吉林大学网络教育学院

第2章 高层建筑的结构体系与结构布置     高层建筑最突出的外部作用是水平荷载，故其结构体系常称为抗侧力结构体系。基本的钢筋混凝土抗侧力结构单元有框架、剪力墙、筒体等，由它们可以组成各种结构体系。在高层建筑结构设计中，正确地选用结构体系和合理地进行结构布置是非常重要的。本章仅介绍高层建筑混凝土结构体系和结构布置方面的内容，关于高层钢结构和混合结构的有关内容将在第10章中介绍。 2.1 结构体系 ２.1.1 框架结构体系     框架结构（frame structure）由梁、柱构件通过节点连接构成，如整幢房屋均采用这种结构形式，则称为框架结构体系或框架结构房屋，图2.1.1是框架结构房屋几种典型的结构平面布置和其中一个剖面示意图。

由于普通框架的柱截面一般大于墙厚，室内出现棱角，影响房间的使用功能及观瞻，所以近十多年来，由Ｌ形、Ｔ形、Ｚ形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构被不断采用，这种结构的柱截面宽度与填充墙厚度相同，使用功能良好。图2.1.2为异形柱框架结构平面示意图。

按施工方法不同，框架结构可分为现浇式、装配式和装配整体式三种。在地震区，多采用梁、柱、板全现浇或梁柱现浇、板预制的方案；在非地震区，有时可采用梁、柱、板均预制的方案。 在竖向荷载和水平荷载作用下，框架结构各构件将产生内力和变形。框架结构的侧移一般由两部分组成（图2.1.3）：由水平力引起的楼层剪力，使梁、柱构件产生弯曲变形，形成框架结构的整体剪切变形[ 图2.1.3(b) ]；由水平力引起的倾覆力矩，使框架柱产生轴向变形（一侧柱拉伸，另一侧柱压缩），形成框架结构的整体弯曲变形[图2.1.3(c)]。当框架结构房屋的层数不多时，其侧移主要表现为整体剪切变形，整体弯曲变形的影响很小。

框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能获得大空间（特别适用于商场、餐厅等），也可按需要隔成小房间；建筑立面容易处理；结构自重较轻；计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。但框架结构的侧向刚度较小，水平荷载作用下侧移较大，有时会影响正常使用；如果框架结构房屋的高宽比较大，则水平荷载作用下的侧移也较大，而且引起的倾覆作用也较大。因此，设计时应控制房屋的高度和高宽比。 2.1.2 剪力墙结构体系     建筑物高度较大时，如仍用框架结构，则将造成过大的柱截面尺寸，且影响房屋的使用功能。用钢筋混凝土墙代替框架，能有效地控制房屋的侧移。由于这种钢筋混凝土墙有时主要用于承受水平荷载，使墙体受剪和受弯，故称为剪力墙(shear wall)。如整幢房屋的竖向承重结构全部由剪力墙组成，则称为剪力墙结构(shear wall structure)。图2.1.4是剪力墙结构房屋几种平面布置示意图。

剪力墙的高度与整个房屋高度相同，高达几十米甚至一百多米；宽度可达几米、十几米或更大；厚度则很薄，一般为140mm～400mm。在竖向荷载作用下，剪力墙是受压的薄壁柱；在水平荷载作用下，剪力墙则是下端固定、上端自由的悬臂柱；在两种荷载共同作用下，剪力墙各截面将产生轴力、弯矩和剪力，并引起变形，如图2.1.5所示。对于高宽比较大的剪力墙，其侧向变形呈弯曲型。 剪力墙结构房屋的楼板直接支承在墙上，房间墙面及天花板平整，层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑；剪力墙的水平承载力和侧向刚度均很大，侧向变形较小。

剪力墙结构的缺点是结构自重较大；建筑平面布置局限性大，较难获得大的建筑空间。为了扩大剪力墙结构的应用范围，在城市临街建筑中，可将剪力墙结构房屋的底层或底部几层做成框架，形成框支剪力墙(shear wall supported on columns)，如图2.1.6所示。框支层空间大，可用作商店、餐厅等，上部剪力墙层则可作为住宅、宾馆等。由于框支层与上部剪力墙层的结构型式以及结构构件布置不同，因而在两者连接处需设置转换层(transfer story)，故这种结构亦称为带转换层高层建筑结构（关于带转换层高层建筑结构的基本概念将在9.1节中介绍）。转换层的水平转换构件，可采用转换梁、转换桁架、空腹桁架、箱形结构、斜撑、厚板等。

