王新宇 石建光

( 廈門大學 福建廈門 361005)

0 引言

高層建筑結構目前已經形成了幾種常見的基本結構體系，如框架結構、剪力墻結構、框剪結構、板柱結構、筒體結構、框架—筒體結構、筒中筒結構。這些體系歷經工程的實踐，計算和設計方法較完善，且收錄在《高層建筑混凝土結構規(guī)程》和《高層建筑鋼結構技術規(guī)程》中。以這些基本體系為基礎可以衍生出多新型結構體系。除此之外，還有抗側力形式和構件受力形式全然不同的特殊結構體系，例如懸掛結構和消能減震結構。

有學者把結構體系按照材料、抗側力形式、功能、樓層載重匯集的系統(tǒng)分類等標準進行分類[1]。但過于關注劃分標準反而忽視了結構的傳力方式，忽視了結構體系的衍變歷程。根據幾種常見的結構體系，及其不同的變化方法，可以衍生出各種新的不同結構體系，雖然不能囊括所有，但已概括絕大部分的新型體系及研究方向，并且能把體系的變化歷程和方法清晰地勾勒出來。但是，結構體系的創(chuàng)新不是盲目的，要符合結構可靠性、綠色、節(jié)能、工業(yè)化等當前社會發(fā)展的需要。

其實，建筑結構體系的發(fā)展，無不是基于現(xiàn)實建筑性能的要求，在研究原結構體系基礎上不斷創(chuàng)新，并予推廣?；耍疚臄M歸納總結結構體系變化的路徑和創(chuàng)新方法，為結構體系的今后持續(xù)創(chuàng)新提供思路。

1 結構體系的基本構件

構件是結構的基本單元，可分為水平構件和豎直構件。梁、柱、板、墻、支撐作為基本構件，構成了復雜的高層結構體系。根據材料、傳力方式、施工方法等把這些基本構件進一步分類。本文總結了一些不常見，或者正在研究中的新型構件以供參考。

(1)柱

除了普通的鋼柱、混凝土柱，還有帶斜撐鋼柱[2]、配矩形螺旋箍筋型鋼高強混凝土柱[3]、內置鋼管高強混凝土芯柱的十字形異形柱[4]、CFRP-鋼管混凝土柱[5]、方鋼管混凝土組合異形柱[6]、中空夾層鋼管混凝土柱[7]、方形中空夾層鋼管再生塊體混合短柱[8]、多腔體巨型柱[9]。

(2)梁

對于受彎的梁構件，創(chuàng)新較少，值得一提的有鋼—混凝土蜂窩組合梁[10]。

(3)墻

作為常用的抗側力構件，新型墻體有搖擺墻[11]、防屈曲鋼板剪力墻(改進型組合鋼板墻、蓋板防屈曲鋼板墻、兩邊連接屈曲約束鋼板墻)、低屈服點鋼板墻、密肋框格防屈曲低屈服點鋼板墻[12]、鋼板混凝土組合剪力墻(內置鋼板支撐混凝土剪力墻[13]、內嵌鋼板混凝土組合剪力墻、外包雙鋼板混凝土組合剪力墻)、兩端為方鋼管混凝土暗柱的內嵌鋼板混凝土組合剪力墻[14]、外包多腔鋼板-混凝土組合剪力墻[15]、鋼管混凝土組合剪力墻[16]、組合網架夾心板墻[17]、CL復合墻[18]、密肋復合墻[19]等。

(4)樓板

對于樓板的研究方向多在減輕重量和大跨上，除普通混凝土樓板外，還有鋼筋混凝土疊合板、鋼筋桁架樓承板[20]、現(xiàn)澆混凝土空心板、預應力混凝土疊合樓板、預應力混凝土空心疊合樓板[21]、鋼管空心混凝土板[22]、WZ(鋼筋混凝土組合網架夾芯板)、CTSRC(鋼網構架混凝土板)[23]。

(5)支撐

支撐不如墻體常用，除普通鋼支撐或混凝土支撐外，有屈曲約束支撐[24]、新型套筒扁鋼支撐(分層裝配式)[25]、自復位耗能支撐[26]。

以上是構件最新的研究和應用方向，這些新型構件為結構體系的創(chuàng)新提供了可能和選擇。本文構件的總結剔除了常見的混凝土和鋼構件，可以看到，相比墻體、柱、支撐等,梁構件的創(chuàng)新比較少。對于柱子，創(chuàng)新方向主要是更高的承載能力和抗震性能；對于墻體，則主要是更好的耗能和約束變形；對于支撐，研究方向則多在于耗能，對于樓板，則致力于減輕重量和大跨度。

