盒式结构体系(图1)是一种由我国自主研发的新型空间结构体系^[1]。不同于传统的框架-剪力墙梁柱体系及梁板体系，盒式结构体系主要由自重小、孔隙率大、跨越能力强的“空腹夹层板”及抗侧刚度大、构件截面小的“网格式框架墙”组成(图2)。盒式结构整体结构自重轻、跨越能力强、刚度大，达到了既经济适用又绿色美观的效果，现已在多层大跨度建筑中应用达100多万m²。较为有代表性的建筑为山东省潍坊市体育运动学校体育馆，其为3层大跨度结构，整个结构平面尺寸为64m×56m，结构使用盒式结构体系，空腹夹层板板厚1 250mm(为跨度的1/25)。整体结构混凝土折算厚度239mm/m²，用钢量82kg/m²，整体结构建筑面积10 752m²，相较于原框架结构，共节约混凝土1 215m³，钢材602t。

　　 目前，关于盒式结构体系的研究基本集中于多层大跨结构，对其在高层及超高层结构中的受力、破坏模式及最佳适用高度鲜有涉及，极大地制约了盒式结构体系在高层及超高层结构中的发展^[2]。

　　 本文在现有研究和工程实践基础上，通过8个模型分析，对比了不同高度的传统结构体系(框架结构、框架-剪力墙结构)和新型盒式结构体系的受力性能和经济性能，揭示了盒式结构体系的受力性能及优势，研究其最佳适用高度，并对盒式结构体系在高层及超高层结构中的应用进行了分析。

　　 盒式结构体系由马克俭^[3]提出，主要由两部分组成:作为横向楼板体系的空腹夹层板以及作为竖向抗侧构件的网格式框架墙。

　　 空腹夹层板的结构形式如图3,4所示。空腹夹层板作为盒式结构的水平向承重构件，其结构构造类似于密肋井字楼板，但将结构腹部受力效率低下的材料全部挖去，形成空腔，相较于实腹梁，空腹夹层板仅仅保留了对结构抗弯效率最高的上肋及下肋部分，通过上肋和下肋各自的拉压轴力产生一对力偶来抵抗外弯矩。同时，为了保证上下肋可以共同工作，在结构空腹梁纵横向交错处添加剪力键，剪力键构造上为高宽比小于1的块体单元，通过其极大的抗剪刚度来保证上下肋的整体性能^[1]。为了保证结构的竖向刚度，每个网格的尺寸一般在1.5～2m之间，通常不大于4m^[4]。通过优化结构受力性能，空腹夹层板楼板可比传统梁板结构降低20%以上的自重，节约大量材料，且跨越能力强(最大跨度可达40m)，整体结构高度低(结构高度为跨度的1/35～1/30)，同时由于梁中空，所有消防管线、设备均可布置于空腔内，相较于传统结构，在相同跨度下，至少可以节约0.5m左右的层高，结构的受力和经济性能良好。

　　 网格式框架墙实物图及构造见图5,6，其原理是将传统框架梁柱体系的柱距缩小(一般柱距不大于4m)，在传统框架结构中加入内柱和层间梁，整个结构为密柱密梁布置。通过构件加密，使得同一层结构中出现多个反弯点，大大降低了结构构件中最大弯矩的幅值，结构受力更加均匀，材料利用率大幅度上升，在同样材料用量情况下，网格式框架墙的抗侧刚度大大高于传统框架结构，其受力模式如图7所示，当在传统3层框架结构中加上两根内柱，每层加上两根层间梁后，结构受力均匀合理，抗侧刚度大幅度上升。

　　 盒式结构体系刚度大、跨越能力强，是一种很好的新型结构，但由于结构整体网格化，结构构件较多，节点数量相较于传统结构而言大幅度增加，现浇时模板需求量大，这给结构施工带来了一定的困难。在国家大力发展装配式结构的背景下，盒式结构体系十分切合发展要求，一方面，建筑工业化技术可以有效解决盒式结构体系现浇时的困难，同时，盒式结构体系由于构件截面小，可以很好地解决现有结构建筑工业化工程中存在的运输及吊装问题，两者结合相得益彰。