带转换层高层建筑结构在其转换层上、下层间侧向刚度发生突变，形成柔性底层或底部，在地震作用下易遭破坏甚至倒塌。为了改善这种结构的抗震性能，底层或底部几层须采用部分框支剪力墙、部分落地剪力墙，形成底部大空间剪力墙结构，如图2.1.7所示。在底部大空间剪力墙结构中，一般应把落地剪力墙布置在两端或中部，并将纵、横向墙围成筒体[图2.1.7(a)]；另外，还应采取增大墙体厚度、提高混凝土强度等措施加大落地墙体的侧向刚度，使整个结构的上、下部侧向刚度差别减

      当房屋高度不大，但仍需采用剪力墙结构，或带转换层结构需控制转换层上、下结构的侧向刚度（一般是增大下部结构的侧向刚度，减小上部结构的侧向刚度）时，可采用短肢剪力墙结构。这种结构体系一般是在电梯、楼梯部位布置剪力墙形成筒体，其他部位则根据需要，在纵横墙交接处设置截面高度为２ｍ左右的Ｔ、十、Ｌ形截面短肢剪力墙，墙肢之间在楼面处用梁连接，并用轻质材料填充，形成使用功能及受力均较合理的短肢剪力墙结构体系。图2.1.8为某高层商住楼结构平面示意图，转换层以下采用底部大空间剪力墙结构，转换层以上则采用短肢剪力墙结构。

2.1.3 框架-剪力墙结构体系      为了充分发挥框架结构平面布置灵活和剪力墙结构侧向刚度大的特点，当建筑物需要有较大空间，且高度超过了框架结构的合理高度时，可采用框架和剪力墙共同工作的结构体系，称为框架-剪力墙结构(frame-shear wall structure)。当楼盖为无梁楼盖，由无梁楼板与柱组成的框架称为板柱框架，而由板柱框架与剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构，称为板柱-剪力墙结构(slab-column shear wall structure)，其受力和变形特点与框架-剪力墙结构相同。框架-剪力墙结构体系以框架为主，并布置一定数量的剪力墙,通过水平刚度很大的楼盖将二者联系在一起共同抵抗水平荷载。其中剪力墙承担大部分水平荷载，框架只承担较小的一部分。图2.1.9是框架-剪力墙结构房屋平面布置的一些实例。

框架-剪力墙结构一般可采用以下几种形式：（1）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结构。从抗侧力结构横向布置而言，图2.1.9(c,d)所示的结构属于此种形式；（2）在框架结构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）；（3）在单片抗侧力结构内连续分别布置框架和剪力墙；（4）上述两种或三种形式的混合，如图2.1.9(a,b)所示。   在水平荷载作用下，框架的侧向变形属剪切型，层间侧移自上而下逐层增大[图2.1.10(a)]；剪力墙的侧向变形一般是弯曲型，其层间侧移自上而下逐层减小[图2.1.10(b)]。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，因而其侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型[图2.1.10(c)]。 由于框架与剪力墙的协同工作，使框架各层层间剪力趋于均匀，各层梁、柱截面尺寸和配筋也

趋于均匀，改变了纯框架结构的受力及变形特点。框架-剪力墙结构比框架结构的水平承载力和侧向刚度都有很大提高，可应用于10～20层的办公楼、教学楼、医院和宾馆等建筑中。 abc楼盖 图2.1.10 框架与剪力墙的协同作用 2.1.4 筒体结构体系      筒体的基本形式有实腹筒、框筒和桁架筒。由钢筋混凝土剪力墙围成的筒体称为实腹筒    [图2.1.11(a)]；布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体称为框筒[图2.1.11(b)]；将筒体的四壁做成桁架，就形成桁架筒[图2.1.11(c)]。筒体结构(tube structure)体系是指由一个或几个筒体作为竖向承重结构的高层建筑结构体系。

