浅谈高层建筑结构设计分析

楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引发的轴力及弯矩的数值,仅仅和楼房高度的一次方成正比，但是水平荷载对结构产生的倾覆力矩和在竖向构件中由此引起的轴力,与楼房高度的两次方成正比;另外,对一些一定高度楼房来说,竖向荷载基本上是固定值,但作为水平荷载的地震作用和风荷载,它们的数值是随着结构动力特性的变化而大幅度变化的。

1.2 侧移是控制指标

和低层楼房不同,高层楼房结构设计中的结构侧移是关键因素。随着楼房高度的不断增长,水平荷载下结构的侧移变形也随之迅速增加,结构顶点侧移与建筑高度的四次方成正比。所以结构在水平荷载作用下的侧移必须要控制在一定限度之内。

1.3 结构延性成为重要设计指标

延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。受弯构件会随着荷载的增加，首先受拉位置混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压位置高度降低，受压位置混凝土被压碎，最后导致构件被破坏。从受拉钢筋屈服到受压位置混凝土被压碎，是构件的破坏的全过程。在被破坏过程中，构件的承载能力并没有发生多大的改变，但是，变形的大小程度却决定了被破坏的性质。所以，提高延性可以增加结构的抗震潜力，并且能增强结构抗倒塌的能力。高层建筑对于低层结构来说，结构设计的要求会更柔一些，一旦碰到地震，在震动作用下的建筑结构变形程度会更大。为防止倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后依然具有很强的变形能力，就应重点在构造上做好防震设计，保证建筑设计具有优良的延性。

1.4 轴向变形也不容轻视

在高层建筑理,竖向荷载数值会较大,会使柱中引起很大的轴向变形,从而会导致对连续梁弯矩产生一系列的影响,使连续梁中间支座处的负弯矩值变小,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值变大;对预制构件的下料长度也会产生影响,这就要求依据轴向变形计算值,对下料的长短做出相应调整;另外对构件剪力和侧移也会产生影响,和考虑构件竖向变形相比较,结果会偏于不安全。

2.高层建筑的结构体系

2.1 剪力墙体系

在受力主体结构全部都由平面剪力墙的构件组和成时,就形成了剪力墙体系。它能够承担水平构件传递过来的竖向荷载，同时也能承担风力或地震作用传递的水平地震作用。单片的剪力墙能经受住所有的水平力和垂直荷载。剪力墙体系是刚性结构,其位移曲线呈现出弯曲形态。剪力墙体系的强度和刚度都很高,具有一定的延性,传力直接并均匀,整体性能较好,抗倒塌能力较强,这是一种优良的结构体系。

2.2 框架-剪力墙体系

在框架体系的强度和刚度不能符合要求时,常需要在建筑平面的合适位置上设置比较大的剪力墙来替代部分框架,这个体系就是框架-剪力墙体系。当经受水平力时,框架和剪力墙就会有足够刚度的楼板及连梁构成协同工作的结构体系。在体系结构中，框架体系主要承受垂直荷载的力量,而剪力墙主要承受水平剪力。框架-剪力墙体系的位移曲线是弯剪型的。剪力墙的设置,增强了结构的侧向刚度,会使建筑物的水平位移变小,此时框架承受的水平剪力将明显降低，且内力沿竖向的分布逐渐趋于均匀,因而，框架-剪力墙体系的能建高度要比框架体系大。

2.3 筒体体系

只要使用筒体为抗侧力构件的结构体系均统称为筒体体系。筒体是空间受力构件,有实腹筒和空腹筒两种类型。筒体体系拥有较大的刚度和强度,各构件受力较合理,抗风和抗震能力较强,常使用于大跨度、大空间和超高层建筑。

3.高层建筑的结构分析

3.1 高层建筑结构分析的基本假定

小变形假定。小变形假定也是一种普遍使用的基本假定。但有许多人对几何非线性相关问题(P-Δ效应)进行了系列的研究。普遍认为,在顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H > 1/500时, P-Δ效应所产生的影响就不容忽视了。

弹性假定。现在，工程上实用的高层建筑结构分析方法全使用弹性的计算方法。在垂直荷载和一般风力的影响下,结构通常会处于弹性工作阶段,这中假定是基本符合结构的现实工作状况。但是在遭受地震和强台风作用时,常会产生较大的位移,进入到弹塑性的工作阶段。此时如果按照弹性方法计算内力和位移时，就不能真实的反映结构的工作状态，就要按弹塑性动力的分析方法。

计算图形的假定。高层建筑结构体系的整体分析使用的计算图形有以下几种:一维协同分析、二维协同分析和三维空间分析。三维空间分析的普通杆单元每一节点就有6个自由度,如依照符拉索夫薄壁杆理论去分析的杆端节点，则必须考虑截面翘曲,有7个自由度。

刚性楼板假定。很多高层建筑结构的分析方法都假设楼板在自身平面内的刚度无限大,而平面外的刚度则被忽略。可以说,对框架体系和剪力墙体系使用这个假定是可以的。对于竖向刚度发生突变的结构,楼板刚度很小,主要抗侧力构件间距过大和层数较少等状况,楼板变形的影响很大。尤其是对结构底部和顶部各层内力及位移的影响尤其突出。应将这些楼层的剪力作合适的调整来思考这些影响。

3.2 高层建筑结构静力分析方法

剪力墙结构。剪力墙的开洞情况会影响到剪力墙的受力特性与变形状态。不同种类的剪力墙,其截面应力分布也不一样,计算内力和位移时应该使用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。此方法比较精准,并对各种剪力墙都能适用。但因为有一些弊端,目前一般只在特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况下使用。

框架-剪力墙结构。框架-剪力墙结构内力与位移计算的方法有很多种,根据采用的未知量和考虑因素的不同,各种方法解答的具体形式也不同。框架-剪力墙的计算方法,通常是将结构转化为等效壁式框架,应用杆系结构矩阵位移法解决。

筒体结构。按照对计算模型处理手法的不同，筒体结构的分析方法可以分成三类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。

参考文献：

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