高層建筑結構設計分析

1、<p>　　高層建筑結構設計分析</p><p>　　摘要：本文結合工作實踐，對高層建筑結構設計的特點、類型、分析方法等問題進行了分析探討，具有較強的實用性和價值性，供同行借鑒參考。 </p><p>　　關鍵詞：高層建筑；結構設計；特點；結構分析；結構體系；分析方法 </p><p>　　中圖分類號：[TU208.3] 文獻標識碼：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，其建設速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是高層建筑結構設計是一門實用性很強的工作，由于設計人員素質(zhì)及對結構設計的認識等因素，很容易造成大量浪費，推行能實現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價的結構優(yōu)化設計方法勢在必行，也是刻不容緩的。 </p><p>　　一、高層建筑結構的特點 </p><p>　　結構要

3、同時承受垂直荷載和風產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。一般低層結構的水平荷載對結構影響較小，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，過大的側移會影響建筑使用，會造成非結構構件和結構構件的損壞。所以必須將結構的側移控制在一定的范圍之內(nèi)。 </p><p>　　1、水平力是設計主要因素 </p><p>　　在低層和多層房屋結構中，往往是以重力為代

4、表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結構設計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構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；而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，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荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化。 </p

5、><p>　　2、抗震設計要求更高 </p><p>　　有抗震設防的高層建筑結構設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。 </p><p>　　二、高層建筑結構的分析 </p><p>　　高層建筑結構是由豎向抗側力構件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。

6、要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的，各種實用的分析方法都需要對計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>　　目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況，但是在遭受罕見地震

7、或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結構進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內(nèi)力和位移時不能反映結構的真實工作狀態(tài)，應按彈塑性動力分析方法進行設計。 </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)進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移△與

8、建筑物高度H的比值△/H>1/500時，P-△效應的影響就不能忽視了。 </p><p><b>　　3、剛性樓板假定 </b></p><p>　　許多高層建筑結構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。這一假定大大減少了結構的自由度，簡化了計算方法。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構，樓板剛度較小，主要抗側力構件間距過大或?qū)訑?shù)較少等情況，會使樓板變形較大。特別是對結構底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適當調(diào)整來考慮這種影響。 </p><p>　　三、高層建筑結構類型 </p><p><b>　　1、框架結構體系 </b></p><p>　　整個結

10、構的縱向和橫向全部由框架構件組成的結構成為框架結構?？蚣芗蓉摀亓奢d又負擔水平荷載?？蚣芙Y構的優(yōu)點是建筑平面布置靈活，可提供較大的內(nèi)部空間。但由于結構屬于柔性結構體系，在水平荷載作用下，強度低，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，從而導致結構的不經(jīng)濟，因此在高層建筑的使用時應該重點考慮。 </p><p>　

11、　采用框架結構的高層建筑，框架底層往往出現(xiàn)塑性變形集中現(xiàn)象。這是因為建筑地面以下基礎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、剪力墻結構體系 </p><p>　　剪力墻結構中豎向承重結構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，地震等水平荷載的作用。同框架結構相比，該結構測向剛度大，側移小，屬于剛性結構體系。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）；但從技術經(jīng)濟的角度來講，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、筒體結構體系

13、 </b></p><p>　　凡采用簡體為抗側力構件的結構體系統(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件，分實腹簡和空腹簡兩種類型。實腹簡是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結構單體，空腹簡是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。簡體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。 &l

14、t;/p><p>　　四、結構體系采用的分析方法 </p><p><b>　　1、框架體系 </b></p><p>　　框架結構內(nèi)力與位移計算的方法很多，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?/p>

15、算方法，通常是將結構轉化為等效壁式框架，采用桿系結構矩陣位移法求解。 </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，其截面應力分布也不同，計算內(nèi)力與位移時需采用相應的計算方法。

16、剪力墻結構的計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，計算機資源耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支剪力墻的轉換層等應力分布復雜的情況。 </p><p><b>　　3、筒體結構 </b></p><p>　　簡體結構的分析方法按照對計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、化方法是將結構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，以便應用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應用有連續(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，以便應用適合桿系結構的方法來分析。這一類方法包括核心

18、簡的框架分析法和平面框架結構法等。具體應用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心簡的框架分析法、平面框架結構法。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按二維空間結構來分析簡體結構體系，其中應用最廣的是空間桿一薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結構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構。空間梁柱每端節(jié)點有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)點有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲

19、自由度，對應的內(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算模型。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><

20、p>　　結構設計是一項對國家建設有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。針對目前按傳統(tǒng)設計法造成的大量浪費，推行能實現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價的結構優(yōu)化設計方法勢在必行，也是刻不容緩的。于是，概念設計和結構選型就被放在了一個極其重要的地位。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]包世華.新編高層建筑結構[

21、M].第二版.北京:中國水利水電出版社,2005 </p><p>　　[2] 王懿. 淺析我國建筑結構設計技術發(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構優(yōu)化設計分析[J]. 商品與質(zhì)量：建筑與發(fā)展, 2011(11) </p><p>　　[4]趙天賦.高層建筑結構設計研究[J].今日科苑，2009