高層建筑結構分析范文
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篇1
引言:高層建筑是伴隨近幾年社會生產的變化而出現,并隨著人們生產生活對此類建筑需求性的加強而不斷的發展起來的,屬于社會工業化、商業化和城市化共同發展的產物。伴隨科學技術的進步、各項質地較輕且強度較高的材料的出現以及電氣化、機械化與計算機技術等在我國建筑工程行業的拓展性應用,使得我國高層建筑的發展擁有了充足的技術和物質條件。世界上第一棟高層建筑是芝加哥的保險公司大樓,共十一層,高五十五米,隨著此棟樓的出現,高層建筑業逐漸的世界上發展起來。目前,我國已經建設完成的,高度在一百零四米以上的高層建筑已經超過了一百棟,其中,在上世紀九十年代末建設完成的上海金茂大廈是截止到目前為止我國最高的一棟高層建筑。
1.高層建筑的結構類型體系
1.1框架―剪力墻類型體系
當建筑物的框架體系整體的強度和硬度無法滿足設計和應用的要求時,往往會在建筑物平面部分找一個適當的位置,然后在該位置上設置一個體積比較大的剪力墻,用它來代替部分的建筑物框架,這也是框架―剪力墻這一建筑結構類型形成的原因。當建筑物在承受來自水平方向的一個力時,該結構類型可以通過具有足夠硬度的建筑物的樓板與連梁形成一個能夠協同工作的建筑結構體系。在這一體系中,框架承受的是垂直荷載,剪力墻承受的是水平荷載,該結構承載荷載的形式,使得其形成了彎剪型的位移曲線[1]。剪力墻這一結構體系的設置,使得結構的側向硬度被增強、水平位移被減小、框架結構應該承受的水平剪力下降且內力主要沿豎向的方向進行均勻的分布,這就使得該結構體系建筑物的能建高度要遠遠的高于由普通框架體系構建的建筑物。
1.2剪力墻類型體系
當建筑物的主體受力結構全部都是由建筑物的平面剪力墻結構建構完成時,便會形成剪力墻結構體系。在該結構體系中,單片的剪力墻承受的是全部的垂直方向的荷載與水平力。并且,由于該結構體系屬于剛性的建筑結構,所以,其主要呈現出彎曲型的位移曲線。與此同時,由于該結構體系的剛度和強度都處于一個相對較高硬度值上,所以其具有一定程度的延性、傳遞受力十分的均勻、具有良好的整體性和抗倒塌的能力[2]。所以,在大部分的高層建筑中,設計者都比較傾向于使用此種結構體系??傮w來看,該結構體系屬于一種性質較為良好的結構類型,能夠建立出比框架―剪力墻結構類型還高的高層建筑。
1.3簡體類型體系
在高層建筑中,只要是使用筒體帶有抗側力建筑構件的結構類型體都被稱為筒體類型體系。該體系主要包括:單筒體體系、筒中筒體系、筒體―框架體系以及多束筒體系等各種類型[3]。從本質上來看,筒體屬于一種空間性的建筑受力構件,主要分為實腹和空腹兩種筒體類型。其中,實腹筒屬于由曲面強或者是平面強圍城的一種三維豎向單體結構;空腹筒屬于由窗裙梁、密排柱或者是開孔的鋼筋混凝土的建筑外墻組合構成的空間性的受力構件。因為該體系的這一構成使得其具有極大的強度和剛度,并且該體系內的各個受力也比較合理,抗震抗風的能力比較強,所以該結構體系常常會被應用于一些跨度比較大、空間比較大或者是一些超高層的高層建筑中。
2.各結構類型的設計方案
目前,我國的高層建筑結構都是有帶有豎向抗側力放入建筑構件,通過與水平樓板的連接而構成的大型的空間結構體系。由于該結構體系的復雜性,如果完全依照三維空間的結構進行分析時無法達到較高精確度的,所以,其設計方法種類也比較多。
2.1彈性假定
目前,在我國的建筑中比較實用的、對高層建筑的結構體系能夠進行精確分析的方法是彈性的計算方式。由于受到垂直荷載或者是受到了一般風力的作用,高層建筑的結構則通常會處于一種彈性的工作階段當中,從建筑結構體系的實際受到了罕見的臺風或者是地震的作用時,其內部結構常常會產生比較大幅度的位移,這時,建筑物的主體便會出現裂縫,該結構便進入到了彈塑性的工作階段之中。在此時,如果仍然使用彈性的方式來計算結構的位移與內力時,則無法真實、準確的反映出該結構體系此時真實的工作狀態。如果想要將結構此時真實的工作狀態反映出來,則需要以彈塑性的動力計算方法對結構進行設計。
2.2小變形假定
在高層建筑中,小變形假定法是一種被各種設計方法普遍使用的一種基本形式的假定方式。但是,目前我國由不少的專家學者與相關的研究人員開始對幾何中的非線性問題,即P―效應進行了一些相關性的研究。經過了一段時間的研究和總結,專家學者與研究員中的大部分人都認為:當建筑頂點部分的水平位移同高層建筑物的高度H二者之間的比值為/H>五百分之一時,P―效應的影響則不能夠被忽視,需要計算到高層建筑結構的設計當中去。
2.3剛性樓板假定
目前,我國大部分的高層建筑結構體系的分析方法大部分都是以建筑物的樓板在其自身這一平面內的剛度是無線大的為假定,對于建筑物自身平面外帶有的剛度則是忽略不計。由此可以看出,該設計方法在極大程度上減少了高層建筑結構體系的自由度,在一定程度上使得計算方法被簡化。并且,假定方式還為那些在空間上采用了薄壁桿件的理論在對筒體體系的結構進行計算時提供了較大的便利[4]。通常來講,受其自身計算方式和計算時相關的因素的影響,使得該方式比較適用于高層建筑中的框架和剪力墻兩大體系。但是,對于那些豎向的剛度會出現突變情況的高層建筑結構體系,樓板的剛度相對較小,且主要的抗側力的構件之間的間距過大或者是樓層數比較少的高層建筑,樓板出現變形時會產生較大的影響。
結論
總而言之,伴隨高層建筑在我國建筑工程行業的不斷發展,使得其將成為我國未來建筑行業的重要建筑類型之一。并且,由于各項能夠全面的滿足高層建筑的科學技術、建筑施工材料、形式與力學分析模式的逐漸發展與日益的復雜多元化,使得未來高層建筑的結構類型也將不斷的增多,其設計方式也會隨之不斷的增加。因此,為了能夠在未來的社會發展中不被淘汰,繼續的受到人們的歡迎,創新高層建筑的結構類型,追求更具有合理性的力學模型,將成為高層建筑設計師必須要研究和學習的問題。
參考文獻
[1]趙麗清.淺談高層建筑結構分析與設計[J].山西建筑,2007,14:68-70.
