高層建筑結構自振周期與結構高度關系及合理范圍研究

劉雪嬌

摘要：隨著時代的發展與進步，各種工廠、企業、住房等等建筑相應拔起，因此人們的可占用土地卻越來越少。而為了節約土地，建造出更多對人們有益的建筑，所以近些年來建筑行業出現了一些現象，就是樓房建設的越來越高，這樣做的目的就是為了節省一部分土地，提高人們的土地利用率。隨著高層建筑的增多，人們對于其具備的安全性有了極大的疑惑，而建筑學家們也在不斷研究如何提高高層建筑的安全性。高層建筑結構的安全性是否得到標準，與其所具備的基本參數有著極大的關聯，而自振周期就是其一個重要的基本參數。同時，我們為了研究高層建筑結構剛度和質量是否適當的提供參考數據，研究者們將414棟高層建筑作為數據源，統計分析了自振周期的合理分布范圍。

關鍵詞：高層建筑;自振周期;分布規律;合理范圍;控制

1以往關于高層建筑結構基本周期合理范圍的研究

人們對于土地的重要性一直有著十分理性的認識，因此早在20世紀60-70年代的時候，人們就有著高層建筑的意識。并且在那個時候，人們對于高層建筑結構以及有了一定的認識，并且對于高層建筑的一個重要參數——結構自振周期的研究發現自然是不可缺少的。在早先年間的高層建筑基本周期合理范圍的統計，都是通過國內外國家之間對已有的建筑物進行實際測量并計算出基本周期，并對這些計算出來的數據進行統計分析，以此得到了令人較為信服的高層建筑基本周期。但是這種測量方式得到的數據并不是最為準確的，因為這種實測的建筑物都存在一定的弊端，不利于其數據廣泛的應用。而這些弊端主要就是所統計的高層建筑高度普遍不高，大多都是50m以下的，僅僅只有少數統計的建筑物為50-100m之間。而在2010年的時候，智利對于建筑物的高度有了一定的要求，突破了建筑物過低的限制，但是進步的空間依舊不足，因其所統計的結構高度均在135m之下，依舊沒有太高的建筑物數據。而下面我們就來看一下我國以及智利國家對于高層建筑基本周期的測量數據。

2中國

純框架結構：T1=0.1n

剪力墻結構：T1=0.04n～0.06n

框架-剪力墻結構：T1=0.014H

式中：n為高層建筑結構的層數，H為結構高度。

3智利

智利國家對于智利高層建筑結構的基本周期的統計是在不斷更新的，為了得到最新的數據，智利研究學者在2010年間實際考察了2622棟的建筑結構基本周期，并且在研究者將2622棟的建筑結構基本周期研討之后，又與其結構高度H的

關系做了以下研討：

合理范圍：T1=0.014H～0.025H

偏柔：T1>0.025H

偏剛：T1=0.007H～0.014H

太剛：T1<0.007H

通過觀察我國與智利的高層建筑基本周期合理范圍可知，不同國家之間高層建筑結構周期是有著不同的要求與規定的。而造成這一現象的最主要的原因就是各國所處的地理位置不同，而地震又是人類面臨的大災難之一，因此在建筑高層樓房之時，就一定要去考慮抗震規范的要求有沒有達到應有的標準。但是又有人會說，觀察其他國家的高層建筑基本周期的合理范圍時，為什么明明有了一些規定，但是建筑之后的樓房依然存在一定的危險性呢？并且觀察其他國家的高層建筑基本周期會發現其與高度或層數有的呈現出線性關系，這些問題的原因都在于在考察建筑基本周期時所觀察的建筑物高度過低，使得所獲得的數據并不是那么準確。而我國在近些年來針對于高層建筑基本周期的合理范圍的變化可以說是極大的了，由于我國在改革開放之后，國家的經濟急速發展，而對于高層建筑上也有了極大的進步。由于經濟發展以及可持續發展的需要，使得我國在高層建筑上面高度超過150m的建筑樓房就以及有了350多棟，這是一個極大的進步。而隨之而來的一個問題就是，我國之前所觀察的高層建筑結構自振周期的分布規律由于參考的多是50m以下的建筑物，極少有超過100m的數據，因此就使得之前的高層建筑結構自振規律不使用于當前的超高層建筑樓房。這樣說的原因主要在于因為自振周期的大小對于樓房結構的豎向荷載有著極大的關聯，并且50m以下高層建筑結構設計一般由承載力控制，結構剛度偏大，如將其統計規律應用到高度更高的高層建筑結構上，其合理性和精度將顯著下降。因此，為了我國超高層建筑物更好的發展，我們有必要對現有的高層建筑結構自振周期的分布規律重新進行統計分析，尋找到適合超高層建筑物的合理范圍，使得廣大結構設計人員的需求得以滿足。

