第12章 多层房屋结构5[1][1].5

1第12章多高层房屋结构（1）你所见到的高层建筑最高多少层？（2）你所在城市的多高层建筑一般采用哪种结构体系？（3）多高层建筑一般采用哪些材料组成？（4）当你站在建筑物的不同高度处时，风荷载对你有何不同作用？（5）分别从施工、使用及经济效益等不同角度谈谈多高层建筑的优缺点。1概述根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）的规定，一般10层及10层以上，或房屋高度超过28m的称高层房屋，层数和高度在此以下的称为多层房屋。目前最高的建筑是马来西亚石油双塔，高452m。1974午芝加哥建成的西尔斯大厦110层高442m，居世界第2位。随着市场经济和城市建设的发展，我国的多高层建筑发展也很快，上海金茂大厦，高420m，居世界第3位。多层及高层房屋有以下特点，随着房屋高度的增加，由水平荷载（风、地震）产生的内力所占总内力的比重越来越大，如何有效地提高结构抵抗水平力的能力越显重要，并必然对结构体系带来变化，如何提高结构的侧向刚度也逐渐成为主要问题。同时，随着房屋高度的增加，竖向荷载及水平荷载对基础产生的内力也越来越大，因此基础的设计也更显重要。高层建筑结构大多为钢筋混凝土结构、钢结构和钢与混凝土的组合结构；多层建筑结构中，现在砖石结构还在继续采用，但混凝土和钢结构的比例也越来越多。目前钢筋混凝土结构仍然是我国多层及高层建筑中的一种主要结构形式。主要原因在于钢筋混凝土结构造价低，主要材料砂石等便于就地取材，可以做成各种形状，具有结构刚度大、耐火性好、维修费用低等优点。但和钢结构相比钢筋混凝土结构自重较大，抗震性能也稍逊。在一些发达国家，高层及超高层建筑多采用钢结构。多层与高层建筑并无明确的界限，设计方法基本上是相通的，只不过随高度的增大，水平荷载将成为主要荷载及结构设计的主要控制因素。本章主要论述多高层建筑中采用较多的钢筋混凝土框架结构体系和框架-剪力墙结构体系。对多高层建筑的其它结构体系仅做简单介绍。2多高层房屋的结构体系框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是多层及高层建筑中应用最为广泛的几种结构体系（图12.1），它们有各自的特点及其适用范围。随着多高层建筑在高度方面的进一步发展，出现了以筒体结构形式为主的框架-筒体结构、框筒结构、筒中筒及多筒结构，这些是有较强抗侧力刚度的结构体系（图12.2）。下面简要介绍上述各种结构体系的特点。22.1框架结构体系框架结构是利用梁、柱组成的横向及纵向框架，同时承受竖向和水平荷载的结构体系。框架结构按照施工方法不同，可分为：梁、板、柱全部现场浇筑的现浇框架；楼板预制，梁、柱现场浇筑的现浇框架；梁、板预制，柱现场浇筑的半装配式框架；梁、板、柱全部预制的全装配式框架。框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能形成较大的空间，有利于会议厅、休息厅、餐厅、商场的布置。因此，框架结构在公共建筑和旅馆建筑中采用较多。同时框架是由梁和柱组成的，便于装配化和标准化，有利于机械化和工厂化制作与安装。框架结构体系的主要缺点是侧向刚度较小，当房屋层数过多时，会产生过大的侧移，易引起非结构构件（如隔墙、装饰等）破坏，而不能满足使用要求。在非地震区，钢筋混凝土框架结构一般不超过15层。国外一般认为钢框架30层以下是经济的，钢筋混凝土框架15层以下是经济的。地震区，高层建筑不宜采用框架结构体系。如天津友谊宾馆，东段为8层框架结构，西段为11层框架一剪力墙结构。唐山地震时，东段框架侧向变形很大，填充墙严重破坏。填充墙修复后，不久宁河地震时又遭破坏。最后改为框一剪体系。所以，地震区的高层建筑不宜采用钢筋混凝土框架结构体系。框架结构体系的柱网布置形式很多，柱网的布置和层高，主要根据建筑的使用功能和建筑形式确定。柱网布置可以划分为小柱距和大柱距两类。小柱距是指一个开间为一个柱距，3大柱距指两个开间为一个柱距。一般而言，小柱距建筑布置不灵活，技术经济指标也较差，有条件时宜采用大柱距。图12.3（a）为几种典型的建筑柱网形式。