　　 由于高层及超高层结构不同高度的结构形式、布置方法、受力模式均不同，因此本文选取3个有代表性的结构高度(50,90,145m)，共8个结构模型进行盒式结构体系与传统框架结构体系的静力分析及Pushover分析，以此来研究盒式结构体系与传统框架结构体系在受力性能、建筑性能及经济性能方面的优劣。

　　 我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)规定框架结构的最大适用高度不得超过50m，因此以2栋50m高框架结构和盒式结构为例进行对比分析。盒式结构柱距3m，柱网仅布置于结构周边，结构无内柱，整栋楼均使用600mm厚空腹夹层板，板上、下肋截面均为215×300，板厚为跨度的1/30，层间梁截面为400×300，基本风压为0.45 kN/m²(100年一遇)，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度取7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类。由于空腹夹层板在有限元建模中比较复杂，因此根据已有的研究，可将其通过等代刚度的原则等代为等高实腹梁，此种等代不会影响结构的受力及破坏模式^[5]。本文将空腹夹层板等代为600×476实腹梁;框架结构柱网为6m，基本风压及地震分组与盒式结构相同。两种结构的平面布置见图8,50m结构基本情况及构件基本信息见表1,2。

　　 90m为高层结构较为常见的高度，由于结构高度较高，抗侧要求较为严格，一般需在结构中添加筒中筒结构。以下分别通过对盒式-核心筒结构、框架-核心筒结构、空腹夹层板-核心筒结构(楼板使用空腹夹层板，柱网使用同框架-核心筒结构一样大柱网的新型结构体系)的静力及静力弹塑性分析，研究其力学性能及经济性能。

　　 3种结构的平面布置图如图9所示，平面尺寸均为36m×36m，中间核心筒尺寸均为10.8m×10.8m，周边柱网尺寸盒式-核心筒为3.6m，框架-核心筒及空腹夹层板-核心筒均为7.2m，框架-核心筒结构1～5层层高3.8m，标准层层高3.6m，结构总层数25层，结构总高91m;盒式-核心筒结构及空腹夹层板-核心筒结构1～5层层高3.55m，标准层层高3.35m，结构总层数27层，结构总高91.45m。3种结构的荷载取值同之前一样。

　　 3种结构中，盒式-核心筒结构及空腹夹层板-核心筒结构均使用550mm厚空腹夹层板，板厚为跨度的1/23，按等刚度原则等代为550×420实腹梁采用MIDAS进行有限元计算，盒式-核心筒结构层间梁截面为300×200;框架-核心筒结构为了减小梁跨度布置了内柱，布置后梁跨度7.2m，主梁尺寸为700×550，梁高为跨度的1/10。90m结构模型各层剪力墙厚度及柱尺寸见表3。

　　 根据现有的研究成果，若结构高宽比达到4，可以忽略结构的整体剪切变形，即结构的侧移完全由构件的轴向变形起控制作用，构件的弯曲变形可以忽略。在此情况下，本文对比分析了3栋145m高、结构高宽比为4的超高层结构，结构形式分别为盒式-核心筒结构，空腹夹层板-核心筒结构及框架-核心筒结构。

　　 应用静力分析方法，初步分析不同结构形式的模型在弹性阶段的受力模式及受力特点，为后续分析提供依据。本次模拟中荷载条件如前所述，荷载组合使用《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)规定的设计荷载组合。

　　 采用MIDAS软件进行有限元分析，盒式结构及框架结构在《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)规定的地震荷载组合情况下的静力分析结果如表5及图10所示。在相同抗震设防烈度(7度)下，盒式结构的最大层间位移角仅为框架结构的70%，且各层层间位移角分布更为均匀。因此，在混凝土及钢材用量相等的情况下，盒式结构相较于框架结构而言有非常明显的抗震性能优势。

