工程碩士論文：論高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的探討

  摘要：隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市人口的不斷增多。得以高層建筑快速發(fā)展。本文講述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點進行了分析。
  關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)體系 分析方法
  一 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點
   結(jié)構(gòu)要同時承受垂直荷載和產(chǎn)生的水平荷載．還要具有抵抗地震作用的能力。一般低層結(jié)構(gòu)的水平荷載對結(jié)構(gòu)影響較小，但在高層建筑中，水平荷載和地震作用是 重要因素。隨著高度的增加，位移增加很快，過大的側(cè)移會影響建筑使用，會造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。所以必須將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在一定的范圍之內(nèi)。
   1．1水平力是設(shè)計主要因素在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中。往往是以重力為代表的蟶向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要 影響，但水平荷載卻起著決定l生作用 因為建筑自鶯和樓面使用荷載在 向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載 的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。
  1．2抗震設(shè)計要求更高有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)汁，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。
  二 高層建筑結(jié)構(gòu)的分析
  高層建筑結(jié)構(gòu)是南 向抗側(cè)力構(gòu)件(框架、剪力墻、簡體等)通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要完全精確地按照j維空間結(jié)構(gòu)進行分析是十分困難的，各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定：
   (1)捧陛假定目前工程J=實用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性計算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合 結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，但是存遭受罕見地震或強臺風(fēng)作用時．高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進入到彈塑性．[作階段。此時仍按彈性方法計 算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實 I：作狀態(tài)，應(yīng)按彈塑 動力分析方法進行設(shè)計。
  (2)小變形假定小變形假定也是普遍采川的基本假定。但有人對幾何非線性問題 △效應(yīng))進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移△與建筑物高度H的比值△／H>I~O0時。 △效應(yīng)的影響就不能忽視了。
   (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)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)的自由度，簡化 了計算方法。并為采Lf{空問薄壁桿件理論提供了便利。一般來說．對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)件間距過大或?qū)訑?shù)較少等情況，會使樓板變形較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適 當調(diào)整來考慮這種影響。
  三 高層建筑結(jié)構(gòu)體系類型
  3．1框架一剪力墻體系當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在 建筑平面的適當位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墑通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的 結(jié)構(gòu)體系，由框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平荷載。框架一剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度．使建筑物的 水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架一剪力墻體系的能建高度要大于框架體系
  3．2剪力墻體系當受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體勝好，抗倒塌能力強。
   3．3筒體體系凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單簡體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件。分實腹 筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體。空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很 大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強．往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。
  四 結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法
   4．1框架一剪力墻體系框架—剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建 立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同．各種方法解答的具體形式亦不相同?？蚣芤患袅Φ臋C算方法，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。
  4. 2剪力墻體系剪力墻的受力特l生與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻 按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，—汁算內(nèi)力與位移時需采 用相應(yīng)的計算方法。剪力墻結(jié)構(gòu)的機算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用，但因其自由度較多，計算機資源耗費較大，目前一般只 用于特殊開洞墻、框支剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布復(fù)雜勺．隋況。
  4．3筒體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為j- 類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函 數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分 方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件．以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。 這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架結(jié)構(gòu)法等。
  具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架結(jié)構(gòu)法。比 等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按j維空間結(jié)構(gòu)來分析簡體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿一薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體 系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu) 空間梁柱每端節(jié)點有6個自由度。核． 筒或剪力墻的墻肢則采用符拉索夫薄壁桿件理論分析， 每端節(jié)點有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲自由度，對應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。i維空問分析精度較高，但它的未知量較多，計算量較大．在不引入其它假定時，每 一樓層的總自由度數(shù)為6Ne+7Nw(Nc，Nw為柱及墻肢數(shù)目)。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自由 度數(shù)降為3(Nc+Nw)+4，這是目前工程上采用最多的計算模型。
  五 結(jié)束結(jié)
  構(gòu)設(shè)計是一項一項對國家建設(shè)有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。針對目前按傳統(tǒng)設(shè)計法造成的大量浪費，推行能實現(xiàn)資源合理分配、利用，節(jié)約建筑造價的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法勢在必行，也是刻不容緩的。于是，了—個極其重要的地位。