多高层混凝土结构的受力特点与构造要求

8.2　多高层混凝土结构的受力特点与构造要求

・8.2.1　框架结构体系・

1）框架结构的类型

框架结构按施工方法的不同可分为现浇式、装配式和装配整体式。

·现浇式框架　现浇式框架是指梁、柱、板全部为现浇。一般的做法是每层的柱与其上部的梁、板同时支模、绑扎钢筋，然后一次浇筑混凝土。因此，现浇式框架整体性强，抗震性能好，应用较多，但其缺点是现场施工的工作量大，工期长，需要大量模板。

·装配式框架　装配式框架是指梁、柱、板均为预制，通过焊接拼装成整体的框架结构。由于所有构件均为预制，可实现标准化、工厂化、机械化生产，因此，现场施工速度快、效率高。但装配式框架的整体性差，抗震能力弱，不宜在地震地区应用。

·装配整体式框架　装配整体式框架是指梁、板、柱均为预制，在构件吊装就位后，焊接或绑扎节点区钢筋，再通过后浇混凝土，形成框架节点并使各构件连成整体的框架结构。装配整体式框架既具有良好的整体性和抗震能力，又可采用预制构件，兼有现浇式框架和装配式框架的优点，但节点区现场浇筑混凝土施工较为复杂。

2）承重框架的布置

按楼面竖向荷载传递路线的不同，承重框架的布置有横向框架承重、纵向框架承重和纵、横向框架混合承重3种方案。

·横向框架承重方案　横向框架承重方案是在房屋的横向布置框架主梁，而在纵向布置连系梁，如图8.1（a）所示。此方案横向框架跨数少，主梁沿横向布置有利于提高建筑物的横向抗侧移刚度，而纵向框架仅需按构造要求布置较小的连系梁，有利于房屋室内的采光与通风。

·纵向框架承重方案　纵向框架承重方案是在房屋的纵向布置主梁，在横向布置连系梁，如图8.1（b）所示。由于楼面荷载由纵向主梁传给柱子，所以横梁高度较小，有利于设备管线的穿行。纵向框架承重方案的缺点是房屋横向抗侧移刚度较小，进深尺寸受预制板长度的限制。

·纵、横向框架混合承重方案　纵、横向框架混合承重方案是在纵横两个方向上均布置框架主梁以承受楼面荷载。当采用预制板楼盖时，其布置如图8.1（c）所示；当采用现浇楼盖且为双向板时，其布置如图8.1（d）所示。当楼面上作用有较大荷载，或楼面有较大开洞时，或当柱网布置为正方形或接近正方形时，常采用纵、横向框架混合承重方案。这种方案具有较好的整体性能，目前应用较多。

3）框架结构的内力计算方法简介

框架结构是由若干平面框架通过连系梁连接而形成的空间结构体系，但在一般情况下，可以忽略它们之间的空间联系，而按平面框架计算。

图8.1　承重框架布置方案

（a）横向框架承重；（b）纵向框架承重；（c）采用预制板楼盖的纵、横向框架混合承重；（d）采用双向板现浇楼盖的纵、横向框架混合承重

（1）竖向荷载作用下的内力计算

框架在竖向荷载作用下的内力可近似地采用分层法计算。分层法假定：每层梁上的竖向荷载对其他各层梁的影响可以忽略不计；在竖向荷载作用下，多层多跨框架的侧移极小，可近似按无侧移框架进行分析。

图8.2　分层法计算简图及框架在竖向荷载作用下的弯矩图

（a）多层框架；（b）单层无侧移开口刚架；（c）整个框架的弯矩图；（d）各开口刚架的弯矩图

根据上述假定，图8.2（a）所示的多层框架可沿高度分成3个单层无侧移的开口刚架（图8.2（b）），用弯矩分配法求出各开口刚架的内力后即可绘出相应的弯矩图（图8.2（d）），然后叠加，即得整个框架的弯矩图（图8.2（c））。

