以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)簡(jiǎn)述高層建筑結(jié)構(gòu)

　　本文以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)進(jìn)行了一次深刻的探討，歸納出一些具有使用價(jià)值的思路，對(duì)實(shí)際高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)具有一定的使用價(jià)值。

　　《中外建筑》于2003年6月全新改版，全方位、多視角觸及建筑領(lǐng)域;發(fā)布權(quán)威信息，宣傳建筑成就，推介學(xué)術(shù)成果，探索建筑新路;為優(yōu)秀建筑作品提拱展示舞臺(tái)，為業(yè)內(nèi)人士評(píng)定職稱發(fā)表論文提供平臺(tái)。

　　隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅猛發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為此隨著我國(guó)國(guó)力的的不斷增強(qiáng),我們不僅應(yīng)該借鑒外國(guó)先進(jìn)的建筑技術(shù),更加應(yīng)該注意密切結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情。這樣,我們必將能走出一條具有中國(guó)特色的高層建筑之路。

　　1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

　　1.1 控制指標(biāo)和重要設(shè)計(jì)指標(biāo)分別是側(cè)移、結(jié)構(gòu)延性。最重要的原因是，高層建筑不同于低層建筑，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為其最主要因素。水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形會(huì)受到樓層高度的影響，樓層越高，其變形越大，所以說(shuō)在水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形應(yīng)該受到控制。其次，和低層建筑相比，高層建筑的結(jié)構(gòu)柔性更高，地震作用下的變形也會(huì)相應(yīng)較大。為使高層建筑在力的作用下具有較強(qiáng)的變形能力，避免其發(fā)生倒塌，必須要在其結(jié)構(gòu)方面采取相應(yīng)的辦法，提高其延性。

　　1.2 水平荷載是關(guān)鍵。首先，樓房本身的重量和其樓面使用的荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力、彎矩的數(shù)值與樓房的高度成一次方的正比;;而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比;其次，當(dāng)樓房的高度一定時(shí)，豎向的荷載大體上是一固定的數(shù)值，但是，在水平方向上的荷載，例如：風(fēng)荷載和地震荷載，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而做出相應(yīng)的變化的。

　　1.3 變形種類多、影響效果大。高層建筑結(jié)構(gòu)具有層數(shù)多、高度高、軸力很大的特點(diǎn)，并且從縱向觀察，沿著其高度發(fā)生的縱向變形很厲害，同時(shí)中部構(gòu)件與邊部構(gòu)件及其角部構(gòu)件的變形存在很大的不同，這對(duì)于其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配具有很大的影響，因此，對(duì)于構(gòu)件中的軸向變形影響必須加以慎重的分析;此外，在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，整片墻或墻肢的剪切變形也要被納入計(jì)算范圍，并且，在筒體結(jié)構(gòu)計(jì)算中，剪變滯后的影響也不能忽視。

　　2 高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)若干原則

　　建筑抗震性能是概念設(shè)計(jì)的決定因素，概念設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的原則。

　　2.1 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置宜規(guī)則、對(duì)稱，受力明確簡(jiǎn)單、傳力合理不間斷，保證良好的整體性。

　　2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性，構(gòu)件應(yīng)遵循“強(qiáng)柱、弱梁、更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)剪、弱彎、強(qiáng)底層柱(墻)底”的原則。

　　2.3 結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線。結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)由多個(gè)延性較好的分體，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來(lái)協(xié)同工作，以便地震時(shí)結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，避免大震倒塌。

　　2.4 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力，防止在局部上加強(qiáng)而忽視整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位的剛度、承載力協(xié)調(diào)。考慮上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室結(jié)構(gòu)之上時(shí)，應(yīng)使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室結(jié)構(gòu)保持彈性工作狀態(tài)，使塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)嵌固部位。

　　3 高層建筑結(jié)構(gòu)的分析

　　3.1 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。框架—剪力墻結(jié)構(gòu)其計(jì)算方法有很多，但是通常被人們所采用的那就是：睦梁連續(xù)化假定。當(dāng)剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角的位移條件相等時(shí)，可以根據(jù)位移與外荷載之間的關(guān)系，利用微分方程的方法來(lái)求解。因?yàn)樵诖诉^(guò)程中，所假定的未知量和考慮因素可能存在不同，所以在解答時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況及不同的假定因素進(jìn)行不同形式的解答。但是框架—剪力墻的—般計(jì)算方法通常是根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法，將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架來(lái)進(jìn)行求解。

　　3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻的開洞情況主要受剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)兩大方面的影響。根據(jù)受力特性的不同，單片剪力墻可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等不同類型。剪力墻的應(yīng)力截面會(huì)根據(jù)剪力墻的類型不同而分布不同，在進(jìn)行內(nèi)力與位移的計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。平面有限單元法是剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，此方法具有計(jì)算精確的特點(diǎn)，并且使用范圍廣，對(duì)于各類剪力墻都能使用。但此方法也存在一定的缺陷，例如，在計(jì)算是其自由度較大、耗費(fèi)較多，因此目前通常只用于特殊開洞墻、框支墻的過(guò)渡層等復(fù)雜特殊的情況。