2 結構體系創(chuàng)新方法

2.1 構件的變換

通過基本構件的變化和替換，可以產生許多新型結構體系。這些重要的傳力構件，通過材料、結構形式的創(chuàng)新，力學性能發(fā)生了變化。本文主要介紹了一些新型的、經過檢驗或尚在理論階段的結構體系，通過基本結構體系變換而來。具體的變換如下。

2.1.1框架結構體系創(chuàng)新(表1)

表1 框架結構體系構件變換

2.1.2框架剪力墻結構體系創(chuàng)新(表2)

表2 框架剪力墻結構體系構件變化

2.1.3剪力墻結構體系創(chuàng)新(表3)

表3 剪力墻結構體系構件變換

2.1.4板柱結構體系創(chuàng)新(表4)

表4 板柱結構體系構件變換

2.1.5框筒結構體系創(chuàng)新(表5)

表5 框筒結構體系構件變換

2.1.6框架-核心筒結構體系創(chuàng)新(表6)

表6 框架-核心筒結構體系構件變換

續(xù)表6

2.1.7筒中筒結構體系創(chuàng)新(表7)

表7 筒中筒結構體系構件變換

2.2 結構構件的增減

在原結構的基礎上，增減重要的傳力構件，改變原有結構的傳力途徑或者明顯改變構件的受力的性能，形成新的結構體系，如表8所示。

表8 構件的增減

續(xù)表8

2.3 結構構件布置變換

構件位置的改變，同樣會使結構的抗側力性能發(fā)生改變。例如，把外圍柱子布置緊密一些，就變成了框筒結構；把核心筒分散為4個角筒等。經過整理構件布置變換基本情況如表9所示。

表9 構件布置變換

除了平面的布置改變外，沿豎向的構件的布置變化，也能創(chuàng)新出新的結構體系。例如，筒中筒結構外框柱不再垂直，而是傾斜一定的角度，變成斜向相交的網格，形成新的結構體系——巨型斜交網格筒中筒結構。當然，這種結構也可以理解為外框柱直接替換，但要考慮到，當斜交網格結構出現(xiàn)之前，人們還沒有意識到斜交網格柱這一特殊構件。此外，轉換層也可以理解為剪力墻沿豎向的布置變換。底層正式因為缺少了部分剪力墻才形成帶轉換層的結構體系，如局部加強層、局部大空間等。因此，當缺少可創(chuàng)新的構件時，這種方法也能提供一種思路。

2.4 構件連接方式改變

構件連接方式改變，則構件的受力狀態(tài)發(fā)生改變，進而可能會改變整個結構的傳力方式。這種改變方式也能創(chuàng)造出新的結構體系。近來被人們廣泛研究的搖擺墻就是屬于這一方法，通過改變端部連接，進而將傳統(tǒng)的剪力墻變?yōu)樾碌膿u擺墻，力學性能也發(fā)生變化，如表10所示。

表10 構件連接方式的改變

2.5 非結構構件受力

除了主要受力構件發(fā)生改變，還可著眼于非受力構件。例如，在框筒結構中幕墻為非受力構件，由于框筒柱間裙梁受剪很大，用鋼板幕墻幫助承擔剪力時，可減小裙梁的尺寸。用非受力構件傳力，使原有的受力形式發(fā)生改變，同樣是一種創(chuàng)新結構體系的方法。

2.6 完全新的受力方式和結構方案

僅改變個別構件的受力形式，已經不能得到滿足時，需要設計完全新的受力方式和結構方案。例如，懸掛結構體系，大部分柱子由受壓變成受拉，整個結構布置不同，大多數(shù)構件的受力形態(tài)也發(fā)生了變化，不能僅僅通過局部的變化得以實現(xiàn)。此外，還有完全使用新型材料的建筑，如重組的竹結構、復合材料建筑等。由于新型材料的使用，不再是簡單的梁板柱體系，整個圍護墻體兼做受力墻體，而這“墻體”的受力特性也會和傳統(tǒng)的墻體不同。這是由于材料的創(chuàng)新和大規(guī)模的使用所導致的變革。

3 結語

結構的基礎單元是構件，當重要的傳力構件受力或性能發(fā)生變化時，新的結構體系得以誕生。本文介紹了幾種常見的創(chuàng)新方法，通過受力構件替換、增減、布置變換、連接改變，或者通過非受力構件受力，可以改變整個結構的受力和性能，得到新結構體系。這里要注意，構件要在剛度和力學性能上與結構要求相符，同時還應滿足施工的要求。放眼未來，構件還要滿足綠色節(jié)能環(huán)保以及工業(yè)化、智能化的要求。因此新材料、新構造、新型施工方法逐漸被人關注。從這個角度出發(fā)，預制裝配式建筑、再生混凝土結構建筑以及其他各種新材料結構建筑等都是未來發(fā)展的重要方向。

[1] 韓通.高層建筑結構方案的形成方式與創(chuàng)新途徑[D].廈門:廈門大學，2009.