（2）水平荷载作用下的内力计算

多层框架受风或地震等水平荷载的作用，一般可简化为作用于框架节点上的水平力。由精确法分析可知，框架结构在节点水平力作用下的弯矩图，如图8.3所示。从图中可以看出，各杆的弯矩图均为直线形，每根立柱都有一个反弯点，如求出各柱的反弯点位置及在反弯点处的剪力值，则柱和横梁的弯矩即可求得。这种方法称为反弯点法。但当梁柱线刚度较为接近时，用反弯点法计算误差较大，此时可采用修正反弯点法（又称D值法）。

图8.3　框架在水平力作用下的弯矩图

4）非抗震设计时现浇框架的节点构造

①框架梁上部纵向钢筋伸入中间层端节点的锚固长度，直线锚固时不应小于l_a，且应伸过柱中线，伸过的长度不宜小于5d（d为梁上部纵向钢筋的直径）。当柱截面尺寸不足时，梁上部纵筋也可采用90°弯折锚固的方式，此时梁上部纵筋应伸至柱外侧纵向钢筋内边并向节点内弯折，其包含弯弧在内的水平投影长度不应少于0.4l_ab，弯折钢筋在弯折平面内包含弯弧段的投影长度不应小于15d，如图8.4所示。

图8.4　梁上部纵向钢筋在框架中间层端节点内的锚固

框架梁下部纵向钢筋在端节点处的锚固要求与中间节点处梁下部纵向钢筋的锚固要求相同。

②框架梁上部纵筋应贯穿中间节点，该钢筋自柱边伸向跨中的截断位置应根据梁端负弯矩确定。框架梁下部纵向钢筋的锚固要求如图8.5所示。当计算中不利用梁下部纵向钢筋强度时，其伸入节点内的锚固长度不小于12d（带肋钢筋）或15d（光圆钢筋），d为钢筋的最大直径；当计算中充分利用梁下部钢筋的抗拉强度时，梁下部纵向钢筋可采用直线式锚固在节点或支座内，直线式锚固长度不小于l_a，如图8.5（a）所示；当柱截面尺寸不足时，也可采用90°弯折锚固方式，其包含弯弧在内的水平投影长度不应少于0.4l_ab，弯折钢筋在弯折平面内包含弯弧段的投影长度不应小于15d，如图8.5（b）所示。下部纵向钢筋也可伸过节点，并在梁中弯矩较小处设置搭接接头，搭接长度的起始点至节点或支座边缘的距离不应小于1.5h₀，如图8.5（c）所示。

图8.5　梁下部纵向钢筋在框架中间节点内的锚固

③框架柱的纵向钢筋应贯穿中间层中间节点和中间层端节点，柱纵向钢筋接头应设在节点区以外。顶层中间节点的柱纵向钢筋及端节点柱内侧纵向钢筋应伸至柱顶，其自梁底标高算起的锚固长度不少于l_a，如图8.6（a）所示。当顶层节点处梁截面高度不足时，可采用90°弯折锚固措施。此时，柱纵向钢筋应伸至柱顶并向节点内水平弯折，包括弯弧在内的垂直投影长度不应小于0.5l_ab，在弯折平面内包含弯弧段的水平投影长度不宜小于12d，如图8.6（b）所示；当柱顶有现浇板且板厚不少于100 mm时，柱内纵筋也可向外弯折，弯折后的水平投影长度不宜小于12d，如图8.6（c）所示。

图8.6　框架柱纵筋在顶层中间节点内的锚固

④框架顶层端节点处，可将柱外侧纵向钢筋的相应部分弯入梁内作梁上部纵筋使用（图8.7（a）），也可将梁上部纵筋与柱外侧纵向钢筋在顶层端节点及附近部位搭接（图8.7（b））。