　　 90m结构模型在抗震设防烈度(7度)下，结构静力分析结果见表6。

　　 图1 0 50m结构模型层间位移角

　　 从表中可以看出，框架-核心筒结构在3种结构形式中抗侧刚度最大，盒式-核心筒结构次之，空腹夹层板框架-核心筒结构最弱，但相差都不大，3种结构的各层层间位移角如图11所示。盒式-核心筒结构的最大层间位移角比框架-核心筒结构减小15%左右，虽然相较于50m结构的刚度优势有所下降，但通过将框架结构替换为盒式结构后，对结构刚度及抗震性能的改善依然显著。

　　 3种结构形式下的145m结构模型在抗震设防烈度(7度)下结构静力分析结果见表7，各层层间位移角分布见图12。

　　 从以上分析结果可以看出，盒式-核心筒结构和空腹夹层板-核心筒结构的各项性能几乎完全一样，且均优于传统的框架-核心筒结构，但相差不大。

　　 对3种高度的结构模型分别进行Pushover分析^[6]，分析采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中规定的7度罕遇反应谱^[7]。

　　 对50m结构模型进行Pushover分析，验证其在大震作用下的结构响应，相应的能力谱、需求谱及性能点处的位移情况如图13,14所示。

　　 大震作用下，框架结构最大层间位移角为1/164，盒式结构最大层间位移角为1/307，两者均满足规范1/100的限值要求，但框架结构最大层间位移角比盒式结构大了接近一倍，盒式结构抗震优势非常明显。从位移结果来看，两种结构的位移曲线呈现出典型的剪切型侧移曲线，在空腹夹层板结构的混凝土及钢材用量同框架结构基本相同的情况下，其抗侧刚度比框架结构提高25%，且层间位移角更加均匀。同时，盒式结构的大开间灵活布置和将设备布置于空腹夹层板内可大幅度提高结构经济性。

　　 3种结构形式下的90m结构模型的Pushover分析结果如图15,16所示。90m结构模型Pushover性能点处的最大层间位移角如表8所示。

　　 从结果可以看出，盒式-核心筒结构在大震下的响应最小，空腹夹层板-核心筒结构其次，框架-核心筒结构最大。虽然在90m高度处结构的变形开始转化为了弯曲型，但是由于结构中使用的核心筒厚度较小，刚度相较于网格式框架墙还不是很大，网格式框架墙优秀的刚度、耗能性能还可以对结构产生显著的影响，同时由于盒式-核心筒及空腹夹层板-核心筒减轻了结构自重，因此地震响应相应较低。从模拟中可以看到，在使用相同柱网及抗侧构件截面的情况下，空腹夹层板-核心筒结构侧移比框架-核心筒结构减小了25%，足以说明空腹夹层板通过减轻自重可以对结构的抗震性能产生很大的影响。

　　 3种结构形式下的145m结构模型的Pushover分析结果如图17,18所示。145m结构模型Pushover性能点处的最大层间位移角如表9所示。

　　 从Pushover结果来看，各结构变形都呈现出明显的弯曲型位移特点，且盒式-核心筒结构层间位移角最小，空腹夹层板-核心筒结构次之，框架-核心筒结构最大，但三者相差并不明显。

　　 根据各高度的结构抗侧性能及材料用量情况(图19)可以看出，在超高层结构中，使用盒式-核心筒结构的意义并不大，但单独使用空腹夹层板替代传框架结构中的梁板体系有非常明显的优势，在整体结构性能基本相同甚至稍好一点的情况下，空腹夹层板-核心筒可以比框架-核心筒节约15%～20%的材料用量，结构中无内柱，同时在总高相同的情况下可以多建4层，建筑使用及经济优势十分明显。

　　 图1 9 各高度的抗侧性能及材料用量情况比较

　　 (1)在结构高度较低、结构位移曲线呈剪切型、构件变形以弯曲变形为主的结构中，盒式结构是一种非常优秀的结构形式，对比传统框架结构，盒式结构可以在增大50%抗侧刚度及抗震性能的情况下，节约15%的建筑材料，且可以在总高相同的情况下多建1层，经济性能优异。

　　 (2)当结构高度升高，结构变形呈弯剪型时，盒式结构中的网格式框架墙的优势开始丧失，但通过单独使用空腹夹层板可节约20%的建筑材料，并可大幅度节约层高。