图12.3（b）为框架结构体系模型图，供设计时分析借鉴。框架结构的梁、柱尺寸不能太大，否则会影响平面及空间的使用功能，因而框架结构的侧向刚度较小，水平位移较大，抗震性能较差，在强震下容易产生震害。因此它主要用于非抗震设计、层数较少、建造高度不超过60m的建筑中，在抗震设防烈度较高的地区，建造高度受到严格限制，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定框架结构在8度区房屋最高45m，9度区为25m。在地震区采用框架结构必须加强梁、柱和节点的抗震措施，还要注意非结构构件（如填充墙等）材料的选用以及填充墙与框架的连接，避免过大变形导致非结构构件的损坏。如北京建成的18层（局部22层）总高度为22.8m的现浇框架结构—长城饭店（图12.4），是目前我国8度设防地震区最高的框架结构，采用延性框架设计方法。为了减轻自重，隔墙采用轻钢龙骨石膏板，外墙为玻璃幕墙。（a）框架柱网布置4（b）框架结构模型图12.3框架结构体系52.2剪力墙结构体系剪力墙结构是利用建筑物的纵横墙体来承受竖向荷载和水平荷载的结构。剪力墙除承受重力荷载外还要承受风和地震水平荷载引起的剪力和弯矩。所以，这种承重墙体系称作剪力墙体系。剪力墙—般为钢筋混凝土墙，厚度不小于14cm，侧向刚度很大。剪力墙结构适用于住宅、旅馆等具有小房间的建筑。剪力墙同时可作为维护及分隔房间的构件，可省去大量砌筑填充墙的工序及材料。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大、抗侧力性能好，同时抗震性能也较好。它适宜于建造高层建筑，一般在10~50层范围内都可采用，在20~30层的房屋中应用较为广泛。广州的白云宾馆（33层，115m）如图12-5，白天鹅宾馆（33层，100m）均为剪力墙结构。剪力墙结构也有其相应的缺点。主要是剪力墙间距太小（3~8m），平面布置往往受到限制而不够灵活，结构自重也较大。剪力墙结构用来建造住宅、公寓、旅馆时布置餐厅、会议室、舞厅等大房间很困难，通常将这些房间放置在顶层或设裙房来解决；也有将剪力墙结构的底部一层或几层取消部分剪力墙而代之以框架，形成底部大空间剪力墙结构，而标准层则可以是小开间或大开间结构（图12.6）。6剪力墙结构可分为悬臂剪力墙、多支剪力墙、带边框剪力墙等，如图12.7所示。12.7剪力墙类型2.3框架-剪力墙结构体系多高层建筑中的纯框架结构或剪力墙结构，其受力和变形特性不同。框架结构的构件稀疏且截面尺寸小，因而侧向刚度不大，在侧向荷载作用下，一般呈剪切型变形，刚度或强度方面均不能适应高度较大的高层建筑。但正因为竖向构件少而小，对房屋的平面布置有利。若设计处理得当，框架结构具有较好的延性，有利于抗震。剪力墙结构由于墙的截面高度大，单片墙的刚度大，抗弯能力高，在侧向力作用下，一般呈弯曲型变形，顶部附近楼层的层间位移较大，因其刚度和强度均较大，故可用于高度较大的高层建筑，缺点是墙（特别是墙较多时）将空间分隔，不利于平面布置，墙的抗剪强度弱于抗弯强度，易出现由于剪切造成的脆性破坏。框架-剪力墙结构体系是由框架和剪力墙所组成的一种组合体系，通过刚性楼盖将其连接成一个整体，在水平力作用下各平面抗侧力结构变形协调、共同工作，以达到框架和剪力墙之间受力持点相辅相成的目的，从而加大结构体系的抗侧能力。我们把这种结构体系称之为框架-剪力墙结构，或简称框剪结构体系，如图12.8所示。例如18层的北京饭店和26层的上海宾馆都是典型的框架-剪力墙结构（图12.9）。框架-剪力墙结构适用于需要灵活大空间的多层和高层建筑，如办公楼、商业大厦、饭店、旅馆、教学楼、试验楼、电讯大楼、图书馆、多层工业厂房及仓库、车库等建筑。框架-剪力墙结构的施工方式有现浇及装配整体式两种，在地震区，一般宜采用现浇式，以加强整体性及提高抗震能力。框架-剪力墙结构体系同时具有框架和剪力墙，在结构布置合理的情况下，可以同时发挥7两者的优点和互相制约另一者的缺点：使结构具有较大的整体抗侧刚度、侧向变形介于剪切变形和弯曲变形之间而使层间相对位移变化较缓和、平面布置较易获得较大空间、两种结构形成抗震的两道防线等，因而成为高层建筑较常用的一种结构形式。