于减小小震下非结构构件的破坏。
上海宾馆结构平面布置图(框架-剪力墙结构)
04
板柱-剪力墙结构
1、 板柱结构:钢筋混凝土无梁楼板和柱组成的结构。由无梁楼板、柱及剪力墙共同承受水平及竖向荷载的结构为板柱-剪力墙结构。
2、 板柱结构特点:施工方便,楼板高度小,减小层高,使用空间大,布置灵活,但刚度较小,抗震性能差,不能作为高层建筑的抗震结构。
3、在实际应用中,应采用 板柱-剪力墙结构,布置成双重抗侧力体系,在两个主轴方向设置剪力墙,并在周边设置框架梁,对于楼、电梯口周边也宜布置梁。
05
框架-支撑结构
1、 支撑框架:设置支撑斜杆的框架, 框架-支撑结构指由钢框架和支撑框架共同承担竖向荷载和水平荷载的结构。
2、 受力:双重抗侧力体系,支撑框架承受的地震剪力更大。在水平力作用下所有杆件承受轴力,侧移由杆件的轴向变形引起,侧向刚度比框架大得多。
3、 变形特点:在水平力作用下,框架和支撑框架的侧移协调,结构整体侧移曲线为弯剪型。
4、 支撑形式:常见的支撑形式包括单斜杆支撑,X形交叉支撑,人字形支撑,V形支撑,跨层交叉支撑。其中K形支撑不适用于抗震结构。
采用单斜杆支撑时,必须在其它跨内布置反向的单斜杆支撑,以避免支撑受压屈曲后两个方向的刚度不同、侧移一边倒。
框架-支撑结构中四种支撑形式
5、 抗震设计:实际工程中为控制结构的破坏模式,设置偏心框架(支撑连接位置偏离梁柱节点),形成消能梁段,以控制结构的破坏模式。
06
筒体结构
框筒结构
从实腹到框筒
1、 结构组成:由布置在建筑物周边的柱距小,梁截面高的密柱深梁框架组成的结构。
2、 结构特点:内部可形成无柱大空间,充分利用建筑材料,适用高度高于前述结构体系,但由于密柱深梁,对外视线较差,抗倒塌能力差。
3、 受力特点:周边的四榀框架都参与抵抗受力,层剪力主要由与水平力平行的腹板框架抵抗。倾覆弯矩由翼缘框架和腹板框架共同抵抗。框筒结构腹板框架的侧移曲线呈剪切型,翼缘框架侧移曲线呈弯曲型,两者变形协调,框筒结构的侧移曲线为剪切型。
框筒结构存在剪应力滞后现象,剪力滞后使水平力作用下,结构同侧的角柱的轴力大,中部柱的轴力小。
桁架筒结构
1、 结构组成:由 建筑4个立面上的竖向桁架组成的结构称为桁架筒结构。竖向桁架由稀柱、间隔若干楼层的水平杆件以及横向跨越建筑立面的边长、竖向跨越数个楼层的支撑斜杆组成。
John Hancock大厦结构体系示意图
2、 结构特点:柱距大,支撑跨越数层,两个相邻立面的支撑相交在角柱,水平力通过支撑斜杆的轴力传至柱和基础。桁架筒结构比框架的刚度大,适用于更高的建筑。
筒中筒结构
1、 结构组成:外筒(框筒)+内筒,包括混凝土外框筒+剪力墙内井筒、钢框外筒+钢支撑内井筒、钢框外筒+剪力墙内井筒。
筒中筒结构
2、 变形及受力特点:在水平力作用下,结构整体侧移曲线为弯剪型。外框架与核心筒构成双重抗侧力体系,外筒抵抗倾覆力矩和扭矩,内筒主要抵抗水平剪力。筒中筒的适用高度比框筒更高。
束筒结构
两个或两个以上的框筒排列在一起,能够缓解剪力滞后效应,使柱的轴力分布比较均匀。
束筒结构
07
框架-核心筒结构
1、 结构体系:加大外框筒的柱距,减小梁的高度,周边成为稀柱框架,与内筒共同形成框架-核心筒结构。
2、 受力特点:周边框架为平面框架,没有框筒的空间作用。核心筒为抗侧力的主体,刚度和承载能力远大于周边框架。但框架应能承担一定的地震力,形成双重抗侧力体系。
3、 加强层:设置伸臂构件的楼层称为加强层。伸臂构件一般为连接核心筒和周边框架柱之间的一层高或两层高的钢桁架。当建筑高度较大时,侧向刚度不满足刚度要求时,应设置加强层,增大结构刚度,形成框架-核心筒-伸臂结构体系。为保证周边柱都能发挥作用,亦可设置周边环带桁架,增大结构刚度。
框架-核心筒结构
08
巨型结构
巨型框架结构
1、 结构组成:巨型框架(巨柱+巨梁)+次框架,其中次框架是巨梁与巨柱之间的框架,是普通截面尺寸框架,由巨梁或桁架支撑。
日本东京市政大厅结构体系(巨型结构)
2、 受力特点:水平荷载由巨型框架承担,次框架承受竖向荷载,竖向荷载由巨柱框架传至基础。巨型框架设置在建筑周边,中间无柱,形成较大的自由使用空间。
巨型支撑框架结构
1、 结构组成:巨型框架+布置在外立面的巨型支撑。
2、 受力特点:水平力产生的层剪力成为支撑斜杆的轴力。该结构体系能够充分利用材料,是既高效又经济的抗侧力结构。
本篇技术贴相关内容主要参考纪晓东老师《高层建筑》课件,