我國(guó)實(shí)用新型建筑結(jié)構(gòu)體系探討

1、我國(guó)實(shí)用新型建筑結(jié)構(gòu)體系探討一、引言 任何一種建筑結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用必須經(jīng)得起安全、適用、經(jīng)濟(jì)三方面的考驗(yàn)。尤其是隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越重視。本文主要從結(jié)構(gòu)體系的靈活性和實(shí)用性角度探討了目前在我國(guó)常用的幾種建筑結(jié)構(gòu)體系，希望能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)體系選型過(guò)程中提供一些參考?，F(xiàn)將主要的幾種建筑結(jié)構(gòu)體系作如下簡(jiǎn)要介紹。二、新型建筑結(jié)構(gòu)體系概述 (一)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(steel reinforced concrete) 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(SRC)是指在型鋼周圍配置少量鋼筋并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。近三十年來(lái)日本是世界上應(yīng)用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)最多的國(guó)家，也是研究型鋼混凝土

2、結(jié)構(gòu)較多、較深入的國(guó)家。1905年日本便建造了第一個(gè)采用型鋼混凝土柱的結(jié)構(gòu)。由于日本是一個(gè)多地震國(guó)家，因此在日本10-15層建筑約有90%采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。而我國(guó)在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)方面的運(yùn)用在20世紀(jì)50年代，而20世紀(jì)80年代最早由西安建筑科技大學(xué)和原冶金部建筑研究總院開(kāi)始研究，由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)，近二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)掀起研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的熱潮，到目前我國(guó)己取得了一系列科研成果，同時(shí)參照日本規(guī)范頒布了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程。 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn):(1)承載力高，剛度大，延性與抗震性能好，在多地震的我國(guó)有很大的使用空間。(2)具有較大的抗扭及抗傾授能力。(3)相同截面的構(gòu)件，SR

3、C結(jié)構(gòu)是RC結(jié)構(gòu)承載能力一倍以上，可以設(shè)計(jì)出最佳截面尺寸，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，增加凈空高度和使用面積。(4)施工安裝時(shí)，梁柱型鋼骨架本身構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)度、剛度較大的結(jié)構(gòu)體系可以作為澆注混凝土?xí)r掛模、滑模的骨架，大大減少支模的人工與材料，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化施工，縮短施工工期。(5)與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼骨混凝土構(gòu)件的外包混凝土可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，明顯地減少在鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)置大量支撐的工作量o (6)型鋼混凝土防火防腐蝕性能好?；诖耍弯摶炷辖Y(jié)構(gòu)己與傳統(tǒng)的四大結(jié)構(gòu)并列，共同形成五大建筑結(jié)構(gòu)體系，可見(jiàn)其道理所在。 但是，還有一些問(wèn)題，諸如型鋼與混凝土之間粘結(jié)滑移理論，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造問(wèn)題，以及制定適合我國(guó)基本國(guó)情的有

4、我國(guó)自己特色的型鋼混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范等多方面還需要做大量工作，使型鋼混凝土的設(shè)計(jì)更加優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)。 (二)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(steel tube-confined concrete) 鋼管混凝土(STCC)是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。它可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，使混凝土改變?yōu)槿蚴軌旱膽?yīng)力狀態(tài)，因而混凝土抗壓強(qiáng)度大大提高，使混凝土的抗壓性能更為有利的發(fā)揮，這是在混凝土技術(shù)上的一大突破。 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)其優(yōu)越的力學(xué)性能，一開(kāi)始就受到歐美各國(guó)土木工程界的重視，竟相開(kāi)發(fā)利用。從1897年美國(guó)人 John Lally在鋼管中填充混凝土用作承重柱(稱為L(zhǎng)ally柱)并取得專利算起，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在

5、工程界中的應(yīng)用己有一百余年的歷史。英國(guó)規(guī)范BS-449在1959年才開(kāi)始真正應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在鋼管中填筑混凝土，不僅可防止鋼管內(nèi)部銹蝕，增強(qiáng)鋼管的穩(wěn)定性，而且抗震強(qiáng)度大大提高。我國(guó)對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，最先由原中國(guó)科學(xué)院土建研究所、哈爾濱建筑大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、蘇州混凝土與水泥制品研究院等對(duì)此研究。由.于鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、經(jīng)濟(jì)效益顯著以及施工快捷等突出的優(yōu)點(diǎn)，因而在我國(guó)應(yīng)用最廣，研究工作也最為深入。我國(guó)己建成世界上最大最高的工程用鋼管混凝土的建筑是1999年建成的深圳賽格廣場(chǎng)大廈(地上72層，高291.6m )，這是我國(guó)自行投資、設(shè)計(jì)、

