我国实用新型建筑结构体系探讨

我国实用新型建筑结构体系探讨一、引言任何一种建筑结构的推广和应用必须经得起安全、适用、经济三方面的考验。尤其是随着市场经济的不断发展，人们对建筑结构体系所带来的经济效益越来越重视。本文主要从结构体系的灵活性和实用性角度探讨了目前在我国常用的几种建筑结构体系，希望能够为工程设计人员在结构体系选型过程中提供一些参考。现将主要的几种建筑结构体系作如下简要介绍。二、新型建筑结构体系概述(一)型钢混凝土结构(steelreinforcedconcrete)型钢混凝土结构(SRC)是指在型钢周围配置少量钢筋并浇筑混凝土的结构。近三十年来日本是世界上应用型钢混凝土结构最多的国家，也是研究型钢混凝土结构较多、较深入的国家。1905年日本便建造了第一个采用型钢混凝土柱的结构。由于日本是一个多地震国家，因此在日本10-15层建筑约有90%采用型钢混凝土结构。而我国在型钢混凝土结构方面的运用在20世纪50年代，而20世纪80年代最早由西安建筑科技大学和原冶金部建筑研究总院开始研究，由于型钢混凝土结构的突出优点，近二十年来，国内掀起研究型钢混凝土结构的热潮，到目前我国己取得了一系列科研成果，同时参照日本规范颁布了型钢混凝土结构设计规程。型钢混凝土结构有诸多优点:(1)承载力高，刚度大，延性与抗震性能好，在多地震的我国有很大的使用空间。(2)具有较大的抗扭及抗倾授能力。(3)相同截面的构件，SRC结构是RC结构承载能力一倍以上，可以设计出最佳截面尺寸，从而减轻结构自重，增加净空高度和使用面积。(4)施工安装时，梁柱型钢骨架本身构成了一个强度、刚度较大的结构体系可以作为浇注混凝土时挂模、滑模的骨架，大大减少支模的人工与材料，可实现连续化施工，缩短施工工期。(5)与钢结构相比，钢骨混凝土构件的外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲，明显地减少在钢结构中设置大量支撑的工作量o(6)型钢混凝土防火防腐蚀性能好。基于此，型钢混凝上结构己与传统的四大结构并列，共同形成五大建筑结构体系，可见其道理所在。但是，还有一些问题，诸如型钢与混凝土之间粘结滑移理论，节点构造问题，以及制定适合我国基本国情的有我国自己特色的型钢混凝土设计规范等多方面还需要做大量工作，使型钢混凝土的设计更加优化和经济。(二)钢管混凝土结构(steeltube-confinedconcrete)钢管混凝土(STCC)是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。它可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，使混凝土改变为三向受压的应力状态，因而混凝土抗压强度大大提高，使混凝土的抗压性能更为有利的发挥，这是在混凝土技术上的一大突破。钢管混凝土结构其优越的力学性能，一开始就受到欧美各国土木工程界的重视，竟相开发利用。从1897年美国人JohnLally在钢管中填充混凝土用作承重柱(称为Lally柱)并取得专利算起，钢管混凝土结构在工程界中的应用己有一百余年的历史。英国规范BS-449在1959年才开始真正应用钢管混凝土结构，发现在钢管中填筑混凝土，不仅可防止钢管内部锈蚀，增强钢管的稳定性，而且抗震强度大大提高。我国对钢管混凝土结构的研究开始于20世纪60年代，最先由原中国科学院土建研究所、哈尔滨建筑大学、中国建筑科学研究院、苏州混凝土与水泥制品研究院等对此研究。由.于钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益显著以及施工快捷等突出的优点，因而在我国应用最广，研究工作也最为深入。我国己建成世界上最大最高的工程用钢管混凝土的建筑是1999年建成的深圳赛格广场大厦(地上72层，高291.6m)，这是我国自行投资、设计、全部采用国产钢材、自行加工和施工的第一个采用钢管混凝土的世界最高建筑物。从侧面反映我国在钢管混凝土结构研究方面，尤其是近二十年来，在构件性能和理论研究方面在国际上达到领先水平。