高层建筑结构体系变化与创新途径探索

王新宇 石建光

( 厦门大学 福建厦门 361005)

0 引言

高层建筑结构目前已经形成了几种常见的基本结构体系，如框架结构、剪力墙结构、框剪结构、板柱结构、筒体结构、框架—筒体结构、筒中筒结构。这些体系历经工程的实践，计算和设计方法较完善，且收录在《高层建筑混凝土结构规程》和《高层建筑钢结构技术规程》中。以这些基本体系为基础可以衍生出多新型结构体系。除此之外，还有抗侧力形式和构件受力形式全然不同的特殊结构体系，例如悬挂结构和消能减震结构。

有学者把结构体系按照材料、抗侧力形式、功能、楼层载重汇集的系统分类等标准进行分类[1]。但过于关注划分标准反而忽视了结构的传力方式，忽视了结构体系的衍变历程。根据几种常见的结构体系，及其不同的变化方法，可以衍生出各种新的不同结构体系，虽然不能囊括所有，但已概括绝大部分的新型体系及研究方向，并且能把体系的变化历程和方法清晰地勾勒出来。但是，结构体系的创新不是盲目的，要符合结构可靠性、绿色、节能、工业化等当前社会发展的需要。

其实，建筑结构体系的发展，无不是基于现实建筑性能的要求，在研究原结构体系基础上不断创新，并予推广。基此，本文拟归纳总结结构体系变化的路径和创新方法，为结构体系的今后持续创新提供思路。

1 结构体系的基本构件

构件是结构的基本单元，可分为水平构件和竖直构件。梁、柱、板、墙、支撑作为基本构件，构成了复杂的高层结构体系。根据材料、传力方式、施工方法等把这些基本构件进一步分类。本文总结了一些不常见，或者正在研究中的新型构件以供参考。

(1)柱

除了普通的钢柱、混凝土柱，还有带斜撑钢柱[2]、配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土柱[3]、内置钢管高强混凝土芯柱的十字形异形柱[4]、CFRP-钢管混凝土柱[5]、方钢管混凝土组合异形柱[6]、中空夹层钢管混凝土柱[7]、方形中空夹层钢管再生块体混合短柱[8]、多腔体巨型柱[9]。

(2)梁

对于受弯的梁构件，创新较少，值得一提的有钢—混凝土蜂窝组合梁[10]。

(3)墙

作为常用的抗侧力构件，新型墙体有摇摆墙[11]、防屈曲钢板剪力墙(改进型组合钢板墙、盖板防屈曲钢板墙、两边连接屈曲约束钢板墙)、低屈服点钢板墙、密肋框格防屈曲低屈服点钢板墙[12]、钢板混凝土组合剪力墙(内置钢板支撑混凝土剪力墙[13]、内嵌钢板混凝土组合剪力墙、外包双钢板混凝土组合剪力墙)、两端为方钢管混凝土暗柱的内嵌钢板混凝土组合剪力墙[14]、外包多腔钢板-混凝土组合剪力墙[15]、钢管混凝土组合剪力墙[16]、组合网架夹心板墙[17]、CL复合墙[18]、密肋复合墙[19]等。

(4)楼板

对于楼板的研究方向多在减轻重量和大跨上，除普通混凝土楼板外，还有钢筋混凝土叠合板、钢筋桁架楼承板[20]、现浇混凝土空心板、预应力混凝土叠合楼板、预应力混凝土空心叠合楼板[21]、钢管空心混凝土板[22]、WZ(钢筋混凝土组合网架夹芯板)、CTSRC(钢网构架混凝土板)[23]。

(5)支撑

支撑不如墙体常用，除普通钢支撑或混凝土支撑外，有屈曲约束支撑[24]、新型套筒扁钢支撑(分层装配式)[25]、自复位耗能支撑[26]。

以上是构件最新的研究和应用方向，这些新型构件为结构体系的创新提供了可能和选择。本文构件的总结剔除了常见的混凝土和钢构件，可以看到，相比墙体、柱、支撑等,梁构件的创新比较少。对于柱子，创新方向主要是更高的承载能力和抗震性能；对于墙体，则主要是更好的耗能和约束变形；对于支撑，研究方向则多在于耗能，对于楼板，则致力于减轻重量和大跨度。

