高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、<p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析</p><p>　　摘要：本文結(jié)合工作實(shí)踐，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、類型、分析方法等問題進(jìn)行了分析探討，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和價(jià)值性，供同行借鑒參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)體系；分析方法 </p><p>　　中圖分類號：[TU208.3] 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： <

2、;/p><p>　　我國的高層建筑在十余年里可謂突飛猛進(jìn)，其建設(shè)速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的工作，由于設(shè)計(jì)人員素質(zhì)及對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識等因素，很容易造成大量浪費(fèi)，推行能實(shí)現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價(jià)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法勢在必行，也是刻不容緩的。 </p><p>　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) </p><p>　　結(jié)構(gòu)要

3、同時承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。一般低層結(jié)構(gòu)的水平荷載對結(jié)構(gòu)影響較小，但在高層建筑中，水平荷載和地震作用是重要因素。隨著高度的增加，位移增加很快，過大的側(cè)移會影響建筑使用，會造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。所以必須將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在一定的范圍之內(nèi)。 </p><p>　　1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素 </p><p>　　在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代

4、表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。 </p

5、><p>　　2、抗震設(shè)計(jì)要求更高 </p><p>　　有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。 </p><p>　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)的分析 </p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。

6、要完全精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分困難的，各種實(shí)用的分析方法都需要對計(jì)算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定： </p><p><b>　　1、彈性假定 </b></p><p>　　目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，但是在遭受罕見地震

7、或強(qiáng)臺風(fēng)作用時，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)，應(yīng)按彈塑性動力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　2、小變形假定 </b></p><p>　　小變形假定也是普遍采用的基本假定。但有人對幾何非線性問題(P-△效應(yīng))進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移△與

8、建筑物高度H的比值△/H>1/500時，P-△效應(yīng)的影響就不能忽視了。 </p><p><b>　　3、剛性樓板假定 </b></p><p>　　許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)的自由度，簡化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論提供了便利。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假

9、定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或?qū)訑?shù)較少等情況，會使樓板變形較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。 </p><p>　　三、高層建筑結(jié)構(gòu)類型 </p><p><b>　　1、框架結(jié)構(gòu)體系 </b></p><p>　　整個結(jié)

10、構(gòu)的縱向和橫向全部由框架構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)成為框架結(jié)構(gòu)?？蚣芗蓉?fù)擔(dān)重力荷載又負(fù)擔(dān)水平荷載?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可提供較大的內(nèi)部空間。但由于結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，在水平荷載作用下，強(qiáng)度低，剛度小，水平位移大，在高烈度地震區(qū)不宜采用。目前，主要適用于10~12層左右的商場，辦公建筑。如果過高，就要靠加大梁，柱截面來抵抗水平荷載，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不經(jīng)濟(jì)，因此在高層建筑的使用時應(yīng)該重點(diǎn)考慮。 </p><p>　

11、　采用框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，框架底層往往出現(xiàn)塑性變形集中現(xiàn)象。這是因?yàn)榻ㄖ孛嬉韵禄A(chǔ)部分的抗推剛度很大，相對而言，建筑底層的抗推剛度就很小，形成剛度突變。在遭遇地震時，建筑容易因框架底層的塑性變形集中而導(dǎo)致破壞。如果在框架的地上一二層采用型鋼混凝土，可以減小該處的剛度突變。 </p><p>　　2、剪力墻結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　剪力墻結(jié)構(gòu)中豎向承重結(jié)構(gòu)全部由一系列橫向和縱向的鋼筋

12、混凝土剪力墻組成，剪力墻不僅承受重力荷載作用，而且還要承受風(fēng)，地震等水平荷載的作用。同框架結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)測向剛度大，側(cè)移小，屬于剛性結(jié)構(gòu)體系。從理論上講，它可建造上百層的民用建筑（如朝鮮平壤的柳京大廈）；但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來講，地震區(qū)的剪力墻一般控制在35層，總高110米為宜。由于剪力墻的間距比較小，一般為3~6米，所以建筑平面布置不夠靈活，使用受限制。 </p><p><b>　　3、筒體結(jié)構(gòu)體系

13、 </b></p><p>　　凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體一框架、簡中簡、多束簡等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹簡和空腹簡兩種類型。實(shí)腹簡是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹簡是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。 &l

14、t;/p><p>　　四、結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法 </p><p><b>　　1、框架體系 </b></p><p>　　框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的米知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同?？蚣艿挠?jì)

15、算方法，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。 </p><p><b>　　2.剪力墻體系 </b></p><p>　　剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計(jì)算內(nèi)力與位移時需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。

16、剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用，但因其自由度較多，計(jì)算機(jī)資源耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。 </p><p><b>　　3、筒體結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　簡體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對計(jì)算模型處理手法的不同可分為二類:等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和二維空間分析。等效連續(xù)

17、化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力;另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的止交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分方程解法、框簡近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。 </p><p>　　等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。這一類方法包括核心

18、簡的框架分析法和平面框架結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心簡的框架分析法、平面框架結(jié)構(gòu)法。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型是完全按二維空間結(jié)構(gòu)來分析簡體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿一薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)?？臻g梁柱每端節(jié)點(diǎn)有6個自由度。核心簡或剪力墻的墻肢則采用符拉索夫薄壁桿件理論分析，每端節(jié)點(diǎn)有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲

19、自由度，對應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。二維空間分析精度較高，但它的未知量較多，計(jì)算量較大，在不引人其它假定時，每一樓層的總自由度數(shù)為6Nc+7Nw( Nc, Nw為柱及墻肢數(shù)目)。通常均引人剛性樓板假定，井假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自聞x數(shù)降為3(Nc+Nw)+4，這是目前工程上采用最多的計(jì)算模型。 </p><p><b>　　結(jié)束語 </b></p><

20、p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)對國家建設(shè)有重大意義的工作，同時，亦是一門實(shí)用性很強(qiáng)的工作。針對目前按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法造成的大量浪費(fèi)，推行能實(shí)現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價(jià)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法勢在必行，也是刻不容緩的。于是，概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型就被放在了一個極其重要的地位。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)[

21、M].第二版.北京:中國水利水電出版社,2005 </p><p>　　[2] 王懿. 淺析我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展[J]. 民營科技, 2011(10) </p><p>　　[3] 邱朝輝. 民用建筑高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 商品與質(zhì)量：建筑與發(fā)展, 2011(11) </p><p>　　[4]趙天賦.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].今日科苑，2009