[2] 劉學春，徐阿新，孫超，等.高層裝配式斜支撐鋼框架結構設計研究[J].建筑結構學報，2015,36(5)：54-62.

[3] 陳宗平，柯曉軍，陳宇良.配矩形螺旋箍筋型鋼高強混凝土柱抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2015,48(7)：41-49.

[4] 楊勇，劉如月，趙登攀，等.內置鋼管高強混凝土芯柱的十字形異形柱高溫后軸壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015,36(12)：99-105.

[5] 車媛.CFRP-鋼管混凝土壓彎構件的力學性能研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[6] 榮彬.方鋼管混凝土組合異形柱理論分析與試驗研究[D].天津：天津大學，2008.

[7] 趙均海，郭紅香，魏雪英.圓中空夾層鋼管混凝土柱承載力研究[J].建筑科學與工程學報，2005,22(1)：50-53.

[8] 王彥澤.方形中空夾層鋼管再生塊體混合短柱軸壓性能試驗研究[D].延吉：延邊大學，2014.

[9] 楊蔚彪，宮貞超，常為華，等.中國尊大廈巨型柱分叉節(jié)點性能研究[J].建筑結構，2015,45(18)：6-12.

[10] 肖祖霖.鋼-混凝土蜂窩組合梁受力性能試驗研究[D].南寧：廣西大學，2014.

[11] 潘鵬，曹海韻，葉列平，等.混凝土框架增設搖擺墻前后抗震性能比較[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010,32(S2)：326-328.

[12] 房晨，郝際平，樊春雷，等.半剛性框架-密肋框格防屈曲低屈服點鋼板墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015,36(11)：10-19.

[13] 齊五輝，楊蔚彪，常為華，等.中國尊大廈內置鋼板支撐混凝土剪力墻設計研究[J].建筑結構，2015,45(18):1-5.

[14] 聶建國，胡紅松，李盛勇，等.方鋼管混凝土暗柱內嵌鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2013,34(1)：52-60.

[15] 李盛勇，聶建國，劉付鈞，等.外包多腔鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2013,46(10)：26-38.

[16] 楊光.高軸壓比鋼管混凝土組合剪力墻抗震性能研究[D].北京：清華大學，2013.

[17] 孫仁樓，葉燕華，黃暉，等.鋼筋混凝土疊合板結構體系[J].江蘇建筑，2010(6)：22-24.

[18] 李云峰，李軍，張亞琴.CL結構體系特點及應用[J].建設科技，2008,8(15)：79-88.

[19] 岳亞鋒.異形柱-密肋復合墻結構抗震性能及全壽命周期設計方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2014.

[20] 張浩翔.鋼筋桁架樓承板在鋼筋混凝土結構中的應用[J].廣東土木與建筑，2013(6)：20-22.

[21] 吳方伯，劉彪，鄧利斌，等.預應力混凝土疊合空心樓板靜力性能試驗研究[J].建筑結構學報，2014,35(12)：10-19.

[22] 歐妍君，陳星，李欣.新型鋼管空心混凝土板技術[J].建筑結構，2007，37(9)：123-125.

[23] 馮鵬，初明進，林旭川.CTSRC樓板承載力計算及實荷試驗[J].清華大學學報，2010,50(9)：1325-1329.

[24] 王鳳欣，陳銀，王高峰，等.屈曲約束支撐研究進展綜述[J].河北工程大學學報，29(4)：28-31.

[25] 劉大偉，王偉，馬場峰雄，等.分層裝配式鋼結構體系新型支撐研制與性能試驗[J].建筑結構，42(10)：57-60.

[26] 陳云，陳奕柏，蔣歡軍，等.自復位耗能支撐研究進展[J].地震工程與工程振動，2014,34(5):239-246.

[27] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[28] GB50011-2010 建筑設計抗震規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[29] 曾凡生，王敏，楊翠如，等.高樓鋼結構體系與工程實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.