一般房屋在进行结构设计时,主要是根据竖向荷载来设计,而水平荷载是次要荷载,甚至有些低层建筑可以忽略不计。但高层建筑是要着重考虑水平荷载和竖向荷载组合影响的建筑物,因为竖向荷载主要引起结构中的竖向压力,而水平荷载引起的内力主要是弯矩和剪力。建筑物层数越高,承受的地震作用和风力越大。因此,水平荷载是必须要考虑的因素,要选用合理的结构体系来抵抗。
高层建筑的结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构等。
1.框架结构
框架结构(见图6-2)由梁、柱构件通过节点连接构成,框架梁和框架柱既承受竖向荷载,又承受水平荷载。这种结构体系的优点是建筑平面布置灵活,可以布置较大的使用空间,因此在宾馆、写字楼等高层建筑中得到较多应用。框架结构的竖向和水平荷载都通过楼板传递给梁,由梁传递到柱,由柱传递到基础。框架结构的柱由于板所承受的荷载并不均匀,再加上水平荷载的作用,所以同时要承担弯矩,且弯矩的方向也是可变动的。由于框架结构中梁、柱构件的截面较小,而框架中的墙体全部为填充墙,只起分隔和围护作用,因此结构的整体刚度较小,抗震性能较差,这就限制了它的使用高度,所以框架结构一般不适宜超过20层或建筑高度超过60m的高层建筑。
框架结构柱网的布置形式很多,可以供不同的建筑类型选用,如图6-3所示为几种典型建筑的柱网布置形式。
2.剪力墙结构
在高层建筑中为了提高房屋结构的抗侧刚度,在其中设置的钢筋混凝土墙体称为剪力墙(见图6-4)。
图6-2 框架结构
图6-3 几种典型建筑的柱网布置形式
图6-4 剪力墙的受力示意图
房屋的竖向荷载由框架和剪力墙共同承担,而水平荷载主要由抗侧刚度较大的剪力墙承担。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度和较强的抗震能力,因而广泛应用于高层办公建筑和旅馆建筑中。
3.框架-剪力墙结构
框架-剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量剪力墙的结构,简称框剪结构。框剪结构是由框架和剪力墙结构两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式,由于两种结构在水平荷载下的变形具有互补性,所以这种体系的受力性能较好。在剪力墙和框架协同工作的条件下,框剪结构的上部由框架来承担大部分水平力,下部则由剪力墙承担大部分水平力。在水平荷载作用下,底层的内力都是最大的,顶层的内力是最小的,所以说剪力墙承受了建筑物大部分的水平力。
框架结构能获得大空间的房屋,房间布置灵活,而剪力墙结构侧向刚度大,可减小侧移,因此框架-剪力墙结构既能灵活布置各种空间的房屋,又具有较大的侧向刚度。在我国,框剪结构广泛用于15~30层的高层建筑,如图6-5所示。
4.筒体结构
筒体结构是由竖向筒体为主的承受竖向和水平作用的高层建筑结构。筒体结构的筒体是指由剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等。把剪力墙围成筒形后,结构整体成为一个固定于基础上的箱形悬臂构件,具有很高的抗弯和抗扭刚度,大大提高了抗水平荷载的能力,所以通常使用在30层以上的高层建筑。(www.daowen.com)
筒体结构根据筒体布置、数量、组成等分为单筒、筒中筒、框筒等结构。
1)单筒结构
在高层建筑中,四周采用框架,而利用电梯井、楼梯间、管道井等在平面中央部位形成一个筒体核心以抵抗水平力,这样就构成一个内筒体的单筒结构,如图6-6(a)所示。
图6-5 框架-剪力墙结构
图6-6 筒体结构
2)筒中筒结构
筒中筒结构,如图6-6(b)所示,由外框筒和剪力墙围成的薄壁内筒组成。外框筒和内部薄壁筒在抵抗竖向荷载和水平荷载时共同发挥作用,因而,筒中筒结构的抗侧刚度大,抵抗倾覆弯矩和扭转力矩的能力强,抗震性能好。
3)框筒结构
框筒结构,如图6-6(c)所示,是采用刚性框架,沿建筑周边布置,围成的筒体。外框筒由密柱和深梁组成,主要承担水平荷载,内柱主要承受楼面竖向荷载。
5.结构体系的混合应用
为合理利用基地,建筑商常常采用上部为住宅楼或办公楼,而下部开设商场的建筑形式。上部住宅楼和办公楼需要小开间,适合采用剪力墙结构,而下部的商场则需要大空间,适合采用框架结构,因此将这两种结构组合在一起,就形成了框支剪力墙结构,或者使用底层框剪结构。为完成这两种体系的转换,需在其交界位置设置巨型的转换大梁,将上部剪力墙的力传至下部柱子上。转换大梁一般高度较大,常接近于一个层高,因此就形成了结构转换层,也常作为设备层。这就是结构体系的混合,这种情况要特别注意结构转换层的应用。
在不同情况下,结构转换层可有以下三种形式。
①上层和下层结构类型转换:多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构,它将上部剪力墙转换为下部的框架,以创造一个较大的内部自由空间。
②上、下层的柱网、轴线改变:转换层上、下的结构形式没有改变,但是通过转换层使下层柱的柱距扩大,形成大柱网。这种形式常用于框筒结构,使其下层形成较大的入口。
③同时转换结构形式和结构轴线布置:把上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为下部楼层框架的同时,柱网轴线也与上部楼层的轴线错开,形成上、下结构不对齐的布置。
当内部要形成大空间,包括结构类型转变和轴线转变时,转换层可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式结构。目前,国内用得最多的是梁式转换层,它的设计和施工简单,受力明确,常用于底部大空间剪力墙结构。
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