框架-剪力墙结构体系不足之处就是水平方向刚度不均匀。图12.8框架-剪力墙体系8（a）（b）图12.9北京饭店和上海宾馆平面布置框架-剪力墙结构由框架和剪力墙两种结构组成，形式多样而且是可变的，主要根据建筑平面布局和结构受力需要去灵活处理。在布置方面一般可采用下列几种形式：框架和剪力墙（包括单片墙、联肢墙、剪力墙筒体）分开布置，各自形成比较独立的抗侧力片；在框架的若干跨内嵌入剪力墙（框架相应跨的柱和梁成为该片墙的边框，称为带边框剪力墙）；框架和剪力墙混合组成抗侧力片等，当然亦可以是以上几种形式的混合，也不排除根据实际情况采用其他形式。要指出的是，无论哪种形式，它都是以其整体来承担荷载和作用，各部分承担的力应通过整体分析方法（包括简化方法）确定，反过来说，应通过各部分含量的搭配和布置的调整来取得更合理的设计，它们的高宽比及高度限值见相关规定。框架-剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件。采用这种结构时应在两个主轴方向都布置剪力墙，形成双向抗侧力体系。这是因为如果仅在一个主轴方向布置剪力墙的话，将会造成两个主轴方向的抗侧刚度悬殊，无剪力墙的一个方向刚度不足且带有纯框架的性质，与有剪力墙的另一向不协调，也容易造成结构整体扭转，另外，由于风荷载及地震荷载方向的随机性，所以如果仅在一个主轴方向布置剪力墙的话，也不利于抗风和抗震。框架-剪力墙结构中，主体结构构件间的连接（节点）应采用刚接，目的是保证整体结构的几何不变和刚度的发挥；同时，较多的赘余约束对结构在大震下的稳定性是十分有利的。当然，个别节点由于特殊需要（如为了调整个别梁的内力分布，为了避免由于沉降不均而产生过大内力等），也可以采用梁端与柱或剪力墙铰接的形式，但要注意保证结构的几何不变性，同时结构整体分析简图要与之相符。框架梁与柱的连接，两者的中线宜尽量重合以使内力传递和分布合理且保证节点核心区的完整性。实际工程中，所有梁、柱轴线完全对中、重合的场合并不多，此时应在计算中考虑其不利影响，采取必要的构造处理。9框架-剪力墙结构中，由于剪力墙的刚度较大，其数量和布置不同时对结构整体刚度和刚心位置影响很大，故处理好剪力墙的数量和布置是框架-剪力墙结构设计中的重要问题，剪力墙的数量关系到框架-剪力墙结构的安全、经济。剪力墙数量如果偏少，结构刚度不足、不安全；如剪力墙数量偏多，则刚度过大、不经济，并且会引起较大的地震作用效应，且基础设计较困难等。剪力墙的数量应该适度，在满足侧移的前提下，剪力墙数量宜少一些。在结构设计中，剪力墙的合理数量可参考表12.1。每一方向剪力墙的刚度之和∑EIw应满足的数值（kN·m2）表12.1地类别ⅠⅡⅢ755WH83WH193WH8110WH165WH385WH9220WH330WH770WH注：H－结构地面以上的高度（m）；W－结构地面以上的总重量（kN）。剪力墙在纵、横两个轴线方向均需布置，两个方向剪力墙的数量应大体相当。剪力墙的布置原则是“均匀、分散、对称、周边附近”。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，但每片的刚度不要太大，不能只设置一两片刚度很大，连续很长的剪力墙，由于片数过少，每片墙负担较重，地震时万一个别剪力墙破坏后，剩下的几片墙则难以抵抗全部地震力，剪力墙被地震力各个击破，局部破坏导致整体破坏。对称、周边附近是对结构抗扭的要求，剪力墙对称布置，可以基本保证水平力合力通过刚度中心，避免和减少受扭，此外，剪力墙沿建筑物平面的周边附近布置，可以加大抗扭内力臂，提高结构的抗扭能力。还可以减少位于周边而受室外温度变化的不利影响。一般情况下，剪力墙宜布置在以下部位：（1）竖向荷载较大处因剪力墙承受较大的竖向荷载，可以避免设置截面尺寸过大的柱子，此外，因剪力墙是第一道防线，承受很大的弯矩和剪力，需要很大的竖向荷载来起平衡作用，提高了其抗剪能力，同时，基础设计时也较方便。（2）平面形状变化处平面变化较大部位，容易在楼面上产生较大的应力集中，是震害易发生的部位，故