6、全部采用國(guó)產(chǎn)鋼材、自行加工和施工的第一個(gè)采用鋼管混凝土的世界最高建筑物。從側(cè)面反映我國(guó)在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究方面，尤其是近二十年來(lái)，在構(gòu)件性能和理論研究方面在國(guó)際上達(dá)到領(lǐng)先水平。 鋼管混凝土由于其受力性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有以下主要優(yōu)點(diǎn):(1)承載力高、剛度大、延性和抗震性能好。(2)抗壓、抗扭和抗剪性能好。(3)構(gòu)件截面小，節(jié)約了建筑材料，增加了使用空間，且結(jié)構(gòu)自重減輕，從而減小了基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)減小了地震反應(yīng)。(4)可有效地防止高強(qiáng)混凝土的脆性破壞，為使用高強(qiáng)、高性能的材料奠定了基礎(chǔ)。(5)取材容易，施工方便，可為逆作法施工創(chuàng)造條件，可適應(yīng)先進(jìn)的泵灌混凝土工藝，是一種具有高效施工技術(shù)的結(jié)構(gòu)。(

7、6)抗疲勞、耐沖擊，耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。(7)在相同的條件下，相比其他結(jié)構(gòu)體系，可節(jié)省鋼材約50%，這就帶來(lái)相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 目前對(duì)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系還有一些問(wèn)題，諸如節(jié)點(diǎn)及墻柱的連接、屈服后的性能、在周期反復(fù)荷載下混凝土和鋼的粘結(jié)力表現(xiàn)、鋼管局部壓屈的可能性、混凝土的水化熱等等諸多問(wèn)題都有待進(jìn)一步的研究。 (三)鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)(Hybrid structure of steel-concaete) 通常將型鋼混凝土和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為組合結(jié)構(gòu).它是利用兩種不同性質(zhì)的材料協(xié)同工作承受荷載，而混合結(jié)構(gòu)則是將融合兩種結(jié)構(gòu)體系組合整體受力結(jié)構(gòu)，它利用鋼筋混凝土的剛度以抵抗水平荷載，利用鋼

8、材的輕質(zhì)和跨越性能好的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)構(gòu)造樓面。這將取得經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)性能優(yōu)良的效果。該體系包括:鋼筋混凝土外框筒一鋼框架組合體系、鋼筋混凝土核芯筒一鋼框架組合體系和帶剪力墻的鋼框架結(jié)構(gòu)體系三類。 第一類體系中鋼筋混凝土外框筒抵抗水平荷載，內(nèi)部鋼框架僅需承擔(dān)豎向荷載。其優(yōu)點(diǎn)是:既可發(fā)揮鋼框架結(jié)構(gòu)跨度大、重量輕的特點(diǎn)，且無(wú)須剛性節(jié)點(diǎn)，還可以賦予芯體設(shè)計(jì)的靈活性，平面上不強(qiáng)求正平面;這種混合體系能得出較輕的結(jié)構(gòu)，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，有利于抗震，施工速度也快，內(nèi)部鋼框架的安裝和外圈鋼筋混凝土框筒的澆注可以交錯(cuò)進(jìn)行.第二類體系中的主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件是混凝土芯筒，芯筒承擔(dān)著作用整座樓房的大部分水平荷載，小部分由鋼

9、框架承擔(dān)。其優(yōu)點(diǎn)是:由于鋼框架極少承擔(dān)水平荷載，較少了抵抗這部分荷載的用鋼量;節(jié)點(diǎn)連續(xù)簡(jiǎn)化，支承亦取消，相應(yīng)費(fèi)用亦減少;能充分發(fā)揮鋼柱抗壓強(qiáng)度高的性能，露面結(jié)構(gòu)跨度可增大，使用面積得到了增加，也便于在底層布置大空間和大的出入口。其缺點(diǎn)是:混凝土核心簡(jiǎn)布置不夠靈活，墻體也占據(jù)了空間;設(shè)置整層樓高的外伸剛性析架，以加大整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度和抗傾筱力矩的能力，滿足結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)移值和最大層間側(cè)移值的設(shè)計(jì)要求。第三類體系中鋼框架是主要的承重構(gòu)件，鋼筋混凝土墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在日本的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑中應(yīng)用較多。水平荷載引起的抗傾覆力矩主要由帶剪力墻的鋼框架來(lái)承擔(dān)。 但是，在混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何根據(jù)具體的

