理工核心论文发表-浅析高层建筑结构设计

时间：2013-07-23 作者：lyqkw 所属分类：未知 点击：162次

　　摘要：社会不断的进步和发展，人们生活水平不断提高，对房屋等建筑工程要求不断提高。在当今科技发达的时代，建设项目规模不断扩大，建筑业发生突飞猛进的发展，建筑施工的生产方式和组织结构发生的深刻地变化，加之人口众多，我国大力推广高层建筑。现代化城市规划设计中高层建筑日益增多。本文针对高层建筑的结构，总结其结构设计的一些特点，并对高层建筑结构的各种体系和分析提出了相应的方法。

　　关键词：核心论文发表,高层建筑,结构体系,框架剪力墙结构体系,结构设计

　　一、高层建筑结构设计特点

　　1、楼房的决定因素—水平荷载

　　在高层建筑中水平荷载是其建造的决定因素。楼房的楼面和自重使用荷载在竖构件中所引起的弯矩和轴力的数值，这与楼房高度成一次方正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比。

　　2、高层建筑的轴向变形

　　高层建筑的竖向荷载数值很大，因此立柱能够在轴向引起较大的变形，能够在柱中引起较大的轴向变形，这会影响连续的梁弯矩，减小连续梁中间的支座负弯矩值。反而增大了跨中的正湾矩和端支座的负弯矩值;同时影响了预制构件下料的长度。在预制构件下料是根据要求计算轴向变形对其长度进行相应的调整。

　　3、高层建筑中控制指标—侧移

　　在高层建筑中结构侧移是高楼结构设计成功的关键因素，这一点是与低层楼房不同的。随着科学技术的不断发展，对楼房的高度要求不断增加，随之水平方向载荷的结构中侧移变形也不断增加。由此可见高层结构中侧移必须被控制在一定范围内。

　　4、高层建筑张重要设计指标—结构延性

　　高层楼房与较低楼房相比，其结构比较柔些，地震作用之时变形较大些。在现代技术中高层建筑的结构呈现塑形变形，使其具有更强的变形能力，因此可以避免倒塌。在这种结构上再采取一些适当的措施，由此能够保证其具有足够的延性。[1]

　　二、高层建筑的结构体系

　　2.1框架-剪力墙体系

　　如果框架体系的刚度和强度在不能满足使用要求时，这就需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，这就是框架-剪力墙体系。高层建筑墙体在承受水平方向的力时，剪力墙和框架使用足够刚度的连梁和楼板组成相互协同工作的高层建筑结构体系。框架体系在这一体系中主要承受来自垂直方向的荷载，而水平方向的剪力主要由剪力墙承受。在这一结构体系中的位移曲线呈现弯剪型。在高层建筑中设置剪力墙，可以增大了建筑结构侧向的刚度，而且使得建筑物水平方向的位移减小，与此同时框架结构承受水平方向的剪力有了显著的降低，墙体的内力沿竖向呈现均匀分布的趋势，所以框架-剪力墙体系运用的高层建筑要高于框架体系楼房建筑。

　　2.2剪力墙体系

　　平面的剪力墙构件成为全部受力主体结构时时，这种剪力墙即为剪力墙体系。在这种体系中，单片的剪力墙承受了其全部的水平力和垂直荷载。这种体系是属于刚性结构的，它的位移去曲线呈现出弯曲型。同时这种体系的刚度和强度相当高，具有一低昂的延性，传力直接而且均匀，抗倒塌的性能强，整体性好，被评为一种甚为良好的高层建筑结构体系。剪力墙体系的能建高度远远大于框架体系以及框架-剪力墙体系。

　　2.3筒体体系

　　简体体系即为全部采用简体作为抗测力构件的高层建筑结构体系。其包括单筒体、、筒中筒、筒多束、筒体-框架等多种型式。空间受力构件即为简体，可分为空腹筒和实腹筒两种类型。空腹筒是由窗裙梁和密排柱或者是开孔的钢筋混凝土建造的外墙构成受力构件，实腹筒是由曲面或平面墙建造成的三维竖向的结构单体。筒体体系的强度和刚度很大，各种构件的受力分布比较合理。其抗震、抗风能力也很强，往往应用于大空间、大跨度、超高层建筑中。[2]

　　三、高层建筑结构分析

　　3.1分析高层建筑结构中的基本假定

　　高层建筑的结构是由框架、简体、剪力墙等竖向的抗侧力构件围成，然后水平楼板在其中连接构成的大型空间结构体系。在高层建筑结构分析完全按照三维空间的结构这是非常困难的。在实际建筑结构分析中，各种实用的结构分析法在对其进行计算模型是都引入了不同程度的见哈。以下是对一些常见的基本假定进行介绍：

　　(1) 小变形的假定。在各种基本假定方法中小变形假定是应用最普遍的方法。但是有很多人对几何非线性进行了一些研究。通常认为，当顶点水平的位移Δ和建筑物的高度H的比值大于1/500时， 对于P-Δ效应产生的影响就不能再忽视了。

