【JY|体系】结构概念设计之(结构体系概念)

   结构的体系概念是指了解基本的结构体系及其原理，以及各种体系适用的场合等，也包括一些纸和笔初步计算的技能。这是最基本也是最核心的结构概念，其作用贯穿结构设计全过程，在结构方案和体系选型的时候，有好的体系概念才能综合考虑好各种因素，定好结构设计的大方向，可以尽量避免返工。在结构分析的时候，有好的体系概念才能找对方向调整修改结构模型。

    对于体系概念的宏观把控和深入理解，这点可以从方鄂华教授的《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》中进行学习，并且我国现行《抗规》和《高规》进行了解，规范中对于在我国常用的各种钢筋混凝土高层结构和混合结构体系给出了其适用的最大高度。当然了，对于规范中未指定的体系或突破的超限高度或跨度，只要分析论证到位，且得到专家认可也可执行（此推文献给敬畏且不盲从规范的结构工程师）。

    在进行建筑结构设计的过程当中，不能够仅仅通过短短的简单设计完成。需要通过引用各类体系概念，将该建筑结构设计的相似的工程项目进行总结，根据所总结出的优点，对建筑结构设计进行全新的设计，让建筑结构设计方案能够更科学合理地进行，体系不止包括传统结构体系，结构工程师应有更大的视野，才可以看菜做饭、有菜做饭，有得选择。

    好的结构具备必要的强度和良好延性及多道设防原则建筑结构的抗震性能，是由多个指标决定的。通常将建筑的强度、刚度以及延性，作为衡量结构抗震能力的指标。各类结构体系的耗能机制各有不同，选择对应的结构体系结合相应的建筑功能，是结构工程师需要必备掌握的技能。

图 各类结构耗能机制

       本文重点：

传统抗侧力体系、

外观抗风体型、

组合构件等增强构件、

可恢复性结构体系、

减隔震结构体系。

    从单种抗侧力体系 (框架、剪力墙) 发展到双重和多重抗侧力体系 (框架一筒体结构、框架一核心筒结构、筒中筒结构)，再到巨型化抗侧力体系 (巨型结构和脊骨结构) 设计。对于不同结构高宽比应选用适宜的抗侧力体系。

    传统抗震机制在结构体系层次，承担结构使用功能的体系与承担结构地震作用的体系为同一体系；在结构构件层次，传统抗震结构中承担使用功能的结构构件与承担地震作用的结构构件为同一构件；在构件截面层次，截面中耗散能量部分与承担使用功能部分处于同一截面。

    框架结构和剪力墙结构，均为片状的平面结构，主要依靠平面内传力，在平面内刚度很大，但平面外的刚度很小，必须在双向布置平面结构，以抵抗不同方向的荷载作用，因此结构布置的间距不大，不仅可利用空间受到限制，而且结构构件数量多、材料耗费多，可建造的建筑高度也不大。在对结构的内在力学性能深入认识的基础上，发展了空间结构，若将剪力墙围成筒体，抗侧刚度大大增加；若在剪力墙筒体上开洞，就形成了密柱深梁的框筒结构。

    剪力墙结构用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构。其墙身平面内的抗侧移刚度很大，而其墙身平面外刚度却很小，因此比框架结构有更好的抗侧力能力。剪力墙结构有很好的承载能力，而且有很好的整体性和空间作用，在房间内隐藏了梁、柱棱角等，便于室内布置，方便使用。

    框架-剪力墙结构简称框剪结构，竖向受力构件由框架柱和剪力墙组合而成。框架柱和剪力墙协同承受竖向及水平荷载。框架剪力墙结构体系是符合多道抗震防线要求的结构体系，在该结构中抗震墙由于其侧向刚度大，成为第一道防线，框架则是抗震的第二道防线。

    筒体结构又分为框架-核心筒及筒中筒两种结构，框筒结构中心为抗剪薄壁筒或密柱框架围城的框筒，外围为普通框架所组成的结构。筒中筒结构即中央为薄壁筒，外围为框筒组成的结构。

    传统梁柱杆件的尺寸有限，但是将许多杆件连接组成巨型梁、巨型柱、巨型框架，就可以大大提高抵抗竖向和水平荷载的能力，其中的次结构可以灵活布置，可以实现建筑要求的灵活空间，主、次结构的各种组合和变化，可以适应多种建筑布置，也可能加大结构高度。

    周边布置结构，可以提高结构抗侧力和抗扭转刚度，巨型框架筒或巨型桁架筒将抗侧力结构放置在周边，和核心筒结合，组成巨型框架—核心筒或筒中筒结构，适用于建造超高层结构。

    风荷载是超高层建筑的主要控制水平荷载，合理的建筑体型可有效减小风荷载，尤其可降低高宽比较大的建筑物的横风向作用。

     主要抵御风荷载的方式归纳总结有：

    从体型处理方面有：下大上小、切角柔化、高区透风、旋转上升、立面导流；

    从动力学角度方面有：避开共振、优化朝向、附加阻尼。

    结构外形处理：

(a)“卸风”体型的高区透风

    随建筑高度增加，风荷载以指数级增长。建筑物顶部的风荷载引起的倾覆力矩占基底倾覆力矩的比例较大。因此，在建筑物高区立面开设一些洞口，减小迎风面面积，对减小基底风荷载以及倾覆力矩作用非常明显，即高区透风。