10、設(shè)計(jì)要求，正確而合理的選擇合適的體系這是關(guān)鍵所在.同時(shí)如何合理解決混合結(jié)構(gòu)中兩種體系的不均勻沉降問(wèn)題，這對(duì)設(shè)計(jì)與施工提出了更高的要求。總之，根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，混合結(jié)構(gòu)的高層建筑(35-40層)的造價(jià)約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的63.3%，為純鋼結(jié)構(gòu)的54%,鋼筋混土混合結(jié)構(gòu)體系具有經(jīng)濟(jì)、方便的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的。 (四)底部框剪砌體房屋結(jié)構(gòu)(Masonry building with the bottom frame-shear wallstructure) 底部框剪砌體房屋是指底部一層或兩層為空間較大的框架一抗震墻，上部為多層砌體的結(jié)構(gòu)。多層砌體房屋結(jié)構(gòu)，這一傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系由于構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方

11、便，造價(jià)較低以及就地取材等優(yōu)點(diǎn)，一直是我國(guó)民用建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一。但是，改革開(kāi)放以來(lái)，底部框剪砌體房屋得到了廣泛重視和迅速發(fā)展，在新加坡及我國(guó)的大中城市都能看到這類結(jié)構(gòu)，而且底部?jī)蓪涌蚣羝鲶w房屋比例近年來(lái)日趨增多，表明這種結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越受人們的歡迎。這是由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，促使沿街建筑的底部或底部?jī)蓪映蔀樯虡I(yè)和辦公用房。另一方面，對(duì)小區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，多層建筑的底部成為開(kāi)放式大空間，這不僅改善了房屋之間空氣流通條件和居住質(zhì)量，避免了底層房屋比較潮濕，采光和冬天日照較差的情況，并且增加了小區(qū)的公共活動(dòng)空間和居民之間的交流條件。這些都促使了框架一剪力墻砌體房屋結(jié)構(gòu)的研究、發(fā)展和推廣應(yīng)用

12、?；诖耍?995年以來(lái)由西安建筑科技大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院抗震所、大連理工大學(xué)等單位研究具有比全框架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)，在使用功能相同的條件下節(jié)約造價(jià)20%左右，且施工簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)越性的底部框剪砌體房屋新型建筑結(jié)構(gòu)體系。同時(shí)，底部框剪砌體房屋是符合我國(guó)基本國(guó)情、適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制和城市建設(shè)發(fā)展需要的一種優(yōu)越的抗震結(jié)構(gòu)體系，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)尤為適用。 底部框剪砌體房屋中框剪層具有較大的抗震承載能力和良好的變形、耗能、減震作用，但側(cè)向剛度較小，破壞狀態(tài)一般為延性破壞，而砌體層具有一定的抗震承載能力，側(cè)向剛度較大但變形和耗能能力相對(duì)較差，破壞狀態(tài)屬于脆性破壞。為了協(xié)調(diào)解決這一矛盾，提高這種結(jié)構(gòu)的整體抗震能力

13、，應(yīng)經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)使房屋的薄弱層既能出現(xiàn)在變形和耗能能力較好的底部框剪層，又可避免框剪層變形過(guò)分集中，而過(guò)早失去抗震能力，于是要求:底層應(yīng)設(shè)置為框架一抗震墻體系，對(duì)房屋的抗震能力要求應(yīng)更高一些，L過(guò)渡樓層的抗震能力應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，上部砌體房屋的縱橫墻布置應(yīng)盡量做到規(guī)則，以滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則。但是，由于底部一層與兩層框剪砌體在受力和變形性能上存在較大差異，前者屬于剪切型，后者屬于彎剪型，因此后者應(yīng)按框架與中高抗震墻協(xié)同工作的方法進(jìn)行水平地震作用下的內(nèi)力計(jì)算，如仍按各側(cè)力構(gòu)件有效側(cè)向剛度比例確定框架柱承擔(dān)的地震剪力，則有可能使第二層柱配筋不足，造成很大的安全隱患

14、。 (五)密肋壁板輕框結(jié)構(gòu)(The mufti-rib wall plate light-weighted frame structure) 密肋壁板輕框結(jié)構(gòu)主要由輕型框架(隱形框架)與密肋復(fù)合墻板構(gòu)成。密肋復(fù)合墻板是以截面及配筋較小的鋼筋混凝土為框格，內(nèi)嵌以爐渣、粉煤灰等工業(yè)廢料為主要原料的加氣硅酸鹽砌塊。 密肋壁板輕框節(jié)能結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn):(1)結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好、承載力高、整體性好，形成三級(jí)地震能量釋放體系，即先填充塊、再框格、后外框架的破壞機(jī)理，從而滿足抗震設(shè)防的二階段三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想。 (2)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。它打破了傳統(tǒng)的建筑模式，以板塊裝配，組體靈活。針對(duì)不同層數(shù)，不同使用功能的建