图8.7　梁上部纵向钢筋与柱外侧纵向钢筋在顶层端节点的搭接

・8.2.2　剪力墙结构体系・

1）剪力墙结构的受力特点

剪力墙的高度一般与整个房屋的高度相同，宽度由建筑平面布置而定，一般为几米至几十米，而其厚度一般仅有200～300 mm，相对而言较薄。因此，剪力墙在其墙身平面内具有很大的抗侧移刚度。剪力墙体系中的剪力墙，既承受竖向荷载与水平荷载，又起围护及分隔作用，所以对高层住宅和旅馆等比较合适。当剪力墙采用小开间布置时，横墙间距为3.3～4.2 m，墙体太多，混凝土和钢筋的用量增加，材料强度得不到充分利用，既增加了结构自重，又限制了建筑上的灵活多变；采用大开间布置时，横墙间距为6～8 m，便于建筑上灵活布置，又可充分利用剪力墙的材料强度，减轻结构自重。目前剪力墙多采用大开间布置。图8.8所示为剪力墙体系结构布置的示例。

图8.8　剪力墙结构布置

剪力墙在纵横两个方向都可布置，布置时应注意纵横向剪力墙交叉布置使之连成整体，使墙肢形成I形、T形、［形等。

为满足使用要求，剪力墙上常有门窗等洞口，这时应尽量使洞口上下对齐，布置规则，使洞口至墙边及相邻洞口之间形成墙肢，上下洞口之间形成连梁。洞口对剪力墙的受力性能有很大影响。剪力墙按受力特点的不同可分为整截面剪力墙、整体小开口剪力墙、联肢剪力墙和壁式框架等类型，如图8.9所示。

·整截面剪力墙　无洞口的剪力墙或剪力墙开有一定数量的洞口，但洞口面积不超过墙体面积的16%，且洞口间的净距及洞口至墙边的净距都大于洞口长边的尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这类剪力墙称为整体剪力墙，如图8.9（a）所示。

·整体小开口剪力墙　当剪力墙上所开洞口面积稍大，超过墙体面积的16%时，在水平荷载作用下，这类剪力墙其截面变形仍接近于整体截面剪力墙，这种剪力墙称为整体小开口墙，如图8.9（b）所示。

·联肢剪力墙　当剪力墙沿竖向开有一列或多列洞口时，由于洞口总面积较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙，如图8.9（c）所示。开有一列洞口的联肢墙称双肢剪力墙（简称双肢墙），开有多列洞口的联肢墙称多肢剪力墙（简称多肢墙）。

·壁式框架　当剪力墙的洞口尺寸更大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时，剪力墙受力性能已接近框架，此时称为壁式框架，其墙体即为框架柱，如图8.9（d）所示。

图8.9　剪力墙结构的分类

（a）整截面剪力墙；（b）整体小开口剪力墙；（c）联肢剪力墙；（d）壁式框架

2）剪力墙结构的构造要求

①钢筋混凝土剪力墙的混凝土强度等级不宜低于C20。

②非抗震设计时，钢筋混凝土剪力墙的厚度不应小于160 mm，同时不宜小于楼层高度的1/25。

③钢筋混凝土剪力墙墙肢端部应按构造要求设置剪力墙边缘构件，宜配置直径较大的端部钢筋，端部钢筋面积一般按墙肢正截面承载力计算确定。当墙肢端部有端柱时，端柱即成为边缘构件；当墙肢端部无端柱时，则应设置构造暗柱。墙肢端部边缘构件的配筋不宜少于4根直径为12 mm或2根直径为16 mm的钢筋，沿该竖向钢筋方向宜配置直径不少于6 mm、间距为250 mm的箍筋或拉筋。

④钢筋混凝土剪力墙的墙肢中应当配置一定数量的水平和竖向分布钢筋，其水平和竖向分布钢筋的配筋率ρ_sh和ρ_sv不应小于0.2%，水平及竖向分布钢筋的直径不宜小于8 mm，间距不宜大于300 mm。结构中重要部位的剪力墙，配筋率宜适当提高。

⑤厚度大于160 mm的剪力墙应配置双排分布钢筋网。结构中重要部位的剪力墙，当其厚度不大于160 mm时，也宜配置双排分布钢筋网。双排分布钢筋网应沿墙的两个侧面布置，且应采用拉筋连接，拉筋直径不宜小于6 mm，间距不宜大于600 mm。

