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高层建筑结构设计与分析

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引  言

随着现代社会发展的商业化、工业化和城市化,房屋建筑逐渐由单层、多层发展,房屋结构体系变的日趋复杂,框架、剪力墙、框剪、框-筒、筒体等已变成当前建筑设计中的主要结构形式。这类建筑的选型设计也存在一些需要特别注意的问题,本文仅就这些问题进行进一步的探讨。

1.高层建筑结构的特点

主体结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载,还要具有抵抗地震作用的能力。低层结构的水平荷载对结构影响通常较小,但在凤之梦高层建筑中,水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着高度的增加,位移增加很快。但是过大的侧移会使人感觉不舒服,从而影响建筑的使用,会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内,于是抗测力结构设计成为了关键。

    我国现行规范主要限制层间位移:             

     1980年以前,高层建筑基本上是钢筋混凝土三大常规抗测力体系:框架结构,剪力墙结构和框架剪力墙结构,它们的共同特点是以平面框架或平面剪力墙作为基本抗测力结构单元,多方向(纵向、横向、斜向)组成空间受力结构。随着人们对建筑功能要求的提高,平面布置和竖向体系日益复杂,而且层数增多,高度加大,以及设防烈度提高,常规的抗测力体系往往难以满足要求,于是以空间整体受力为特征的筒体结构得到了广泛的采用,在建和已建的100米以上的高层建筑中,采用筒体结构的占80%。最近几年,一些新颖的结构形式已经得到应用。这些结构体系都从整体受力为特点,而且能更好地满足动能要求。香港的中银大厦采用了巨型桁架结构;深圳发展中心大楼采用了刚性水平构件,把中央核心和边柱联系起来,减少了结构的位移。

在高层建筑的设计中,通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。钢筋混凝土结构造价低,材料来源丰富,可浇注成各种复杂断面形状,可组成多种结构体系,可节省钢材,承载能力也不低(特别是近年来高强混凝土和超高强混凝土的研制 应用,大大提高了混凝土承载力),经过合理设计,可获得较好的抗震性能。因此在发展中国家包括我国,大都采用钢筋混凝土建高层建筑。但它主要缺点是构件断面大,占据面积大,自重大。而钢材强度高,韧性大,易于加工;高层钢结构具有结构断面小,自重轻,抗震性能好,钢结构构件可在工厂加工,能缩短现场施工工期,施工方便。但是高层钢结构用钢量大,造价很高,而且耐火性能不好,需要用大量防火涂料,增加了工期和造价。在发达国家,大多数高层建筑采用钢结构,在我国,随着建筑物高度的增加,也有采用钢结构的高层建筑,由于钢筋混凝土和钢结构均各有所长,又各有所短,所以更为合理的结构是同时采用钢和钢筋混凝土材料的组合结构,这种结构可以使两种材料互相取长补短,取得经济合理,技术性能优良的效果,通常钢与钢筋混凝土组合于一个结构中有两种方式, 1、用钢材加强钢筋混凝土构件,钢材放在构件内部,外部由钢筋混凝土包住,称为钢骨混凝土构件,它可以充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能,又可以利用钢骨减小构件断面和改善抗震性能;也可以在钢管内部填充混凝土,称为钢管混凝土,自90 年代初,第一部分柱子采用钢管混凝土柱的福建泉州市邮局大楼建成以来,已经有几十座建成或在建的钢管混凝土高层建筑,由于钢管混凝土有效地利用了钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度,大大提高了钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力,减小了柱截面有利于抗震,而且由于管内混凝土的吸热作用,增加了柱子的耐火时间;另外,对于高强混凝土的采用提供了可靠的保证,因为外钢管可防止内部混凝土的脆性破坏。2、部分抗侧力结构用钢结构,另一部分采用钢筋混凝土结构,形成组合结构。通常是钢筋混凝土做的内筒或剪力墙,钢材作框架梁柱。

2. 结构分析与设计影响因素:

2. 1 水平荷载成为决定因素

   任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载,还要具有抵抗地震作用的能力。在较低楼房中,往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计,水平荷载产生的内力和位移很小,对结构的影响也就较小;但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响,水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多,水平荷载愈益成为结构设计中的控制因素。一方面,因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖构件中所引起的轴力,是与楼房高度的两次方成正比;另一方面对某一高度楼房来说,竖向荷载的风荷载和地震作用,其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.2 轴向变形不容忽视

由结构力学可知,计算结构构件位移的公式为内力或位移

通常在低层建筑结构分析中,只考虑弯矩项,因为轴力项影响很小,而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构,情况就不同了。由于层数多,高度大,轴力值很大,再加上沿高度积累的轴向变形显著,轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。

① 对连续梁弯矩的影响

采用框架体系和框-墙体系的高楼中,框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力,中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时,此种差异轴向变形将会达到较大的数值,其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷,从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小,跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。在较低楼房中,因为柱的总高度较小,此种效应不显著,所以可不考虑。