筒体最主要的受力特点是它的空间性能，在水平荷载作用下，筒体可视为下端固定、顶端自由的悬臂构件。实腹筒实际上就是箱形截面悬臂柱，这种截面因有翼缘参与工作，其截面抗弯刚度比矩形截面大很多，故实腹筒具有很大的侧向刚度及水平承载力，并具有很好的抗扭刚度。框筒也可视为箱形截面悬臂柱，其中与水平荷载方向平行的框架称为腹板框架，与其正交方向的框架称为翼缘框架。在水平荷载作用下，翼缘框架柱主要承受轴力（拉力或压力），腹板框架一侧柱受拉，另侧柱受压，其截面应力分布如图2.1.12(b)所示。应当指出，虽然框筒与实腹筒均可视为箱形截面构件，但二者截面应力分布并不完全相同。在实腹筒中，腹板应力基本为直线分布[图2.1.12(a)]，而框筒的腹板应力为曲线分布。框筒与实腹筒的翼缘应力均为抛物线分布，但前者的应力分布更不均匀。这是因为框

筒中各柱之间存在剪力，剪力使联系柱子的窗裙梁产生剪切变形，从而使柱之间的轴力传递减弱。因此，在框筒的翼缘框架中，远离腹板框架的各柱轴力愈来愈小；在框筒的腹板框架中，远离翼缘框架各柱轴力的递减速度比按直线规律递减的要快。上述现象称为剪力滞后。框筒中剪力滞后现象愈严重，参与受力的翼缘框架柱愈少，空间受力性能愈弱。设计中应设法减少剪力滞后现象，使各柱尽量受力均匀，这样可大大增加框筒的侧向刚度及水平承载力。 1.筒中筒结构    筒中筒结构(tube in tube structure)一般用实腹筒做内筒，框筒或桁架筒做外筒，如图2.1.13所示。内筒可集中布置电梯、楼梯、竖向管道等。楼板起承受竖向荷载、作为筒体的水平刚性隔板和协同内、外筒工作等作用。在这种结构中，框筒的侧向变形以剪切变形为主，内筒（实腹筒）一般以弯曲变形为主，二者通过楼板联系，共同抵抗水平荷载，其协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。由于内、外筒的协同工作，结构侧向刚度增大，侧移减小，因此筒中筒结构成为50层以上超高层建筑的主要结构体系。

2.框筒结构       框筒(frame-tube)也可作为抗侧力结构单独使用。为了减小楼板和梁的跨度，在框筒中部可设置一些柱子，如图2.1.14所示。这些柱子仅用来承受竖向荷载，不考虑其承受水平荷载。 3.多筒结构－成束筒      成束筒是由若干单筒集成一体成束状，形成空间刚度极大的抗侧力结构。成束筒中相邻筒体之间具有共同的筒壁，每个单元筒又能单独形成一个筒体结构。因此，沿房屋高度方向，可以中断某些单元筒，使房屋的侧向刚度及水平承载力沿高度逐渐变化。如美国的西尔斯大厦(Sears Tower)，由９个正方形单筒组合而成（图2.1.15），每个筒体的平面尺寸为22.9m×22.9m，沿房屋高度方向，在三个不同标高处中断了一些单元筒。这种自下而上逐渐减少筒体数量的处理手法，使高层建筑结构更加经济合理。但是应当注意，这些逐渐减少的筒体结构，应对称于建筑物的平面中心。 4.巨型框架     利用筒体作为柱子，在各筒体之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁即构成巨型框架，如图2.1.16所示。巨型梁通常由桁架或几层楼构成，它是具有很大抗弯刚度的水平构件。巨型梁上可以设置小框架以支承各楼层结构，小框架只承受竖向荷载并将其传给巨型梁，一般不考虑小框架抵抗水