2 结构体系创新方法

2.1 构件的变换

通过基本构件的变化和替换，可以产生许多新型结构体系。这些重要的传力构件，通过材料、结构形式的创新，力学性能发生了变化。本文主要介绍了一些新型的、经过检验或尚在理论阶段的结构体系，通过基本结构体系变换而来。具体的变换如下。

2.1.1框架结构体系创新(表1)

表1 框架结构体系构件变换

2.1.2框架剪力墙结构体系创新(表2)

表2 框架剪力墙结构体系构件变化

2.1.3剪力墙结构体系创新(表3)

表3 剪力墙结构体系构件变换

2.1.4板柱结构体系创新(表4)

表4 板柱结构体系构件变换

2.1.5框筒结构体系创新(表5)

表5 框筒结构体系构件变换

2.1.6框架-核心筒结构体系创新(表6)

表6 框架-核心筒结构体系构件变换

续表6

2.1.7筒中筒结构体系创新(表7)

表7 筒中筒结构体系构件变换

2.2 结构构件的增减

在原结构的基础上，增减重要的传力构件，改变原有结构的传力途径或者明显改变构件的受力的性能，形成新的结构体系，如表8所示。

表8 构件的增减

续表8

2.3 结构构件布置变换

构件位置的改变，同样会使结构的抗侧力性能发生改变。例如，把外围柱子布置紧密一些，就变成了框筒结构；把核心筒分散为4个角筒等。经过整理构件布置变换基本情况如表9所示。

表9 构件布置变换

除了平面的布置改变外，沿竖向的构件的布置变化，也能创新出新的结构体系。例如，筒中筒结构外框柱不再垂直，而是倾斜一定的角度，变成斜向相交的网格，形成新的结构体系——巨型斜交网格筒中筒结构。当然，这种结构也可以理解为外框柱直接替换，但要考虑到，当斜交网格结构出现之前，人们还没有意识到斜交网格柱这一特殊构件。此外，转换层也可以理解为剪力墙沿竖向的布置变换。底层正式因为缺少了部分剪力墙才形成带转换层的结构体系，如局部加强层、局部大空间等。因此，当缺少可创新的构件时，这种方法也能提供一种思路。

2.4 构件连接方式改变

构件连接方式改变，则构件的受力状态发生改变，进而可能会改变整个结构的传力方式。这种改变方式也能创造出新的结构体系。近来被人们广泛研究的摇摆墙就是属于这一方法，通过改变端部连接，进而将传统的剪力墙变为新的摇摆墙，力学性能也发生变化，如表10所示。

表10 构件连接方式的改变

2.5 非结构构件受力

除了主要受力构件发生改变，还可着眼于非受力构件。例如，在框筒结构中幕墙为非受力构件，由于框筒柱间裙梁受剪很大，用钢板幕墙帮助承担剪力时，可减小裙梁的尺寸。用非受力构件传力，使原有的受力形式发生改变，同样是一种创新结构体系的方法。

2.6 完全新的受力方式和结构方案

仅改变个别构件的受力形式，已经不能得到满足时，需要设计完全新的受力方式和结构方案。例如，悬挂结构体系，大部分柱子由受压变成受拉，整个结构布置不同，大多数构件的受力形态也发生了变化，不能仅仅通过局部的变化得以实现。此外，还有完全使用新型材料的建筑，如重组的竹结构、复合材料建筑等。由于新型材料的使用，不再是简单的梁板柱体系，整个围护墙体兼做受力墙体，而这“墙体”的受力特性也会和传统的墙体不同。这是由于材料的创新和大规模的使用所导致的变革。

3 结语

结构的基础单元是构件，当重要的传力构件受力或性能发生变化时，新的结构体系得以诞生。本文介绍了几种常见的创新方法，通过受力构件替换、增减、布置变换、连接改变，或者通过非受力构件受力，可以改变整个结构的受力和性能，得到新结构体系。这里要注意，构件要在刚度和力学性能上与结构要求相符，同时还应满足施工的要求。放眼未来，构件还要满足绿色节能环保以及工业化、智能化的要求。因此新材料、新构造、新型施工方法逐渐被人关注。从这个角度出发，预制装配式建筑、再生混凝土结构建筑以及其他各种新材料结构建筑等都是未来发展的重要方向。

[1] 韩通.高层建筑结构方案的形成方式与创新途径[D].厦门:厦门大学，2009.

