浅谈高层建筑结构与设计

PAGE6-浅谈高层建筑结构分析与设计摘要：本文围绕高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点以及提出了高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法。为实际高层建筑结构分析与设计提供一定参考关键词：高层建筑结构结构体系剪力墙1、引言自1885年美国兴建第一幢高层建筑——芝加哥保险公司大楼（10层，55m）以来，高层建筑的发展很快，从20世纪初至1979年，全世界建成200m以上的高层建筑有50幢以上，其中大部分建筑在美国。其中著名的有1972年建造的纽约世界贸易中心大厦（110层，417m，415m），1974年建造的美国芝加哥西尔斯大厦（SearsTower，110层，443m）。在我国，目前高度在104m以上的高层建筑超过100幢，分布在上海、广州、北京、深圳等20个大城市，其中以上海为最多。1998年建成的金茂大厦（88层，420.5m），是世界第三高楼。2、高层建筑结构设计特点（1）水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。（2）轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。（4）结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。3、高层建筑的结构体系（1）框架－剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架－剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架－剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架－剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。（2）剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架－剪力墙体系。（3）筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体－框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。4、高层建筑结构分析4.1高层建筑结构分析的基本假定高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：律邀（询1蛛）蝴州弹性假定灾。目前工诞程上实用任的高层建害筑结构分共析方法均侧采用弹性胖的计算方采法。在垂归直荷载或泼一般风力展作用下，制结构通常推处于弹性取工作阶段巴，这一假爽定基本符破合结构的娘实际工作涨状况。但纪是在遭受吊地震或强错台风作用议时，高层死建筑结构吩往往会产靠生较大的弄位移，出快现裂缝，恶进入到弹刑塑性工作毙阶段。此及时仍按弹典性方法计劝算内力和背位移时不盈能反映结佩构的真实告工作状态丝的，应按笼弹塑性动臣力分析方寸法进行设惨计。舌颗（咳2躁）堆责小变形假桐定。小变前形假定也形是各种方绵法普遍采块用的基本押假定。但劳有不少人费对几何非扭线性那问题秘（我P搞－足Δ稼效应）进哥行了一些基研究篮。一般认辱为，当顶渣点水平位港移棒Δ阴与建筑物片高并度丧H覆的比欣值夹修Δ预/H>容1/5括0孔0锻时摇，督烧P按－分Δ故效应的影敬响就不能滑忽视了。竖参（摇3桨）汇答刚性楼板奋假定。许良多高层建悔筑结构的蚕分析方法益均假定楼亏板在自身聪平面内的重刚度无限奴大，而平殿面外的刚留度则忽略锹不计。这帽一假定大窑大减少了想结构位移缺的自由度啊，简化了爷计算方法像。并为采绢用空间薄叉壁杆件庙理论这计算筒体舌结构提供终了条件。趁一般来说香，对框架逐体系和剪岁力墙体系亭采用这一收假定是完展全可以的湖。但是，建对于竖向圣刚度有突弱变的结构吸，楼板刚哥度较小，岛主要抗侧响力构件间仓距过大或兴是层数较观少等情况绣，楼板变廉形的影响闲较大。特靠别是对结省构底部和栋顶部各层俯内力和位趟移的影响方更为明显妨。可将这熄些楼层的豆剪力作适要当调整来熟考虑这种锅影响。扛（牲4畜）流炎计算图形宏的假定。毛高层建筑叠结构体系倾整体分析岩采用的计鹅算图形有恼三种：避（头1殊）一维协季同分析。兆（锁2剂）二维协盖同分析。骗（农3衡）三维空榆间分析。损4.级2匀高层建筑蹈结构静力竿分析碍方法牺欺（蠢1轨）名环框架－剪针力墙结构贴框架均－剪力墙答结构内力木与位移耗计算致的方法很导多，大都孙采用连梁懒连续化假咳定。框架动－剪力墙桂的机算方穿法，通常油是将结构耻转化为等拦效壁式框妨架，采用胖杆系结构酱矩阵位移平法求解。喇德（谜2泻）呆缴剪力墙结厉构烧剪力们墙的受力恒特性与变怀形状态主落要取决于拘剪力墙的屿开洞情况惧。剪力墙涌结构的机征算方法是千平面有限扔单元法。俊此法较为佩精确，而闲且对各类恐剪力墙都只能适用。巧但因其自其由度较多犯，机时耗植费较大，吓目前湿一般只用山于特殊开样洞墙、框稍支墙的过闸渡层等应智力分布复裂杂的情况或。功（棋3呢）费鸟筒体结构复筒体结卷构的分析朱方法按照贱对计算模僚型处理手棒法的不同草可分为三岩类：等效守连续化方府法、等效陵离散化方偿法和三维搅空间分析窑。5、结论粪随着涨高层建筑胖进一步的脾发展子，满足高判层建筑的糊形式，材误料，力学堆分析模型段都将日趋添复杂多元临，为了革诉新高层建牙筑，体现占其魅力，害追求新的长结构形式排和更加合衬理的力学踢模型将是据土木工程障师们的目雷标和方