平荷载。巨型框架的侧向刚度可根据筒体（巨型柱）和巨型梁的刚度确定。      从结构方面看，巨型框架具有很大的承载能力和侧向刚度。由于它可以看作是由两级框架组成，第一级为巨型框架，是承载的主体；第二级是位于巨型框架单元内的辅助框架，也起承载作用。因此，这种结构是具有两道抗震防线的抗震结构，具有良好的抗震性能。从建筑方面看，这种结构体系在上、下两层巨型梁之间有较大的灵活空间，可以布置小框架形成多层房间，也可以形成具有很大空间的中庭，以满足使用功能和建筑需要。巨型框架可用来建造30～150层的超高层建筑。 2.1.5 框架-核心筒结构体系     由核心筒与外围的稀柱框架组成的高层建筑结构，称为框架-核心筒结构（frame-corewall structure）,其中筒体主要承担水平荷载，框架主要承担竖向荷载。这种结构兼有框架结构与筒体结构两者的优点，建筑平面布置灵活便于设置大房间，又具有较大的侧向刚度和水平承载力，因此得到广泛应用。上海联谊大厦（29层，高106.5m）就采用框架-核心筒结构，其结构平面如图2.1.17所示。 框架-核心筒结构的受力和变形特点以及协同工作原理与框架-剪力墙结构类似。                 2.1.6 带加强层的高层建筑结构体系      筒中筒结构（图2.1.13）与框架-核心筒结构（图2.1.17）相比，前者由于外框筒是由密柱和深梁组成，有时不符合建筑立面处理和景观视线的要求，后者因外围框架由稀柱和浅梁组成，能给予建筑创作较多的选择和自由，并便于用户使用。因此，从使用功能来看，框架-核心筒结构比筒中筒结构更受用户欢迎，其应用范围更为广泛。然而，与筒中筒结构相比，框架-核心筒结构的侧向刚度比较小。为了提高其侧向刚度，减小水平荷载作用下核心筒的弯矩和侧移，可沿框架-核心筒结构房屋的高度方向，每隔20层左右，于设备层或结构转换层处，由核心筒伸出纵、横向伸臂与结构的外围框架柱相连，并沿外围框架设置一层楼高的带状水平梁或桁架。这种结构称为带加强层(story with outriggers and/or belt members)的高层建筑结构，亦称伸臂-核心筒结构。与框架-核心筒结构相比，伸臂-核心筒结构具有更大的侧向刚度和水平承载力，从而适用于更多层数的高层建筑。图2.1.18表示伸臂在平面上的布置方法。图2.1.19是深圳商业中心大厦的结构剖面示意图，沿房屋高度方向设置了两个加强层（或伸臂）。   在框架-核心筒结构中，框架与筒体通过楼板使它们在水平荷载作用下保持侧移一致，楼板相当于铰接连杆。这时框架只承担很小一部分水平荷载，筒体承担大部分水平荷载，故筒体所承受的倾覆力矩很大。但筒体抗力偶矩的力臂Ｌ较小[图2.1.20(a)]，因此结构抵抗倾覆力矩的能力不大。而在带加强层的高层建筑结构中，通过设置伸臂将所有外围框架柱与筒体连为一体，形成一个整体结构来抵抗倾覆力矩。因为有外柱参与承担倾覆力矩引起的拉力和压力，整个结构抗力偶矩的等效力臂Ｌ，将大于筒体的宽度Ｌ[图2.1.20(b)]，从而提高了结构的侧向刚度和水平承载能力。 图2.1.21示出了水平荷载作用下，框架-核心筒结构中无加强层[图2.1.21(a)]、顶部设置一个加强层[图2.1.21(b)]和设置两个加强层[图2.1.21(c)]时筒体所承担的力矩。可见，设置一个（二个）加强层相当于在结构上施加了一个（二个）反力矩，它部分地抵消了水平荷载在筒体各截面所产生的力矩。设计中可根据需要设置多个加强层。

2.1.7 各种结构体系的最大适用高度和适用的最大高宽比 1.最大适用高度    《高层规程》对各种高层建筑结构体系的最大适用高度做了规定，见表2.1.1和表2.1.2。其中Ａ级高度的钢筋混凝土高层建筑是指符合表2.1.1高度限值的建筑，也是目前数量最多，应用最广泛的建筑；Ｂ级高度的高层建筑是指较高的（其高度超过表2.1.1规定的高度）、设计上有严格要求的高层建筑，其最大适用高度应符合表2.1.2的规定。?      

        应当注意，表中的房屋高度是指室外地面至主要屋面的高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度；部分框支剪力墙结构是指地面以上有部分框支剪力墙的剪力墙结构。 2.适用的最大高宽比     房屋的高宽比愈大，水平荷载作用下的侧移愈大，抗倾覆作用的能力愈小。因此，应控制房屋的高宽比，避免设计高宽比很大的建筑物。《高层规程》对混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比做了规定，见表2.1.3和表2.1.4，这是对高层建筑结构的侧向刚度、整体稳定性、承载能力和经济合理性的宏观控制

对复杂体型的高层建筑结构，其高宽比较难确定。作为一般原则，可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比，但对突出建筑物平面很小的局部结构（如楼梯间、电梯间等），一般不应包含在计算宽度内；对于不宜采用最小投影宽度计算高宽比的情况，可根据实际情况采用合理的方法计算；对带有裙房的高层建筑，当裙房的面积和刚度相对于其上部塔楼的面积和刚度较大时，计算高宽比时房屋的高度和宽度可按裙房以上部分考虑。