(b)扭转体型的旋转上升

    对横风向引起的风荷载以及顶部舒适度，沿高度不断扭转建筑体型则是非常有效的方式。增加建筑物的扭转程度可导致涡旋脱落之间的相关性减小，从而降低横风向动力响应。 

(c)其他减小横风向措施

    超高层建筑采用流线形平面、建筑角部钝化、沿高度逐步退台以及立面设置导流槽等体型优化措施均可以有效降低横风风荷载，从而取得可观的经济效益。

    我国从20世纪80年代开始对型钢混凝土结构进行系统研究。越来越多地利用钢和钢筋混凝土的结合（甚至是纤维梁板等材料与钢和混凝土 共同组合），发展到钢骨混凝土、钢管混凝土、叠合钢管混凝土、钢混凝土组合楼板、钢板剪力墙等组合构件，可以充分发挥钢和混凝土两种材料的优点。钢构件、钢筋混凝土构件、各种组合构件结合在一起，组成混合结构，是近年来结构设计的超高层结构的方法之一。除钢结构外，钢骨混凝土结构的抗震性能较好，震害少，现在在超高层建筑中多数都采用组合构件和混合结构。

    常用的组合构件用的是钢骨混凝土结构构件，即SRC，是在型钢外浇筑混凝土而形成的一种组合结构。与钢筋混凝土结构相比，可减轻自身重量，减少构件的横截面，增加跨度，降低成本，提高结构构件的延展性。与钢结构相比，可降低钢材的用量，合理节约资源，并且提高钢材承载时的刚度、整体稳定性和完整性。同时，外围混凝土结构能够提高核心型钢的耐火性和耐久性。

    其中实腹式型钢混凝土梁研究较多，型钢混凝土梁有与钢筋混凝土类似的正截面受力性能，正常的受力情况下，型钢混凝土梁受力过程可以分为整体工作阶段、带裂缝工作阶段、弹塑性工作阶段和整体工作阶段。型钢混凝土梁主要出现斜压和剪压两种破坏形态，但也存在少数发生粘结破坏的型钢混凝土梁；钢筋混凝土结构由于加入型钢，显著提高了构件的变形能力，改善了构件的延性性能。

    可恢复功能防震结构是针对按现行混凝土范设计的时，抗震结构的缺陷面提出的具备更高性能的新型结构体系。传统抗震结构利用结构的关键结构构件，如梁、柱和剪力墙等，产生塑性变形耗散地震输入的能量，而这些构件也承担重力荷载，他们的损伤将导致结构的安全性降低进而失去使用功能。

    但是，可恢复功能防震结构不同，应用摇摆构造放松节点处约束，使结构节点可以在受控的范围内摇摆或者抬升，避免造成结构构件的损伤，同时在发生摇摆或抬升的节点部位设置自复位装置和可更换的耗能装置，提供恢复力并降低由于约束放松而增大的变形。因此，就控制结构关键构件损伤和震后快速恢复而言，与传统抗震结构相比，可恢复功能防震结构具有实现更高结构性能的能力。

    可恢复功能防震结构在设防目标上与传统抗震结构具有明显的区别。对于传统抗震结构，如特殊设防类、重点设防类建筑，虽然在地震作用计算及/或构造措施上较所在地的烈度有所提高，但是抗震设防目标仍然是实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

    震害调查表明，依据现行规范设计的抗震结构基本上可以实现大震不倒，即达到了避免倒塌保证生命安全的目标。但是，这一类结构在中震下的表现并未能达到规范预定的设计目标，结构构件的损伤增加了修复成本和难度，有时甚至使得修复难以进行。与传统抗震结构相比，可恢复功能防震结构具备更加细致和性能化的设防目标，在关注生命安全的同时，更加注重震后恢复能力。

    通常可恢复功能体系有：摇摆框架和摇摆墙系统、可更换结构构件（传统双连梁→可更换式连梁）

    在震害观测过程中发现，一些地震中伴有基础抬升或者结构摇摆的房屋，在地震后，其结构功能没有受到破坏。因此，结构工程界开始了一系列摇摆结构体系的研究。摇摆结构体系不是利用结构楼层本身的变形来耗散地震能量，而是通过结构构件的摇摆，将变形集中在摇摆界面上，并在这些部位设置耗能构件。

    可恢复功能防震结构是一种应用新技术的结构，配合预制装配等技术可以实现全寿命周期内高效益。传统抗震结构初期建造成本低，但是震后维修费用高，有时甚至比重新建造成本更高，是一种生命周期内效益较低的结构。相比而言，可恢复功能防震结构应用新技术可以控制初期建造成本与传统抗震结构持平或略高于传统抗震结构，但是结构的维修费用远低于传统抗震结构，造成的间接损失更少，其全寿命周期内效益较高。

