以結構設計理論為基礎簡述高層建筑結構

　　本文以高層建筑結構設計理論為基礎，根據高層建筑結構的設計特點，并結合實際經驗，對高層建筑結構分析與設計進行了一次深刻的探討，歸納出一些具有使用價值的思路，對實際高層建筑結構分析與設計具有一定的使用價值。

　　《中外建筑》于2003年6月全新改版，全方位、多視角觸及建筑領域;發布權威信息，宣傳建筑成就，推介學術成果，探索建筑新路;為優秀建筑作品提拱展示舞臺，為業內人士評定職稱發表論文提供平臺。

　　隨著經濟水平的迅猛發展及科學技術水平的不斷提高，高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜多元，為此隨著我國國力的的不斷增強,我們不僅應該借鑒外國先進的建筑技術,更加應該注意密切結合我國的具體國情。這樣,我們必將能走出一條具有中國特色的高層建筑之路。

　　1 高層建筑結構設計的主要特點

　　1.1 控制指標和重要設計指標分別是側移、結構延性。最重要的原因是，高層建筑不同于低層建筑，在高層建筑結構設計中，結構側移已成為其最主要因素。水平荷載下結構的側移變形會受到樓層高度的影響，樓層越高，其變形越大，所以說在水平荷載作用下的結構變形應該受到控制。其次，和低層建筑相比，高層建筑的結構柔性更高，地震作用下的變形也會相應較大。為使高層建筑在力的作用下具有較強的變形能力，避免其發生倒塌，必須要在其結構方面采取相應的辦法，提高其延性。

　　1.2 水平荷載是關鍵。首先，樓房本身的重量和其樓面使用的荷載在豎構件中所引起的軸力、彎矩的數值與樓房的高度成一次方的正比;;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比;其次，當樓房的高度一定時，豎向的荷載大體上是一固定的數值，但是，在水平方向上的荷載，例如：風荷載和地震荷載，其數值是隨著結構動力特性的不同而做出相應的變化的。

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

　　2 高層建筑抗震概念設計若干原則

　　建筑抗震性能是概念設計的決定因素，概念設計應遵循一定的原則。

　　2.1 結構抗側力結構的布置宜規則、對稱，受力明確簡單、傳力合理不間斷，保證良好的整體性。

　　2.2 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性，構件應遵循“強柱、弱梁、更強節點、強剪、弱彎、強底層柱(墻)底”的原則。

　　2.3 結構中應盡可能設置多道抗震防線。結構體系中應由多個延性較好的分體，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，以便地震時結構能吸收和耗散大量的地震能量，避免大震倒塌。

　　2.4 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力，防止在局部上加強而忽視整個結構各部位的剛度、承載力協調。考慮上部結構嵌固于基礎結構或地下室結構之上時，應使基礎結構或地下室結構保持彈性工作狀態，使塑性鉸出現在結構嵌固部位。

　　3 高層建筑結構的分析

　　3.1 框架—剪力墻結構。框架—剪力墻結構其計算方法有很多，但是通常被人們所采用的那就是：睦梁連續化假定。當剪力墻與框架水平位移或轉角的位移條件相等時，可以根據位移與外荷載之間的關系，利用微分方程的方法來求解。因為在此過程中，所假定的未知量和考慮因素可能存在不同，所以在解答時，要根據實際情況及不同的假定因素進行不同形式的解答。但是框架—剪力墻的—般計算方法通常是根據桿系結構矩陣位移法，將結構轉化為等效壁式框架來進行求解。

　　3.2 剪力墻結構。剪力墻的開洞情況主要受剪力墻的受力特性與變形狀態兩大方面的影響。根據受力特性的不同，單片剪力墻可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等不同類型。剪力墻的應力截面會根據剪力墻的類型不同而分布不同，在進行內力與位移的計算時，應采用相對應的計算方法。平面有限單元法是剪力墻結構的計算方法，此方法具有計算精確的特點，并且使用范圍廣，對于各類剪力墻都能使用。但此方法也存在一定的缺陷，例如，在計算是其自由度較大、耗費較多，因此目前通常只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等復雜特殊的情況。

　　3.3 筒體結構。根據模型處理手法的不同，通體結構的分析方法大致可分為三種類型:即等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理，一種是為便于用連續函數描述其內力而只作幾何分布上的連續化;另外一種是為便應用分析彈性薄板的各種有效方法既做幾何分布上的連續化又做物理上的連續化，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用適合桿系結構的方法而將連續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構法等是這類方法的核心。筒體結構體系是完全按照三維空間結構來分析的，它是一種比等效連續化和等效離散化更為精確的計算模型，其中應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構方法，它是由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元三種元素結合而成的高層結構體系。

　　4 高層建筑結構的體系分析

　　4.1 框架 - 剪力墻體系。框架 - 剪力墻體系其概念是：當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架?？蚣芎图袅υ诔惺芩搅r，通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。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。設置剪力墻不僅可以增大結構的側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沿豎向的內力分布逐漸均勻，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。筒體體系根據其名就可以知道，它是采用筒體為抗側力構件的結構體系?？傮w來說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建。筒體體系具有很大的優點，首先，它的剛度和強度都很大，并且各部件的受力比較均勻，具有很好的抗風和抗震能力，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件組成受力主體的全部構件時形成的。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構的種類之一，所以它的強度和剛度都比較好，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質的結構。

　　5 高層建筑結構體系的基本假定

　　5.1 剛性樓板假定。大部分高層建筑結構的分析方法均將平面外的剛度忽略不計，而對于樓板在自身平面內的剛度則假定無限度的大。對于框架體系和剪力墻體系來講，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，當遇到結構的豎向剛度有突然性的變化、樓板的剛度比較小，并且抗側力構件之間的距離過于大、樓層的層數比較少等情況時，樓板的形形就會受到很大的影響甚至發生強烈的變形。尤其是結構的底部和頂部，它們各層的內力和位移都會受到很大的影響?？梢酝ㄟ^調整剪力來解決這一問題。

　　5.2 彈性假定。彈性的計算方法是目前大多數工程建筑使用的高層建筑分析方法。結構受垂直荷載或一般風力的影響通常處于彈性工作階段，這種假定符合實際并且符合結構的工作狀況。但是在特殊情況下，如果仍按彈性方法計算內力和位移，這種方法就是不可取的，因為此時結構的工作狀態已發生變化，原來的計算方法已不能適合于此時結構真是的工作狀態。

　　6 結束語

　　近幾年來，隨著科學技術的不斷進步，高層建筑在我國也取得了跨越性的發展。高層建筑的結構體系日益多樣化，并且出現了層數增多、高度加大的的發展趨勢，其平面布置與豎向體形日趨復雜，多功能性、綜合性日益增強，高度輕質材料不斷的被推廣應用。高層建筑具有投資大、施工周期長的特點，這就要求高層建筑的結構分析設計方法的準確性，否則將會將使結構產生薄弱環節，影響結構的安全性和使用壽命，甚至有可能造成結構倒塌、人員傷亡、財產受損的重大危害事故。因此，必須加強高層建筑結構分析的質量控制。

　　參考文獻：

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