钢管混凝土由于其受力性能及结构特点使其具有以下主要优点:(1)承载力高、刚度大、延性和抗震性能好。(2)抗压、抗扭和抗剪性能好。(3)构件截面小，节约了建筑材料，增加了使用空间，且结构自重减轻，从而减小了基础的负担，同时减小了地震反应。(4)可有效地防止高强混凝土的脆性破坏，为使用高强、高性能的材料奠定了基础。(5)取材容易，施工方便，可为逆作法施工创造条件，可适应先进的泵灌混凝土工艺，是一种具有高效施工技术的结构。(6)抗疲劳、耐冲击，耐火性能优于钢结构。(7)在相同的条件下，相比其他结构体系，可节省钢材约50%，这就带来相当可观的经济效益。目前对于钢管混凝土结构体系还有一些问题，诸如节点及墙柱的连接、屈服后的性能、在周期反复荷载下混凝土和钢的粘结力表现、钢管局部压屈的可能性、混凝土的水化热等等诸多问题都有待进一步的研究。(三)钢一混凝土混合结构(Hybridstructureofsteel-concaete)通常将型钢混凝土和钢管混凝土结构统称为组合结构.它是利用两种不同性质的材料协同工作承受荷载，而混合结构则是将融合两种结构体系组合整体受力结构，它利用钢筋混凝土的刚度以抵抗水平荷载，利用钢材的轻质和跨越性能好的优点，来构造楼面。这将取得经济合理，技术性能优良的效果。该体系包括:钢筋混凝土外框筒一钢框架组合体系、钢筋混凝土核芯筒一钢框架组合体系和带剪力墙的钢框架结构体系三类。第一类体系中钢筋混凝土外框筒抵抗水平荷载，内部钢框架仅需承担竖向荷载。其优点是:既可发挥钢框架结构跨度大、重量轻的特点，且无须刚性节点，还可以赋予芯体设计的灵活性，平面上不强求正平面;这种混合体系能得出较轻的结构，可以减轻结构自重，有利于抗震，施工速度也快，内部钢框架的安装和外圈钢筋混凝土框筒的浇注可以交错进行.第二类体系中的主要抗侧力竖向构件是混凝土芯筒，芯筒承担着作用整座楼房的大部分水平荷载，小部分由钢框架承担。其优点是:由于钢框架极少承担水平荷载，较少了抵抗这部分荷载的用钢量;节点连续简化，支承亦取消，相应费用亦减少;能充分发挥钢柱抗压强度高的性能，露面结构跨度可增大，使用面积得到了增加，也便于在底层布置大空间和大的出入口。其缺点是:混凝土核心简布置不够灵活，墙体也占据了空间;设置整层楼高的外伸刚性析架，以加大整个结构体系的抗推刚度和抗倾筱力矩的能力，满足结构顶点的侧移值和最大层间侧移值的设计要求。第三类体系中钢框架是主要的承重构件，钢筋混凝土墙是主要的抗侧力构件，在日本的钢结构高层建筑中应用较多。水平荷载引起的抗倾覆力矩主要由带剪力墙的钢框架来承担。但是，在混合结构设计中如何根据具体的设计要求，正确而合理的选择合适的体系这是关键所在.同时如何合理解决混合结构中两种体系的不均匀沉降问题，这对设计与施工提出了更高的要求。总之，根据国外的经验，混合结构的高层建筑(35-40层)的造价约为钢筋混凝土结构的63.3%，为纯钢结构的54%,钢筋混土混合结构体系具有经济、方便的优点被认为是最有发展前途的。(四)底部框剪砌体房屋结构(Masonrybuildingwiththebottomframe-shearwallstructure)底部框剪砌体房屋是指底部一层或两层为空间较大的框架一抗震墙，上部为多层砌体的结构。多层砌体房屋结构，这一传统的结构体系由于构造简单，施工方便，造价较低以及就地取材等优点，一直是我国民用建筑的主要结构形式之一。但是，改革开放以来，底部框剪砌体房屋得到了广泛重视和迅速发展，在新加坡及我国的大中城市都能看到这类结构，而且底部两层框剪砌体房屋比例近年来日趋增多，表明这种结构形式越来越受人们的欢迎。这是由于市场经济的不断发展，促使沿街建筑的底部或底部两层成为商业和办公用房。另一方面，对小区环境质量要求的提高，多层建筑的底部成为开放式大空间，这不仅改善了房屋之间空气流通条件和居住质量，避免了底层房屋比较潮湿，采光和冬天日照较差的情况，并且增加了小区的公共活动空间和居民之间的交流条件。这些都促使了框架一剪力墙砌体房屋结构的研究、发展和推广应用。基于此，1995年以来由西安建筑科技大学、中国建筑科学研究院抗震所、大连理工大学等单位研究具有比全框架结构经济，在使用功能相同的条件下节约造价20%左右，且施工简单等众多优越性的底部框剪砌体房屋新型建筑结构体系。