浅谈高层建筑结构设计分析

1 高层建筑结构的受力特点

建筑结构所受的外力 (作用) 主要来自垂直方向和水平方向。在低、多层建筑中, 由于结构层数少、平面尺寸较大, 其高宽比很小, 且结构受风荷载和地震影响也很小, 故结构以抵抗竖向荷载为主。也就是说, 竖向荷载往往是结构设计的主要控制因素。

在高层建筑中, 首先, 在竖向荷载作用下, 各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为:边柱N=wlH/2h, 中柱N=wlH/h, 即框架柱的轴力和建筑结构的层数成正比;边柱轴力比中柱小, 基本上与其受荷面积成正比。就是说, 由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大, 建筑物层数越多, 底层柱轴力越大;顶、底层柱轴力差异越大;中柱、边柱轴力差异也越大。

其次, 在水平荷载作用下, 作为整体受力分析, 如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁, 那么由其底部产生的倾复弯矩为:水平均布荷载Mmax=q H2/2, 倒三角形水平荷载Mmax=Qh3/3, 即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。就是说, 建筑结构的高度越大, 由水平作用对结构产生的弯矩就越大, 较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加越快, 其产生的结构内力占总结构内力的比重越大, 从而成为高层结构强度设计的主要控制因素。

高层建筑结构的主要受力构件有剪力墙、框架柱、梁和楼板。剪力墙、框架柱是竖向构件, 它们是形成结构抗侧力刚度的最主要构件, 承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载;框架梁、楼板是水平构件, 结构各楼层的竖向荷载通过楼板传至框架梁再传给竖向构件, 同时, 对结构抗侧力刚度也有贡献颇的框架梁, 还和竖向构件一起承担整个结构的荷载水平荷载;次外, 有些高层建筑结构还有斜向构件, 它们对结构抗侧力刚度贡献很大, 对构件之间的传力起着重要作用, 除自重外, 一般不直接受荷。

结构在水平阵风作用下, 当振动加速度α超过0.015G时会使人的正常生活受影响, 因为加速度α=A (2πf) , 当频率f为定值时, α与振幅A成正比, 因此结构的侧移幅值的大小要受限制。过大的侧移易使隔墙、围护结构以及高级装修受损, 地震或阵风引起的过大变形也会造成电梯轨道无法使用。结构过大的变形会引起结构的二阶效应, 造成结构杆件产生附加内力, 影响结构承载力。

2 高层建筑结构的变形特点

在竖向荷载作用下, 高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同, 因而其压缩变形大小也不同。在钢筋混凝土结构中, 由于在施工过程中的找平, 同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同, 若不对基底应力进行调整, 也可能导致基础产生不均匀沉降。在水平荷载作用下, 高层建筑结构最大的顶点位移为:水平均布荷载△max=q H4/8EI, 倒三角形水平荷载△max=11q H4/120EI, 式中EI为结构, 从以上可看出, 结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快, 这就说明, 高层建筑结构对结构的水平侧移是相当敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。所以结构应具备较大的抗侧度, 而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。

3 高层建筑结构分析

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件 (框架、剪力墙、筒体等) 通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三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, 进入到弹塑性工作阶段。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 (P-Δ效应) 进行了一些研究。一般认为, 当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时, P-Δ效应的影响就不能忽视。

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计算筒体结构提供了条件。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:一维协同分析。按一维协同分析时, 只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下, 将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定, 同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等, 由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下, 则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构, 但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作, 同时计算;扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后, 每层楼板有三个自由度u, v, θ (当考虑楼板翘曲是有四个自由度) , 楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程, 用矩阵位移法求解。二维协同分析主要在中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。三维空间分析, 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 (竖向位移和转角的协调) , 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筒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, 按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。

4 高层建筑结构的P-Δ效应

如上所述, 高层建筑结构在水平荷载作用下将产生侧移, 由于侧移而引起竖向荷载的偏心又使结构产生附加内力, 这个附加内力反过来又使结构的侧移进一步加大。对非对称结构, 平移与扭转耦联, 当结构产生扭转时, 竖向荷载的合力和抗侧力构件的形心将产生偏心也会产生附加内力。这种由于竖向荷载作用下所产生的内力和侧移增大的现象称之为P-Δ效应。所以当高层建筑结构不满足高规JGJ3-2002第5.4.1条规定时, 应考虑重力二阶效应在水平力作用下对内力和位移的不利影响。

5 结语

高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析, 多做方案比较, 根据使用功能和受力的合理性确定好结构的体系, 是用剪力墙结构还是框架结构等, 再从结构的整体去分析它的刚度比、周期比、剪重比、位移比、是否考虑P-Δ效应、结构稳定验算等。

摘要：随着城市用地紧张, 高层建筑是社会发展和人类物质生活需要的产物, 是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。科学技术的进步、经济的发展则为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础。为了满足高层建筑进一步的发展, 追求新的结构形式和更加合理的设计力学模型, 本文为高层建筑结构设计分析, 受力特点提出一些个人的见解。

关键词：高层建筑,结构设计,变形特点,结构分析,P-Δ效应