⑥剪力墙内水平分布钢筋的搭接长度不应小于1.2l_a。同排水平分布钢筋的搭接接头之间，以及上、下相邻水平分布钢筋的搭接接头之间，沿水平方向的净间距不宜小于500 mm。剪力墙内竖向分布钢筋可在同一高度搭接，搭接长度不应小于1.2l_a。剪力墙的配筋形式如图8.10所示。

⑦剪力墙洞口上、下两边的水平纵筋需经计算确定，且不应少于2根直径12 mm的钢筋。对于计算分析中可忽略的洞口，洞边钢筋截面面积分别不宜小于洞口截断的水平分布钢筋总截面面积的一半。纵向钢筋自洞口边伸入墙内的长度不应小于受拉钢筋的锚固长度l_a。连梁中箍筋直径不宜小于6 mm，间距不宜大于150 mm。在顶层洞口连梁纵向钢筋伸入墙内锚固长度范围内，应设置间距不大于150 mm的箍筋，箍筋直径宜与该连梁跨内箍筋直径相同。连梁的配筋如图8.11所示。

图8.10　剪力墙的配筋形式

1—端柱；2—暗柱；3—竖向受力筋；4—水平分布筋；

5—竖向分布筋；6—箍筋；7—拉筋

图8.11　连梁配筋示意图

・8.2.3　框架-剪力墙结构体系・

1）框架-剪力墙结构的受力特点

房屋在风荷载和地震作用下，靠近底层的结构构件内力随房屋的增高会急剧增大。因此，当房屋的高度超过一定限度时，若采用框架结构，则框架的梁与柱的截面尺寸就会很大，这不仅使房屋造价升高，而且也将减少建筑的使用面积。在这种情况下，如在框架中设置剪力墙，使框架和剪力墙同时承受竖向荷载和水平荷载。在竖向荷载作用下，框架和剪力墙分别承担其受荷范围内的竖向力，受荷范围的确定与楼盖结构的布置有关。在水平力作用下，框架和剪力墙协同工作，共同抵抗水平力。在结构的底部，框架结构的层间位移较大，剪力墙发挥了较大的作用，框架结构的变形受到剪力墙的制约；而在结构的顶部，剪力墙的层间位移较大，剪力墙受到框架结构的扶持作用。

在框架-剪力墙体系的房屋中，剪力墙的数量及位置既影响建筑的使用功能，又影响结构的抗侧移刚度。剪力墙的数量及布置是否合理，对房屋的受力、变形以及在经济上均有很大影响。剪力墙的布置，应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则。一般情况下，剪力墙宜布置在竖向荷载较大处，建筑物端部附近，楼梯、电梯间以及平面形状变化处。上下层剪力墙应对齐，且宜直通到顶。如剪力墙不全部直通到顶，则应沿高度逐渐减少，避免刚度突变。图8.12为框架-剪力墙结构的布置示例。

框架-剪力墙结构在竖向荷载作用下，由于框架和剪力墙各自承受所在范围的荷载，计算比较简单。但在水平荷载作用下，由于楼盖把框架与剪力墙连成了整体，两者共同变形，其内力计算就比较复杂。为了简化在水平荷载作用下框架-剪力墙结构的计算，可将其所有框架和所有剪力墙各自综合在一起，分别形成综合框架（所有框架之和）和综合剪力墙（所有剪力墙之和），并以连杆（代替楼盖）连接，在计算上按平面结构处理。如图8.13所示。

2）框架-剪力墙结构的构造

在框架-剪力墙结构中，剪力墙周边有梁和柱与其相连，这种每层有梁、周边带柱的剪力墙称为带边框剪力墙。

图8.12　框架-剪力墙结构的布置

图8.13　框架-剪力墙结构的计算简图

①对周边有梁柱的剪力墙，墙厚不应小于160 mm，且不宜小于楼层高度的1/20。剪力墙中线与墙端边柱中线宜重合，防止偏心。梁的截面宽度不小于2b_w（b_w为剪力墙厚度），梁的截面高度不小于3b_w；柱的截面宽度不小于2.5b_w，柱的截面高度不小于柱的宽度。