　　(2) 弹性假定。这种假定方法是目前我国建筑工程在高层建筑结构的分析方法中均采用的计算方法。在一般风力和垂直荷载的作用下，高层结构通常在弹性工作的阶段。这种假定方法基本上符合高层结构的实际工作状况。在实际生活中建筑物遭受强台风或者地震是建筑结构通常产生比较的位移，并出现裂缝，此时进入弹塑性的工作阶段。如果仍然按照弹性方法来计算位移和内力时就不能反映建筑结构在现实中的工作状态，针对这种情况对高层建筑设计时需要使用弹塑性的动力分析的方法。

　　(3) 计算图形的假定。计算图形中的三维空间是整体分析高层建筑的结构体系中最主要的假定方法。在二维协同的分析方法没有将楼面外公共节点的位移协调的抗测力构件考虑在内，而且，对具有空间工作的性能简体建筑结构中抗测力构件的平面外扭转刚度和强度忽略这是不妥当的。利用三维空间分析时，普通的杆单元中每一个节点共有6个自由度，根据拉索夫的薄壁杆理论对杆端节点进行分析时必须考虑截面翘曲，因此自由度共有7个。

　　(4) 刚性楼板的假定。在众多高层建筑的结构分析法中均采用对楼板自身的刚度设为无限大，而忽略平面外的刚度。这种假定方法对高层建筑结构的位移中的自由度减少了许多，并对计算方法进行了简化。一般情况下，对剪力墙体系和框架体系使用刚性楼板假定这一假定理论是可以完全使用的。但是，对于高层建筑结构中竖向刚度中有突变的，楼板的刚度比较小，其主要是因为抗测力构件间的跨距过大或者是楼层的层数较少等，此时楼板变形对建筑结构影响比较大。[2]

　　3.2静力分析方法

　　(1) 框架-剪力墙体系结构

　　框架-剪力墙体系结构的位移与内力的计算方法有很多，大部分方法采用连梁连续化的假定理论。由框架与剪力墙转角相等或者水平位移的位移协调，设计师可以根据位移和外荷载之间的关系建立微分方程并求解。由于采用的考虑因素和未知量的不同，这些方法解答的具体形式也不尽不相同。

　　框架-剪力墙体系的计算方法，一般是将建筑结构转化成为等效的壁式框架，通过利用杆系结构的矩阵位移法得到解答。

　　(2) 剪力墙结构

　　对于剪力墙上的开洞情况是分析剪力墙的变形状态与受累特性主要的决定因素。根据受力特性不同可以将单片剪力墙分为小开口整体墙、单肢墙、联肢墙、框支墙、特殊开洞墙等各种类型。由于剪力墙的类型不同，其截面分布着不同的应力，在计算内力与位移的关系是需要使用相对应的计算方法。

　　平面的有限单元法师计算剪力墙结构有效的方法。这种方法比较精确，并且适用于各种剪力墙。但是这种方法耗费较大的机时，具有较多的自由度，因此这种方法只能应用于框支墙的过渡层、特殊开洞墙等分布复杂应力的情况。[3]

　　(3) 筒体结构

　　对简体结构的分析方法可以根据计算模型不同的处理方法可以分为三类，即等效连续化方法、三维空间分析和等效离散化方法。本文中主要针对三维空间分析法进行讨论。

　　高层建筑结构中将离散杆件使用等效连续化处理这就是等效连续化的方法。等效连续化方法分为两种：1)只作几何分布中连续化，便于用连续函数对其内力进行描述;2)作物理和几何中的连续处理，这种方法使离散杆件与正交异性的弹性薄板惊醒等效化，这样便于对弹性薄板进行分析。

　　将连续的墙体进行离散化并等效为杆件，这种方法叫做等效离散化。这种方法可以应用适合的杆系结构进行高层建筑结构分析。

　　三维空间分析方法比等效离散法和等效连续法的精确度更高，这种方法在空间杆—薄壁干系矩阵位移法中应用最广泛。三维空间分析法将高层建筑结构体系视做薄壁柱元、空间梁元和空间柱元组合，这就成为空间杆系结构。[3]

　　四、结论

　　随着经济发展，科技的进步，高层建筑更加快速发展，由此，高层建筑结构的材料、形式、力学分析模型等等这些都日益复杂而且多元化。在当今社会革新新的高层建筑，彰显科学进步，不断追求新奇的结构形式，并更加合理使用力学模型，这就是当代的土木工程设计师的方向和目标。

　　参考文献：

　　[1]　叶琳昌.《屋面工程技术规范》执行中的几个问题.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.150-159.

　　[2]沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

　　[3]刘海卿,康珍珍,张丙军.高层建筑结构选型影响因素分析[J].科学技术与工程,2006(6).

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