[2] 刘学春，徐阿新，孙超，等.高层装配式斜支撑钢框架结构设计研究[J].建筑结构学报，2015,36(5)：54-62.

[3] 陈宗平，柯晓军，陈宇良.配矩形螺旋箍筋型钢高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2015,48(7)：41-49.

[4] 杨勇，刘如月，赵登攀，等.内置钢管高强混凝土芯柱的十字形异形柱高温后轴压性能试验研究[J].建筑结构学报，2015,36(12)：99-105.

[5] 车媛.CFRP-钢管混凝土压弯构件的力学性能研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[6] 荣彬.方钢管混凝土组合异形柱理论分析与试验研究[D].天津：天津大学，2008.

[7] 赵均海，郭红香，魏雪英.圆中空夹层钢管混凝土柱承载力研究[J].建筑科学与工程学报，2005,22(1)：50-53.

[8] 王彦泽.方形中空夹层钢管再生块体混合短柱轴压性能试验研究[D].延吉：延边大学，2014.

[9] 杨蔚彪，宫贞超，常为华，等.中国尊大厦巨型柱分叉节点性能研究[J].建筑结构，2015,45(18)：6-12.

[10] 肖祖霖.钢-混凝土蜂窝组合梁受力性能试验研究[D].南宁：广西大学，2014.

[11] 潘鹏，曹海韵，叶列平，等.混凝土框架增设摇摆墙前后抗震性能比较[J].土木建筑与环境工程，2010,32(S2)：326-328.

[12] 房晨，郝际平，樊春雷，等.半刚性框架-密肋框格防屈曲低屈服点钢板墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2015,36(11)：10-19.

[13] 齐五辉，杨蔚彪，常为华，等.中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究[J].建筑结构，2015,45(18):1-5.

[14] 聂建国，胡红松，李盛勇，等.方钢管混凝土暗柱内嵌钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2013,34(1)：52-60.

[15] 李盛勇，聂建国，刘付钧，等.外包多腔钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2013,46(10)：26-38.

[16] 杨光.高轴压比钢管混凝土组合剪力墙抗震性能研究[D].北京：清华大学，2013.

[17] 孙仁楼，叶燕华，黄晖，等.钢筋混凝土叠合板结构体系[J].江苏建筑，2010(6)：22-24.

[18] 李云峰，李军，张亚琴.CL结构体系特点及应用[J].建设科技，2008,8(15)：79-88.

[19] 岳亚锋.异形柱-密肋复合墙结构抗震性能及全寿命周期设计方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.

[20] 张浩翔.钢筋桁架楼承板在钢筋混凝土结构中的应用[J].广东土木与建筑，2013(6)：20-22.

[21] 吴方伯，刘彪，邓利斌，等.预应力混凝土叠合空心楼板静力性能试验研究[J].建筑结构学报，2014,35(12)：10-19.

[22] 欧妍君，陈星，李欣.新型钢管空心混凝土板技术[J].建筑结构，2007，37(9)：123-125.

[23] 冯鹏，初明进，林旭川.CTSRC楼板承载力计算及实荷试验[J].清华大学学报，2010,50(9)：1325-1329.

[24] 王凤欣，陈银，王高峰，等.屈曲约束支撑研究进展综述[J].河北工程大学学报，29(4)：28-31.

[25] 刘大伟，王伟，马场峰雄，等.分层装配式钢结构体系新型支撑研制与性能试验[J].建筑结构，42(10)：57-60.

[26] 陈云，陈奕柏，蒋欢军，等.自复位耗能支撑研究进展[J].地震工程与工程振动，2014,34(5):239-246.

[27] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[28] GB50011-2010 建筑设计抗震规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[29] 曾凡生，王敏，杨翠如，等.高楼钢结构体系与工程实例[M].北京：机械工业出版社，2015.