高層建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法分析

摘 要：自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的城市發(fā)展了翻天覆地的變化，大量的人口擁入城市當(dāng)中，使本來(lái)就緊張的城市土地資源變得越來(lái)越稀缺，隨著建筑技術(shù)的快速發(fā)展，目前城市建筑開(kāi)始向高層發(fā)展，高層建筑的興起，不僅在一定程度上緩解了城市土地緊張的局面，同時(shí)也使人們的居住環(huán)境得以改善。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)所采用的分析和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了說(shuō)明，并進(jìn)一步對(duì)各類結(jié)構(gòu)體系所采用的分析方法進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

在我國(guó)目前的高層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，通常采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。但不論哪種結(jié)構(gòu)都需要承受豎直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，同時(shí)還要抵抗地震的作用。特別是對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)講，高度的不斷增加，使導(dǎo)致位移的增加，一旦位移過(guò)大，則會(huì)影響到建筑的使用功能，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)移進(jìn)行良好的控制，從而避免結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到損壞，影響到整體建筑的質(zhì)量。

1.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

目前高層建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)始向高度及復(fù)雜化方向發(fā)展，隨著層數(shù)的增加，單純依靠框架結(jié)構(gòu)則無(wú)法滿足建筑整體的強(qiáng)度和剛度的要求，所以需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)保證結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和剛度。這樣框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合后即形成了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。這樣框架結(jié)構(gòu)承受垂直荷載，而剪力墻承受水平荷載，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得以增強(qiáng)，同時(shí)建筑物的水平位移則減小，使建筑更加的牢固。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

目前的剪力墻結(jié)構(gòu)通常都是用鋼筋混凝土來(lái)完成的，具有非常好的強(qiáng)度和剛度，延展性也非常好，所以對(duì)于垂直荷載和水平荷載具有非常好的承受能力，同時(shí)作為一種剛性結(jié)構(gòu)，具有特別好的整體性和抗倒塌能力，是一種非常好的結(jié)構(gòu)體系，特別適合于在高層建筑結(jié)構(gòu)中使用。

1.3 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)作為一種空間結(jié)構(gòu)，具有較大的種類，同時(shí)在強(qiáng)度和剛度上也具有非常好的效果。目前筒體結(jié)構(gòu)主要包括筒中筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、框筒-框架結(jié)構(gòu)、多重筒、成束筒等等。筒體結(jié)構(gòu)由于各部件受力比較均勻，受力較為合理，所以對(duì)于外力具有非常好的抵抗力，在超高層結(jié)構(gòu)中使用具有非常好的效果。

1.4 其他結(jié)構(gòu)

目前一些高科技、新穎的結(jié)構(gòu)形式也開(kāi)始不斷的在工程中得以應(yīng)用，如懸掛結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型桁架結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)中的剛性桁架等多種形式在一些工程中已進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，且取得了很好的應(yīng)用效果。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法

2.1 結(jié)構(gòu)分析中常用的基本假定

2.1.1 彈性假定。彈性假定是指高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)務(wù)和垂直荷載作用下處于一種彈性狀態(tài)，這種理論方法是基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在就力和應(yīng)變成正比的變化關(guān)系的基礎(chǔ)上的，但當(dāng)建筑受到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或是地震時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的位移，產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性工作階段，這時(shí)候則不能再利用彈性假定來(lái)進(jìn)行內(nèi)力的計(jì)算，需要按照彈塑性動(dòng)力分析方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而真實(shí)的反映出結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

2.1.2 小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對(duì)幾何非線性問(wèn)題（P-△效應(yīng)）進(jìn)行了二階研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移△與建筑物高度H的比值△，H>1/500時(shí)。P-△效應(yīng)的影響就不能忽視了。

2.1.3 剛性樓板假定。許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無(wú)限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對(duì)于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過(guò)大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來(lái)考慮這種影響。

2.1.4 計(jì)算圖形的假定。高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形有三種：

（1）一維協(xié)同分析。按一維協(xié)同分析時(shí)，只考慮各抗側(cè)力構(gòu)件在一個(gè)位移自由度方向上的變形協(xié)調(diào)。在水平力作用下，將結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化為由平行水平力方向上的各榀抗側(cè)力構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)剛性樓板假定，同一樓面標(biāo)高處各榀抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向位移相等，由此即可建立一維協(xié)同的基本方程。在扭矩作用下，根據(jù)同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析是各種手算方法采用最多的計(jì)算圖形。

（2）二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然扔將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)。縱橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，扭矩與水平力同時(shí)計(jì)算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有3個(gè)自由度，樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由3個(gè)自由度確定。二維協(xié)同分析主要為中小微型計(jì)算機(jī)上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序采用。

（3）三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒(méi)有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點(diǎn)在樓面外的位移協(xié)調(diào)（豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)），而且，忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)具有明顯空間工作性能的簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)也是不妥當(dāng)?shù)摹ＨS空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。接符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，有7個(gè)自由度。

3 各類結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法

3.1 框架-剪力墻體系

框剪結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，可以假定各豎向承重結(jié)構(gòu)之間為簡(jiǎn)支聯(lián)系，將豎向荷載按簡(jiǎn)支梁板簡(jiǎn)單地分配給框架和墻，再將各框架和各剪力墻按平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。框架一剪力墻的計(jì)算機(jī)理，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。

3.2 剪力墻體系

在剪力墻體系當(dāng)中，開(kāi)洞情況則直接決定剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)。剪力墻的種類較多，不同種類的剪力墻其截面應(yīng)力分布也會(huì)有所不同，這樣就對(duì)內(nèi)力及位移進(jìn)行計(jì)算時(shí)其方法則會(huì)有所不同，但對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)理主要以平面有限單元法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，此法較為精確，具有普通適用性。但在其計(jì)算時(shí)具有較高的自由度和耗費(fèi)較大，所以通常只用于特殊開(kāi)洞墻和框支墻的過(guò)渡層，只針對(duì)這些較為復(fù)雜的情況來(lái)應(yīng)用。

3.3 筒體體系

筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

在城市的快速發(fā)展過(guò)程中，人們對(duì)高層建筑的外觀和使用功能的要求也越來(lái)越高，所以目前的高層建筑無(wú)論在材料、力學(xué)分析等多個(gè)方面都開(kāi)始向復(fù)雜化和多元化的方向發(fā)展，因此在高層建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化都是勢(shì)在必行的，只有這樣才能保證高層建筑的各項(xiàng)功能性得以有效的發(fā)揮，具有非常好的抵抗地震的性能，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上還具有較好的經(jīng)濟(jì)性。