淺談高層建筑受水平荷載的影響及概念設計

摘 要：本文簡述了高層建筑受水平荷載中風荷載及水平地震力的影響，闡述了水平荷載對高層建筑結構的多方面的影響，并在此基礎上簡述了針對這兩個水平荷載的概念設計時的方案及理念。從結構選型到受力分析提出了比較優選的設計方案。

關鍵詞：高層建筑 水平荷載 風荷載 水平地震力 概念設計

1、引言

在我國，高層的定義為10層及以上或者房屋超過28米的混泥土結構高層民用建筑物。高層建筑的快速發展也帶給了設計工作者許多難題，其中水平荷載作用對建筑的影響極大，在控制上提出了較高的要求。水平荷載中屬風荷載與水平地震力對結構的影響最大。眾所周知，水平荷載中的風荷載要求結構有較高的剛度，水平地震力而又對柔度的要求也很高，然而剛度和柔度這兩個參量彼此是相互矛盾的，怎樣才能使之達到平衡，是我們作為土木工程的學子需要長期堅持探討的課題。

2、風荷載對高層結構的影響分析

空氣流動受到建筑物的阻礙，并在建筑物表面形成了壓力或吸力，這些壓力或者吸力就稱為風荷載。風荷載傳力方向是自上而下，所以風荷載對建筑的剛度有一定要求。風荷載分為靜力部分-穩定風和動力部分-脈動風和橫向風。穩定風相當于靜力作用，可按結構力學進行結構內力計算，受力簡圖穩定，脈動風由于其動力效應及分布的不均勻性，多數會引起高層建筑的振動。以隨機動力學與概率統計法為依據計算。橫向風使建筑產生前后的風壓差，進而形成漩渦，并以一個相當明確的頻率進行周期性脫落。其產生的荷載的周期性與否取決于雷諾數的大小。風荷載在迎風面產生壓力（多對桿件產生拉力），在背面產生吸力（多對桿件產生壓力），但是傾斜桿件達到30度的時候可以忽略風力的影響，對于風荷載的影響的精確計算我們可以運用基于動力可靠性的Davenport譜隨機風振動響應的解法得到解決，高層結構的風荷載的影響不但對結構的安全性有影響，而且高層建筑在風荷載作用下發生振動，當振動達到某一限值時，處在建筑中的人會產生某種不舒適的感覺，例如煩躁、頭暈、惡心等癥狀，將導致居住者出現緊張甚至恐慌心理，降低其生活質量和影響其工作效率 ，因此高層受風荷載的影響十分豐富和復雜。

3、水平地震力對高層結構的影響分析

地震時的地面運動經過基礎前后晃動而傳給建筑，但是建筑的質量會阻止這種運動，而在整個建筑結構中產生了慣性力，這個慣性力就是地震作用。地震力給建筑產生的力分為水平力和豎向力。水平地震力與風荷載一樣給結構產生的是水平方向的振動，由于力是由下向上傳遞，所以對結構的水平方向上的柔度要求挺高。水平地震力還有二階效應，使建筑的水平側位移加大，加大結構的重心偏移，增加結構傾倒及毀壞的風險性。水平地震力與豎直的地震力共同作用時對不規則的高層建筑也會產生扭轉作用。當地震周期與高層建筑自震周期一致或者相似的時候，會產生共振作用，結構的變形會達到最大，導致結構產生巨大破壞。水平地震力作用與風荷載共同作用，產生不規則的受力形式，對結構進行疲勞破壞，地震作用雖然并不經常出現，但是其出現時候的破壞力能達到最大，一般抗震設計是以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為設計原則并考慮結構的重要性系數。

4、基于水平荷載作用的高層概念設計

基于風荷載與水平地震力等水平荷載的復雜性和影響的重要性，高層結構中概念設計變得尤為重要。結構的概念設計一般是指不經過數值計算，在對高層建筑結構的地震作用、風作用、溫度作用、場地土特征、結構的真實效應和一些基本概念的深刻理解的基礎上，從整體的角度來指導建筑結構的選型、總體布置和抗震措施。具體說來，首先就是要有效地選擇結構體系，然后再從平面形式、立面形式等方面綜合進行協調，使各空間的要求與其所對應的平、立面形式相吻合，最后充分考慮一些細部構造。

運用概念設計的思想，可以拓寬結構的設計思路，突破常規，進行真正的創造性設計工作，這才是結構設計的最高目標。

首先對于高層的選型，現代高層有框架-剪力墻結構，框-筒結構，筒中筒結構等等。其中筒中筒結構外筒以剪切型變形為主，核心筒以彎曲型變形為主。兩者協調工作，具有很大的優勢，將是高層選型的一大方向。

其次是結構體系，對于風荷載的影響，當一幢獨立高層時候，以風力垂直于與結構表面為最不利，當有干擾的時候應考慮風偏角效應。根據流體力學，風壓產生的流線型，建筑結構體系應以流線型為主題，參照飛機與魚的外形，建筑應以獨立的規則的圓形建筑為優選，而且在建筑的中間設置加強層，以伸臂桁架和腰桁架來增強結構的抗側強度。對于水平地震力的影響，對于建筑上部而言，小震時，結構為彈性，大震作用下，耗能梁段為剪切屈服，屬于脆性。近30年來發展起來一種叫做偏心支撐框架（EBSP）的抗震結構體系，其抗震性能大大優于純框架與中心支撐，其中的K型偏心支撐鋼架在水平地震荷載作用下具有較強的抗側強度，顯著改善抗震性能。對于建筑下部基礎，運用鉛芯橡膠基礎做隔震設計，可以有效的減輕水平地震力對結構的不利影響，但是在底層柱軸力尤其是角柱，邊柱，應該加強考慮豎向地震力的影響。

最后，建筑應考慮到適用性與美觀性，對各個細節也應進行仔細設計。對結構進行整體的受力分析，確定結構的合理性。

5、總結

現代高層建筑發展速度越來越快，在未來的時間里，高層發展將會是一種趨勢，而高層概念設計也是高層結構設計中不可忽視的重要內容。作為一名土木工程的學子，不但需要學好建筑理論、力學、結構、材料以及施工技術和管理知識的知識，而且要有對建筑、結構和設備功能需求的理解，對設計、施工和使用實踐的領會，再總結長期工程經驗的基礎上所制定的一些基本要求，對做好概念設計的全盤打算的工作。

參考文獻：

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