    结构在设计水平地震和大震作用下会出现较为严重的损伤，导致结构在一定时间内失去基本使用功能，人们不得不在临时避难场所度过相当长的时间。此外，地震后结构的修复需要投入大量的人力和物力，对于地震后的恢复带来了阻碍和压力。

    可恢复功能防震思想要求结构功能快速可恢复，这就要求可恢复功能防震结构的工作机制克服传统抗震机制在体系、构件和截面层次中结构功能串联的弊端，通过可恢复功能防震机制经济高效地兼顾结构安全与使用功能。

    可恢复功能防震结构中结构体系、构件或者截面实现抗震与使用功能的并联，通过计算和构造布置将抗震功能集中于高效构件和可更换的阻尼装置，而承担使用功能的结构构件根据设计目标可处于无损伤或者轻微损伤的可恢复性能水平状态。

    可恢复功能防震结构通常需要耗能机制、摇摆机制、自复位机制的二项或者三项有机结合。耗能机制将地震输入的能量集中在可更换的阻尼装置中，是可恢复功能防震结构兼顾结构安全和可恢复功能的另一个核心机制。摇摆机制与耗能机制组合更具备实用价值，自复位机制在一定状态下保持弹性不具备耗能能力，因此，只有将耗能机制与以上两种组合才能实现结构的功能可恢复。

    近年来高层建筑中应用消能和减震方法，是技术上的进步，给结构设计带来了很多新的概念。在地震时结构塑性变形可以耗散地震能量，在传统的抗震结构中，是采用提高结构本身的变形能力、提高构件延性的方法建造延性抗震结构。但是，构件塑性变形和耗散能量的结果，必然导致结构损坏，过去，抵抗大震要求达到“裂而不倒”，现代高层建筑则要求结构在地震作用下无损或损坏很小。如果要求构件地在大震中也处于弹性阶段，将加大构件，多用材料，很不经济。消能减震结构就完全用了另一种途径抵抗地震，通过在结构中设置消能装置来耗散地震能量。

    结构被动耗能减振技术是一种经济、有效、可靠、易实现的结构振动控制技术，结构抗震安全性设计是结构设计的重要内容，通过振动控制技术提高结构的抗震能力是隔震减震领域重点解决的问题；随着建筑结构不断向高度更高、跨度更大、体型更复杂化发展，建筑结构在强风作用下的人居舒适度问题逐渐凸显，通过振动控制技术解决建筑结构人居舒适度问题也是目前隔震减震领域的一个重要任务。

图 减隔震设计常用装置

(a)建筑结构隔震技术

    建筑结构隔震技术是在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，阻隔输入上部结构的地震作用，减小结构的振动，达到预期防震要求。目前常用的隔震措施主要有橡胶垫隔震、摩擦隔震和滚动隔震，以及组合隔震技术。

    橡胶垫隔震装置由钢板和橡胶交替叠合而成。钢板作为橡胶支座的加劲材料，改变了橡胶体竖向刚度较小的特点，使其既能降低水平地震作用，又能承受较大竖向荷载。橡胶垫隔震装置包括天然橡胶垫、标准多层橡胶垫、内包阻尼体橡胶隔震垫、铅芯橡胶隔震垫等。橡胶隔震垫技术发展已比较成熟，隔震装置竖向承载力大，具有稳定的弹性复位功能，且隔震周期长、阻尼比大。并且橡胶隔震技术是目前国际上研究最成熟、应用最广泛的一种抗震技术。橡胶隔震支座具有竖向承载力大、水平刚度小、大水平变形弹性性能好等特点，铅芯橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支座同时还具有耗能能力且造价相对较低的特点，使其成为最理想的隔震元件。橡胶隔震支座发展经历了从粗略型向精细化、从高硬度向低硬度研发的过程，在橡胶支座生产方面，我国在上世纪90年代初期开始橡胶隔震支座的开发研究，目前支座已经具备稳定的力学性能。在橡胶隔震装置的种类及隔震装置的性能方面，我国同日本、美国、意大利等处于世界领先水平。

    摩擦隔震技术包括了摩擦滑移隔震和摩擦摆隔震两种类型，前者滑动面为平面，后者滑动面为曲面。隔震层滑移后，隔震层刚度为零，系统受地面运动频率特性的影响较小，几乎不会发生共振现象。摩擦滑移隔震体系的设计主要应考虑对上部结构的实际减震效果和控制基础滑移量。

(b)建筑结构减震技术

    相对于隔震技术阻隔输入上部结构的地震作用，减震技术则是立足于消耗或吸收输入上部结构的地震能量，包括耗能减震技术和吸震减震技术。在结构物某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接件）设置减震装置，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）、弹塑性（或黏弹性）滞回变形来耗散或吸收地震输入结构的能量，以减小主体结构的地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震的目的。减震相关的阻尼器种类较多，主要使用较多的是BRB(屈曲约束支撑)、黏滞阻尼器(墙)、粘弹性阻尼器、金属阻尼器、调谐质量阻尼器。

摩擦阻尼器

BRB(屈曲约束支撑)

铅阻尼器

金属阻尼器 

黏弹阻尼器