②周边有梁柱的剪力墙，如剪力墙与梁柱有可靠连接时，主要竖向受力筋应配置在端柱截面内，当墙周边仅有柱而无梁时，应设置暗梁。

③剪力墙中应沿竖向和水平方向布置分布钢筋，且分布钢筋应采用双排钢筋，钢筋直径不小于8 mm，间距不得大于300 mm。非抗震设计时，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率均不应小于0.2%；抗震设计时，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率均不应小于0.25%。

④现浇剪力墙与预制框架柱之间的钢筋应相互连接。当剪力墙水平分布钢筋直径大于16 mm时应采用焊接，当直径小于16 mm时可采用搭接，搭接长度不应小于1.2l_a。剪力墙内竖向和水平分布筋的锚固端应加直钩，直钩长为10d（d为钢筋直径），直钩方向垂直于墙面。

框架-剪力墙结构中的框架和剪力墙的截面及构造除按上述各项要求外，其他均按高层框架和一般剪力墙结构的要求处理。

・8.2.4　筒体体系・

根据筒的布置、组成和数量不同，筒体体系又可分为框架-筒体结构、筒中筒结构、成束筒结构、多重筒结构等。

1）框架-筒体结构

图8.14（a）所示的框架-筒体结构，是在中央布置剪力墙薄壁筒井并由其承受大部分水平荷载，周边布置大柱距的框架并由其承受相应范围内的竖向荷载，整个结构的受力特点类似于框架-剪力墙结构。这种形式的筒体结构可提供较大的空间，因此常被用于高层办公楼建筑中。但由于柱子数量少、断面大，所以需特别注意保证内筒的抗侧移刚度和结构的抗震性能。

图8.14（b）所示的框架-筒体结构，是由内部框架和外部框筒组成。外部框筒是由房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗间梁形成。为保证翼缘框架在抵抗侧向力中的作用，充分发挥框筒的空间工作性能，一般要求：每一立面孔洞面积不宜大于立面总面积的60%；周边柱轴线间距为2.0～3.0 m，不宜大于4 m；窗裙梁横截面高度为0.6～1.2 m，截面宽度为0.3～0.5 m；整个结构的高宽比宜大于3，结构平面的长宽比不宜大于2。

2）筒中筒结构

筒中筒结构由内外两个筒体组成，内筒一般为剪力墙壁筒，而外筒为框筒，如图8.14（c）所示。筒中筒结构平面可以为正方形、矩形、圆形、三角形或其他形状。建筑布置时一般是把楼梯间、电梯间等服务性设施全部布置在内筒内，而在内外筒之间提供环形的开阔空间，以满足建筑上自由分隔、灵活布置的要求。因此，筒中筒结构常被用于供出租用的商务办公中心，以便满足各承租客户的不同要求。

筒中筒结构的内筒与外筒之间的距离以不大于12 m为宜。当内外筒之间的距离较大时，可另设柱子作为楼面梁的支撑点，以减小楼盖结构的跨度。一般来说，内筒的边长为外筒相应边长的1/3左右较为适宜，同时为房屋高度的1/15～1/12。如另外有角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸还可适当减小。内筒过大，内外筒之间的使用面积减小，会影响到建筑的使用效益；内筒过小，则结构的抗侧移刚度降低。

图8.14　筒体结构的布置

（a），（b）框架-筒体结构；（c）筒中筒结构；（d）成束筒结构；（e）多重筒结构

3）成束筒结构

当建筑物高度或其平面尺寸进一步加大，以至于框筒结构或筒中筒结构无法满足抗侧移刚度要求时，可采用束筒结构，如图8.14（d）所示。由于中间两排密柱框架的作用，可以使翼缘框架柱子充分发挥作用。

4）多重筒结构

当建筑平面尺寸很大或当内筒面积较小时，内外筒之间的距离较大，即楼盖结构的跨度较大，这样势必会增加板厚或楼面大梁的高度。为保证楼盖结构的合理性，降低楼盖结构的高度，可在筒中筒结构的内外筒之间增设一圈柱子或剪力墙。若将这些柱子或剪力墙用梁联系起来使之也形成一个筒的作用，则可认为是由3个筒共同作用来抵抗侧向力，亦即成为一个三重筒结构，如图8.14（e）所示。