15、筑，通過(guò)改變墻板肋梁，肋柱的間距及配筋以調(diào)整墻板剛度及承載力，并可通過(guò)改變墻體間框架柱的截面及配筋調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和承載力.(3)雖然墻體厚度減小，但是保溫性能好，且使凈使用面積增大.(4)施工速度快。結(jié)構(gòu)采用裝配現(xiàn)澆式施工，機(jī)械化程度高，大大縮短工期。(5)填充塊體可有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，拓展框架結(jié)構(gòu)的建造高度。(6)復(fù)合墻板不僅起圍護(hù)、分隔空間和保溫作用，而且可作為承力構(gòu)件使用，從而可有效減小框架截面尺寸及配筋量，降低結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。(7)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益顯著。保護(hù)環(huán)境，節(jié)約土地，大量利用工業(yè)廢渣，降低造價(jià)。 為適應(yīng)國(guó)家節(jié)能建筑、墻體改革、保護(hù)耕地及住宅產(chǎn)業(yè)化的需要，西安建筑科技大學(xué)歷時(shí)十年

16、之久，研究開(kāi)發(fā)以密肋復(fù)合墻板為主要承力構(gòu)件的新型建筑結(jié)構(gòu)體系一密肋壁板輕框結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在小高層以下的居住建筑中具有極好的應(yīng)用前景。目前，密肋壁板輕框結(jié)構(gòu)體系已在陜西省推廣應(yīng)用，同時(shí)被列入2002年建設(shè)部科技成果推廣計(jì)劃。 (六)巨型結(jié)構(gòu)體系(Mega-frame structure) 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)建筑外形、建筑功能、建筑空間和建筑環(huán)境提出了更多要求，尤其對(duì)大空間的需求越來(lái)越迫切，于是發(fā)展巨型結(jié)構(gòu)體系成為必然趨勢(shì)。巨型結(jié)構(gòu)是布置若干個(gè)巨大的豎向支撐結(jié)構(gòu) (組合柱、角筒體、邊筒體等)并與梁式或架式轉(zhuǎn)移樓層相結(jié)合，形成一種巨型框架或巨型析架結(jié)構(gòu)體系。 巨型框架作為獨(dú)立的承重結(jié)

17、構(gòu)，在巨型框架之間用較小的梁柱構(gòu)件組成次框架以形成若干層建筑空間，而次框架上的豎向荷載或水平作用力則全部傳遞給巨型框架，通過(guò)巨型框架柱傳給基礎(chǔ)和地基。由于其獨(dú)特的兩級(jí)受力體系不僅有利于提高結(jié)構(gòu)整體性，改善結(jié)構(gòu)安全性能，減少材料用量和工程造價(jià)，亦給建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的靈活性，因此，在超高層建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用。 巨型結(jié)構(gòu)因?yàn)楹馁Y大，人員和財(cái)產(chǎn)相對(duì)集中，對(duì)抗震有更高的要求。同時(shí)，隨著高層建筑向著越來(lái)越高、越來(lái)越柔的方向發(fā)展，風(fēng)荷載，尤其是動(dòng)力風(fēng)荷載，常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，因此，近年來(lái)同濟(jì)大學(xué)和東南大學(xué)等單位在結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)及抗震性能的研究等方面做了一些工作。 另外，鑒于篇幅原因不能一一

18、介紹，還有一些建筑結(jié)構(gòu)體系都具有獨(dú)特之處，例如:底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)、懸掛體系、應(yīng)力蒙皮筒體結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等等。三、結(jié)論 時(shí)代是不斷向前發(fā)展的，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)體系也是隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷推陳出新的。新型建筑結(jié)構(gòu)體系首先它應(yīng)該采用組合結(jié)構(gòu)的形式，充分發(fā)揮了混凝土和鋼材的優(yōu)點(diǎn)，使其具有承載力高、延性好，與鋼結(jié)構(gòu)相比，提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，解決了鋼結(jié)構(gòu)中存在的耐火性和耐腐蝕性問(wèn)題，并降低了結(jié)構(gòu)的造價(jià);與混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以大大減小構(gòu)件截面尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)的自重，還可以使基礎(chǔ)的造價(jià)降低，在南方軟土地區(qū)這個(gè)優(yōu)勢(shì)尤為明顯。其次，樓(屋)蓋體系使用預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土樓板或壓型板混凝土組合樓板，一方面可以不用支模，省去大量模板施工造成人工和材料的浪費(fèi)，促進(jìn)施工標(biāo)準(zhǔn)化和裝配化，加快施工進(jìn)度，縮短施工工期。另一方面可以增加樓板的跨度，加大柱網(wǎng)間距，以滿足現(xiàn)代多高層建筑的大空間、大跨度的要求?？紤]到我國(guó)鋼產(chǎn)量已居世界前列，因而新的多高層建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)是以鋼材為骨架，采用組合結(jié)構(gòu)柱，鋼或鋼一混凝土組合梁，樓(屋)蓋則主要由預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土樓板或壓型鋼板混凝土組合樓板構(gòu)成，側(cè)向荷載由組合框