同时，底部框剪砌体房屋是符合我国基本国情、适应市场经济体制和城市建设发展需要的一种优越的抗震结构体系，在经济欠发达地区尤为适用。底部框剪砌体房屋中框剪层具有较大的抗震承载能力和良好的变形、耗能、减震作用，但侧向刚度较小，破坏状态一般为延性破坏，而砌体层具有一定的抗震承载能力，侧向刚度较大但变形和耗能能力相对较差，破坏状态属于脆性破坏。为了协调解决这一矛盾，提高这种结构的整体抗震能力，应经过合理设计使房屋的薄弱层既能出现在变形和耗能能力较好的底部框剪层，又可避免框剪层变形过分集中，而过早失去抗震能力，于是要求:底层应设置为框架一抗震墙体系，对房屋的抗震能力要求应更高一些，L过渡楼层的抗震能力应适当加强，上部砌体房屋的纵横墙布置应尽量做到规则，以满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防三水准设计原则。但是，由于底部一层与两层框剪砌体在受力和变形性能上存在较大差异，前者属于剪切型，后者属于弯剪型，因此后者应按框架与中高抗震墙协同工作的方法进行水平地震作用下的内力计算，如仍按各侧力构件有效侧向刚度比例确定框架柱承担的地震剪力，则有可能使第二层柱配筋不足，造成很大的安全隐患。(五)密肋壁板轻框结构(Themufti-ribwallplatelight-weightedframestructure)密肋壁板轻框结构主要由轻型框架(隐形框架)与密肋复合墙板构成。密肋复合墙板是以截面及配筋较小的钢筋混凝土为框格，内嵌以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的加气硅酸盐砌块。密肋壁板轻框节能结构体系的特点:(1)结构自重轻、抗震性能好、承载力高、整体性好，形成三级地震能量释放体系，即先填充块、再框格、后外框架的破坏机理，从而满足抗震设防的二阶段三水准的设计思想。(2)结构适应性强。它打破了传统的建筑模式，以板块装配，组体灵活。针对不同层数，不同使用功能的建筑，通过改变墙板肋梁，肋柱的间距及配筋以调整墙板刚度及承载力，并可通过改变墙体间框架柱的截面及配筋调整结构的刚度和承载力.(3)虽然墙体厚度减小，但是保温性能好，且使净使用面积增大.(4)施工速度快。结构采用装配现浇式施工，机械化程度高，大大缩短工期。(5)填充块体可有效提高结构的抗侧力刚度，拓展框架结构的建造高度。(6)复合墙板不仅起围护、分隔空间和保温作用，而且可作为承力构件使用，从而可有效减小框架截面尺寸及配筋量，降低结构经济指标。(7)社会与经济效益显著。保护环境，节约土地，大量利用工业废渣，降低造价。为适应国家节能建筑、墙体改革、保护耕地及住宅产业化的需要，西安建筑科技大学历时十年之久，研究开发以密肋复合墙板为主要承力构件的新型建筑结构体系一密肋壁板轻框结构体系。这种结构体系在小高层以下的居住建筑中具有极好的应用前景。目前，密肋壁板轻框结构体系已在陕西省推广应用，同时被列入2002年建设部科技成果推广计划。(六)巨型结构体系(Mega-framestructure)随着城市建设的发展，人们对建筑外形、建筑功能、建筑空间和建筑环境提出了更多要求，尤其对大空间的需求越来越迫切，于是发展巨型结构体系成为必然趋势。巨型结构是布置若干个巨大的竖向支撑结构(组合柱、角筒体、边筒体等)并与梁式或架式转移楼层相结合，形成一种巨型框架或巨型析架结构体系。巨型框架作为独立的承重结构，在巨型框架之间用较小的梁柱构件组成次框架以形成若干层建筑空间，而次框架上的竖向荷载或水平作用力则全部传递给巨型框架，通过巨型框架柱传给基础和地基。由于其独特的两级受力体系不仅有利于提高结构整体性，改善结构安全性能，减少材料用量和工程造价，亦给建筑设计带来了更大的灵活性，因此，在超高层建筑中得到了日益广泛的应用。巨型结构因为耗资大，人员和财产相对集中，对抗震有更高的要求。同时，随着高层建筑向着越来越高、越来越柔的方向发展，风荷载，尤其是动力风荷载，常常成为结构设计的控制因素，因此，近年来同济大