② 对构件剪力和侧移的影响

轴向变形的影响在结构分析中应当考虑,但是,结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的。特别是,占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的,轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成,并在各楼层标高处找平,实际上并不完全类似与以上分析的情况。所以,在考虑轴向变形时,要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素,不能简单的按一次加载考虑,否则会出现一些不合理的计算结果,如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱,在竖向荷载作用下出现拉力;上层框架梁出现过大弯矩和剪

力等。

2. 3 侧移成为控制指标

与低层建筑不同,结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素,随着楼层的增加,水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。从图2.1 可以看出,结构顶点侧移与建筑高度H 的四次方成正比

设计高层结构时,不仅要求结构具有足够的强度,能够可靠地承受风荷载作用产生的内力;还要求具有足够的抗侧刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控

制在某一限度之内,保证良好的居住和工作条件。这是因为高楼的使用功能和安全,与结构侧移的大小密切相关:

(1) 结构在阵风作用下的振动加速度a超过0.015g(0.15m/s2)时,就会影响楼房内使用人员的正常工作与生活。当高楼在阵风作用下发生振动的频率f 为一定值时,结构振动加速度a 与结构侧移幅值A成正比:a = A(2πf )因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素。

(2) 过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏,此外,也会使电梯因轨道变形而不能正常运行。

(3) 高楼的重心位置较高,过大的侧向变形将使结构因P-Δ 效应而产生较大的附加应力,甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌。

2.4 结构延性是重要设计指标

相对低层结构而言,高层结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,特别需要在构造上采以恰当的措施,来保证结构具有足够的延性。

3 高层建筑结构体系类型

3.1 框架一剪力墙体系

框架一剪力墙结构是由框架和剪力墙组成的结构体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往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,便形成了框架一剪力墙体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平剪力。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架一剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

3.2 剪力墙体系

剪力墙是一种能较好地抵抗水平荷载的墙,通常是混凝土墙。体系。在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力直接均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系,能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

3.3 筒体结构

筒体结构的种类很多,有筒中筒结构、框架-核心筒结构、框筒-框架结构、多重筒、成束筒等等新式。筒体结构是空间结构,具有很大的刚度和强度各构件手里比较合理。其抵抗水平作用的能力很强,因而特别适合在超高层结构中采用。目前世界最高的100幢高层建筑约有2/3采用筒体结构。

3.4 其他结构

较为新颖的竖向承重结构有悬挂结构、巨型框架结构、巨型桁架结构、高层钢结构中的刚性桁架等多种形式。这些结构形式已经在实际工程中得到应用,如香港汇丰银行大楼采用的是悬挂结构,深圳香格里拉酒店采用的是巨型框架结构,香港中国银行采用的是巨型桁架结构。

4 结构分析中常用的基本假定

高层建筑结构分析的基本假定:高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、简体等)通过水平楼板连接构成的大型空问结构体系。要完全精确地按照二维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定:

  弹性假定。

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下.结构通常处于弹性工作阶段,这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝.进入到弹担性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的,应按弹塑性动力分析方法进行设计。

  小变形假定。

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P—△效应)进行了一砦研究。一般认为,当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△,H>1500时。P一△效应的影响就不能忽视了。

  刚性楼板假定

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大.而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。一般来说,对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是,对于竖向刚度有突变的结构,楼板刚度较小,主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况,楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

④ 计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种:(1)一维协同分析。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。(2)二维协同分析。 二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。(3)i维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向化移和转角的协调),而且,忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度。接符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲,有7个自由度。

各类结构体系采用的分析方法

① 框架剪力墙体系

框剪结构在竖向荷载作用下,可以假定各竖向承重结构之间为简支联系,将竖向荷载按简支梁板简单地分配给框架和墙,再将各框架和各剪力墙按平面结构进行分析计算。框架一剪力墙的计算机算,通常是将结构转化为等效壁式框架,采用杆系结构矩阵位移法求解。

② 剪力墙体系

剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙.小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框吱墙等各种类型。不同类型的剪力墙。其截面应力分布也不同,计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确,而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多,机时耗费较大,目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。

③ 筒体体系

筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类:等效连续化方法i等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化,以便用连续函数描述内力;另一种是作几何和物理上的连续处理,将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板,以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件,以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系,其中应用最广的是空间杆一薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。

5 结语:

   随着高层建筑进一步的发展,满足高层建筑的形式,材料,力学分析模型都将日趋复杂多元,本文至始至终贯穿着建筑的定位标准:适用、安全、经济、美观。基于对结构设计概念的认知,认为这一阶段对结构的经济性起着至关重要的作用,合理的结构体系,能够满足良好的抗震性和经济性。而且,从经济性分析中看出,对于超过20层的建筑,框-筒结构体系比剪力墙结构体系更具有优势。