高层建筑的结构设计载荷因素分析及控制策略_承载技术论文

高层建筑的结构设计载荷因素分析及控制策略
刘义
摘要：因为高层建筑的竖向荷载和水平荷载对结构自身的影响很大，因此我们可以从减轻结构自重．选择合适的体型、提高结构的侧向刚度以及采用减振装置来加以控制。
关键词：载荷因素；侧向刚度；减震装置；优化设计
前言：随着经济的快速发展，高层建筑在我国大部分城市也陆续涌现。对于高层建筑结构而言，其结构体系的选择，更主要的是与荷载因素相关，因此，高层建筑结构的设计首先必须以其不同荷载对结构产生的影响为依据，选择最为合理的方案。
1. 高层建筑的载荷因素分析
1．1竖向载荷
竖向载荷是高层建筑长期承受的最基本荷载，直接关系到建筑物的质量、刚度以及安全性等等，由静荷载和活荷载组成。其中静荷载由结构自重及附着于结构的各种永久荷载，如：隔墙自重、玻璃幕墙自重、外饰面的材料自重等，而静荷载中结构自重通常占建筑物竖向荷载的60％～80％。活荷载主要指楼面上某个时段内基本保持不变的荷载，如：家具、物品、设备等，还包括常住人员自重；以及偶尔出现短期荷载，如：聚会的人群、维修时工具和材料的堆积等。在高层建筑中，框架柱的轴力与建筑高度成正比关系。因此由于高度的增加，各楼层的重力荷载的累积效益很大，尤其是建筑层数越多，底层柱的轴力越大，由此而产生的压力变形及地基沉降效应不容忽视。
1．2水平荷载
对于高层建筑而言，竖向荷载是必须要考虑的因素之一，但由于竖向荷载所引起的轴力与建筑高度的一次方成正比，而水平荷载所引起的倾覆力矩及竖向构件的轴力与建筑高度的二次方成正比，因此，随着高度的增加，水平荷载越来越重要，成为了结构设计的控制因素。
1．2．1风荷载
对于建筑体型特别不规则，工程场地标高变化较大的工程项目，可以利用场地风特性监测子系统的风速监测数据对结构风特性进行研究。首先对结构风特性进行详细测试，然后可以对实测风的数据进行预处理，对平均风速和风向、湍流强度、阵风因子和湍流积分尺度进行分析，同时对实测风速数据的脉动风速功率谱进行详细分析，以充分了解工程结构场地风特性。对实测脉动风速功率谱与经典谱进行对比分析，并进一步进行风速谱拟合分析，便可获得能够反映工程场地实际风特性的拟合风速谱。在风荷载当中，两个比较重要的因素是风压和风振。根据规范计算公式表明，规则高层建筑风压沿着垂直防线呈倒梯形分布，离地面越高，所承受的风压越大。而相对于风压而言，风振的作用更加重要，高层建筑，特别是超高层建筑，由于自振周期长，阻尼小，其对风振的作用更加敏感，尤其是风速处于跨临界范围，即雷诺数Re>3．5×106时，风速较大，结构正面风压高，结构背后的尾流的漩涡脱落有一定规律但并非按单一的频率脱落，此时，横向风振影响很大，破坏作用最强。
1．2．2地震作用
在水平荷载当中，除了风荷载之外，另一个重要因素就是地震的作用。由于高层建筑的高度较大，地震对它的破坏作用也非常大。一般说来，地震效应与建筑的重量成正比，由式FEk=A1GEQ可知，结构重量的增加必然使得地震力也随之增大，并且，由于高层建筑高度大、重心高，地震作用倾覆力矩也随重量的增大而变得更大。
1．3水平荷载对高层建筑的影响
考虑到水平荷载的主要作用力，水平荷载对高层建筑的主要影响主要表现在以下几个方面：首先是产生侧向位移，侧向位移产生挤压或拉伸会使填充墙或建筑装修以及建筑主体结构出现裂缝或损坏。并且侧向位移使得结构产生附加内力，由侧向位移过大而引起的附加内力超过一定数值会引起结构的倒塌。其次是产生扭转反应，由于高层建筑质量的不均匀变化，结构刚度计算的局限以及抗扭构件的非对称，高层建筑无论在风振作用下还是在地震作用下，都很容易产生扭转反应，而大多数情况下，扭转振动和侧向位移之间还会发生耦连反应，从而使得动力作用放大，加剧建筑物的损坏甚至引起建筑物的倒塌。
2. 高层建筑结构设计控制策略
2．1减轻结构自重
对于高层建筑而言，从地基承载力以及地震效应的角度来说，减轻结构自重意义重大．不仅意味着减少基础造价和处理措施，而且可有效防止地基沉降以及框架柱的压力变形，同时也提高了结构的抗震性能。为了达到减轻结构自重的目的，可以采取的措施有两点。
2．1．1使用轻质高强材料