　　3.3 筒體結(jié)構(gòu)。根據(jù)模型處理手法的不同，通體結(jié)構(gòu)的分析方法大致可分為三種類型:即等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理，一種是為便于用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力而只作幾何分布上的連續(xù)化;另外一種是為便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法既做幾何分布上的連續(xù)化又做物理上的連續(xù)化，用正交異性彈性薄板取代離散桿件。等效離散化方法是為便于應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法而將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件的一種分析方法。核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等是這類方法的核心。筒體結(jié)構(gòu)體系是完全按照三維空間結(jié)構(gòu)來(lái)分析的，它是一種比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型，其中應(yīng)用最廣的是空間桿一薄壁桿系矩陣位移法。這是一種空間桿系結(jié)構(gòu)方法，它是由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元三種元素結(jié)合而成的高層結(jié)構(gòu)體系。

　　4 高層建筑結(jié)構(gòu)的體系分析

　　4.1 框架 - 剪力墻體系。框架 - 剪力墻體系其概念是：當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架。框架和剪力墻在承受水平力時(shí)，通過(guò)有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系與剪力墻分工合作，即剪力墻主要承受水平剪力、框架體系主要承受垂直荷載。設(shè)置剪力墻不僅可以增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度而且還可以減小建筑物的水平位移，并且框架承受的水平剪力明顯下降同時(shí)沿豎向的內(nèi)力分布逐漸均勻，因此與框架體系下鋼筆，框架- 剪力墻體系的能見高度要高。

　　4.2 筒體體系。筒體體系根據(jù)其名就可以知道，它是采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系。總體來(lái)說(shuō)筒體分為空腹筒和腹筒兩大類，并且它是一種空間受力的構(gòu)建。筒體體系具有很大的優(yōu)點(diǎn)，首先，它的剛度和強(qiáng)度都很大，并且各部件的受力比較均勻，具有很好的抗風(fēng)和抗震能力，適用于大跨度、大空間或超高層建筑。

　　4.3 剪力墻體系。剪力墻體系就是由平面剪力墻構(gòu)件組成受力主體的全部構(gòu)件時(shí)形成的。在剪力墻體系中,單片剪力墻起著很重要的作用，它不僅承受了全部的垂直荷載還承受了全部的水平力。剪力墻體系是剛性結(jié)構(gòu)的種類之一，所以它的強(qiáng)度和剛度都比較好，不僅具有良好的延展性，而且傳力比較均勻、綜合性能高,因此它具有較高的抗倒塌能力并且是一種優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

　　5 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的基本假定

　　5.1 剛性樓板假定。大部分高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均將平面外的剛度忽略不計(jì)，而對(duì)于樓板在自身平面內(nèi)的剛度則假定無(wú)限度的大。對(duì)于框架體系和剪力墻體系來(lái)講，他們通常采用這一假定，并且這樣的做法也是完全可以的。但是，當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)的豎向剛度有突然性的變化、樓板的剛度比較小，并且抗側(cè)力構(gòu)件之間的距離過(guò)于大、樓層的層數(shù)比較少等情況時(shí)，樓板的形形就會(huì)受到很大的影響甚至發(fā)生強(qiáng)烈的變形。尤其是結(jié)構(gòu)的底部和頂部，它們各層的內(nèi)力和位移都會(huì)受到很大的影響。可以通過(guò)調(diào)整剪力來(lái)解決這一問題。

　　5.2 彈性假定。彈性的計(jì)算方法是目前大多數(shù)工程建筑使用的高層建筑分析方法。結(jié)構(gòu)受垂直荷載或一般風(fēng)力的影響通常處于彈性工作階段，這種假定符合實(shí)際并且符合結(jié)構(gòu)的工作狀況。但是在特殊情況下，如果仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移，這種方法就是不可取的，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)已發(fā)生變化，原來(lái)的計(jì)算方法已不能適合于此時(shí)結(jié)構(gòu)真是的工作狀態(tài)。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑在我國(guó)也取得了跨越性的發(fā)展。高層建筑的結(jié)構(gòu)體系日益多樣化，并且出現(xiàn)了層數(shù)增多、高度加大的的發(fā)展趨勢(shì)，其平面布置與豎向體形日趨復(fù)雜，多功能性、綜合性日益增強(qiáng)，高度輕質(zhì)材料不斷的被推廣應(yīng)用。高層建筑具有投資大、施工周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，這就要求高層建筑的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，否則將會(huì)將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，甚至有可能造成結(jié)構(gòu)倒塌、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)受損的重大危害事故。因此，必須加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)分析的質(zhì)量控制。

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