4我國現有高層建筑結構自振周期分布規律及合理范圍

為了更好、更清晰的觀察我國高層建筑結構自振周期的分布規律，我們可以通過觀察20世紀80年代直到今天已經建成或是通過超限審查的414棟高層建筑結構的數據，從這寫數據源之中我們就可以得到很多有價值的信息。而在這些建筑物的其中，不僅僅所有的結構高度都超過了50m，而且其中有很多的建筑物都是超過300m以上的超高層建筑物。這就使得我們從這些建筑物中得到的數據是比較完整的數據，對于我國高層建筑結構自振周期的分布規律以及合理范圍都是一個極其有用的數據。同時從這些建筑物中想要得到十分完備的數據，不僅僅要求建筑物的高度有著不同，對于建筑物的結構以及結構形式都有著不同。首先我們先來說一下建筑物的結構，對于建筑物內在的結構，我們要求其中不應該包含純鋼結構，最符合要求的就是結構為鋼筋混泥土結構以及混合結構的了。接著就是結構形式的要求，對于結構形式我們要求的是那些不包含框架的結構，而符合要求的則是那些剪力墻、框架-剪力墻、框架-核心筒等。

4.1結構基本周期

根據我們所觀察的一些數據，并且在將結構基本周期與建筑結構的關系列在一起，仔細觀察我們就可以發現建筑結構高度與基本周期的關系會發生相當大的變化。在最初的時候，我們發現結構基本周期與建筑結構的高度所呈現出的關系是線性關系，這種情況的原因在上文之中我們也做了詳細的解釋，就是因為建筑結構的高度過低。而隨著如今建筑高度的增加，使得它們之間的線性關系也發生了變化。

4.2結構二階周期

對于研究高層建筑結構周期的二階周期研究與結構基本周期有著不同，高層建筑結構二階周期主要基本分析模型是彎曲型與剪切型結構，之后再加上結構動力學理論以及材料力學進行分析，分別得出他們之間的不同關系。對于高層建筑結構的三階周期我們目前的研究就遠遠比不上結構基本周期與結構二階周期的研究，這是因為我國目前的數據庫之中符合結構三階周期的要求很少。但是通過這些有限的觀察我們還是能夠得到一些有價值的結構的，當H≥250m時，T3/T1合理范圍在0.14～0.20之間;當50m≤H<250m時，T3/T1合理范圍在0.10～0.19之間;T3/T1的總體均值為0.15，離散系數為21.1%。

5高層建筑結構自振周期與結構高度關系及控制

通過本篇文章我們可以知道對于高層結構自振周期與結構的高度有著密不可分的關系，并且我們通過對結構自振周期的定義就可以知道，我們的結構周期與結構的高度關系應該是有著平方根的關系。同時，我們也可以通過一些統計數據以及分布規律可知，在滿足我國標準規范對結構整體穩定、位移限值、剪重比等要求的基礎上，高層建筑結構（不含純鋼結構、框架結構）自振周期與結構高度也是有著密切的關系的。我們必須嚴格按照這種關系來對高層建筑結構自振周期進行劃分，這樣就會使得我國的高層建筑發展的越來越好。對于結構二階周期與結構的高度依舊有著密切的關系

H≥250m：T2=0.26T1～0.34T150m≤H<250m：T2=0.23T1～0.33T1

總體均值：

T2=0.28T1而結構三階周期與結構高度的關系式則為H≥250：T3=0.14T1～0.20T150m≤H<250m：T3=0.12T1～0.19T1總體均值：T3=0.15T1同時我們通過觀察高層建筑結構一階周期、二階周期以及三階周期之后，將這些數據再次進行分析，我們就會發現對于我國高層建筑結構影響最為深遠的還是我們的結構一階周期。結構一階周期的作用之所以這么重要，就是因為結構一階周期在某一個值得范圍時，會使得結構的性質有著變化。而當我們的建筑結構過柔的話，那么為了我們高層建筑的安全性，我們就必須進行控制。因此，通過對結構一階周期的觀察與分析，對于提高我們高層建筑結構的安全性是有著極大的益處的。

6結束語

通過本篇文章的描述與分析，我們可以知道對于高層建筑結構的自振周期對于建筑結構的高度有著深刻的影響。而高層建筑物在我國的地位越來越重要，日后的高層建筑物也會越來越多。在這種環境背景之下，我們就必須將任何一種

高層建筑自振周期都要研究清楚，以此才能使得我國的高層建筑發展的越來越好，對于我國的經濟發展也有著極大的促進作用。

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（作者單位：河北省第四建筑工程有限公司）