目前，在使用轻质材料方面，高强钢材、高强混凝土、钢管混凝土、轻骨料混凝土等材料在国内外的高层建筑当中得到了广泛的应用。大量的工程实例表明，使用这些轻质材料，对于减轻结构自重起到了重大的作用。同时，减轻结构自重另一个重要方面就是减轻填充墙体材料的重量。国内外已经出现了不少高质量的轻质板材，如各种蜂窝低芯复合板，它们轻质、高强，对于减轻填充墙体的重量意义重大。
2．1．2用优化方法减轻自重
高层建筑有不同的结构形式，其中有部分的结构形式可以进行优化设计。高层建筑结构的优化设计从方法上来说即是以建筑物的总重最轻及造价最低为目标函数，以结构构件如框架梁、柱截面及剪力墙数为设计变量，以强度、刚度、稳定等为约束变量。在满足约束变量的情况下，变换其设计变量以达到最优化的设计。通过这样的对结构的优化，可以减少工程造价，并且减轻结构自重。
2．2控制水平荷载对结构的影响
对于高层建筑而言，水平荷载是结构设计的决定因素，为了减少水平荷载对建筑结构的影响，必须采取如下措施。
2．2．1选择合适的体型
针对水平载荷对高层建筑的影响，首要的问题是为高层建筑选择合适的体型，不同的体型水平作用力的分布有着不同的变化。一个总的原则是建筑物的平面形状力求简单对称，尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式．避免使用凹型或凸型结构。当然，考虑到城市规划的要求以及建筑场地的限制，这一原则只是一个目标，实际工程实例当中，很难做到高层建筑的平面形式非常对称简单，但仍然要尽可能建筑平面形式对称，并将不规则部分的比值控制在许可的范围之内。同时，为了防止扭转振动的发生，必须尽可能使得高层建筑的重心、刚度重心以及几何中心合一。
2．2．2提高结构的侧向刚度
2．2．2．I采用高刚度材料
从材料的角度来说，目前我国高层建筑主要采用钢筋混凝土结构，因此如何充分发挥混凝土与钢筋的综合优势，对于提高结构的刚度意义重大。这两种材料根据设计要求可以有多种组合，比较常见的是型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，钢筋混凝土与型钢，共同受力，外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高了结构的整体刚度和抗扭能力。而钢管混凝土结构在高层建筑结构中的优势更加明显，由于在钢管中填入混凝土，混凝土受到钢管的套箍而有了更高的抗压强度，而结构自身的刚度也得以大幅提高。
2．2．2．2采用合适的抗侧力体系
高层建筑的抗侧力体系主要有框架、剪力墙、框架一剪力墙、筒体等结构。这些结构抵抗水平荷载的能力各不相同，适用范围也不一样。针对高层建筑而言，筒体体系是最有效的抗侧力体系，其在我国的工程实例当中，应用的也最广泛。这种体系由若干个筒体作为竖向承重结构，靠筒体承受水平荷载，其抵抗水平荷载的特点是整个建筑犹如一个固定于基础的封闭空心悬臂梁，相对于单片平面结构而言，这种结构具有更大的抗侧及抗扭刚度。当然。在工程实例中，这种结构也并非十全十美，由于这种结构具有剪力滞后效应，其抗推刚度和水平承载力也被大大削弱，对此，可以采取相关措施，如用刚臂或刚性圈梁提高框筒的抗推能力．或使用斜撑提高外框筒的抗推能力等等。
2．2．3采用减振装置
对于高层建筑而言，无论采用哪种结构体系或者抗侧力体系，侧向振幅是不可避免，对此，我们可用附加阻尼器(如粘弹性减震器)或动力阻尼器(如调谐液体阻尼器，即TLD)减少侧向振幅。粘弹性减震器由三块钢板夹以聚丙烯粘弹性材料组成，由它连接楼面拓架与外框筒柱，能够很快将水平动力转化为应变能或热能耗散掉。动力阻尼器。一般设置在建筑物的顶部，其自振周期等于或接近建筑物的第一自振周期，这样，它的惯性便可以抵消建筑结构的部分振幅。如调谐液体阻尼器就是放置于顶层的注水刚性容器，结构的振动引起容器中水的振动，当水振动与结构的白振频率接近时，便能够取得很好的减振效果。
3. 结语
高层建筑结构的设计是一项复杂的系统工程，只要我们在设计中，把握最为关键的因素，即荷载因素，并考虑非荷载因素，如混凝土徐变、温差以及地基差异沉降等等。同时在实际设计中不断地总结经验并加以创新，便能使我国的高层建筑结构设计获得不断的发展。