[2]胡文湛.淺談高層建筑結構分析與設計[J].江西建材,2006,01:27-29.
篇2
關鍵詞:超限高層;性能抗震設計;彈塑性時程分析;塑性鉸
1工程概況
該工程位于成都市龍泉驛區世紀廣場的東北方向,占地面積約1.33hm2,地塊呈較規則的矩形;地上36層,地下2層,建筑總高度169m,總建筑面積約為88018m2。大樓使用功能設定為甲級寫字樓,其中地下一層、二層為汽車庫及設備用房、廚房;地上一層為大樓門廳、管理用房等;二~三層為餐廳;四~六層為茶房、健身、會議;七~三十三層均為辦公(十四、二十六為避難層,二十五層為會議層);三十四層為避難層和設備層;三十五層為會所層;三十六層為會所夾層。地下室底板頂面埋深-10.800m。房屋層高:地下室為5.4m,七層及以下為5.4m、4.5m,上部塔樓主要為4.0m,個別樓層為4.5m、5.4m。
2結構設計
丙類建筑,安全等級為二級,設計使用年限為50年。設防烈度7度(0.10g),設計地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類,場地特征周期取0.45s,多遇地震影響系數最大值取αmax=0.094(根據安評報告);地面粗糙類別為B類,基本風壓取為0.35kN/m2(按100年重現期的風壓值)。
2.1塔樓
該工程建筑總高度為169m,為B級高度的高層建筑。塔樓采用框架-核心筒結構,地面以上框架柱大多數為凸字形,框架柱截面從1300mm×1300mm逐漸變到1300mm×600mm,核心筒剪力墻厚度由800mm變到400mm。核心筒內部剪力墻厚度為200mm~300mm。框架柱及剪力墻混凝土強度等級為C60-C30。上部塔樓結構布置采用單向梁體系,梁間距2250mm,梁兩端分別支承于核心筒和框架梁、柱上,角部為雙向梁。辦公區的建筑空間凈空要求梁高不大于800mm,框架梁截面為400mm×750mm,內部框架梁截面為300mm×750mm。塔樓內樓板厚度100mm,會所及夾層樓板厚120mm,根據建筑功能要求,一層局部抽柱,采用型鋼混凝土梁柱轉換。
2.2地下室
該工程塔樓與地下室連成整體,地下室采用框架結構現澆梁板體系。柱混凝土強度等級為C60,梁板混凝土強度等級為C30。地下一層板厚120mm;一層作為塔樓的嵌固層,板厚180mm。
2.3結構抗震等級
該工程塔樓及塔樓地下室框架的抗震等級為一級、剪力墻為一級;塔樓外地下框架抗震等級為三級。
2.4地基基礎
該工程塔樓采用樁筏基礎,筏板厚3.0m,樁為人工挖孔樁,樁長20m,樁身直徑1.5m,樁底擴大頭4m,以中風化~微風化泥巖為樁端持力層,單樁承載力23950kN,間距5.5m梅花型滿堂布置。純地下室采用柱下獨立基礎加防水板,置于粘土層上,地基承載力特值fak不小于220kPa。
3超限情況
[1](1)該工程屬于B級高度的框架核心筒結構。(2)不滿足規范“相鄰層剛度變化不大于70%或連續三層變化不大于80%”的要求,但很接近。(3)豎向構件不連續,在二層抽了兩根柱,采用型鋼桁架,型鋼柱轉換。
4抗震性能目標
該工程的超限情況主要為高度超限,沿建筑設較密的框架柱,雖不滿足筒中筒的條件,但近似筒中筒的工作機理??拐鹦阅茌^好,故將抗震性能目標預定為D級[3]。(1)小震:主體結構震后不受損壞,允許個別延性構件出現輕微裂縫,不需修理即可繼續使用。(2)中震:主體結構震后產生一定的損壞,重要構件輕微損壞,連梁及框架梁等耗能構件出現中等程度損壞,有明顯的裂縫;經過一般性修理后仍可繼續使用。(3)大震:主體結構震后發生明顯損壞,大部分構件進入屈服,有明顯的裂縫;連梁及框架梁等耗能構件嚴重損壞;結構不發生倒塌,人員生命安全可以得到保證。
5結構計算分析
5.1整體計算結果
采用SATWE和PMSAP兩種軟件進行結構彈性階段的計算分析,并將兩者計算結果進行對比分析,采用合理值進行設計如表1所示
5.2彈性計算分析
(1)扭轉周期比為0.69,說明結構扭轉效應不大,結構抗側力構件布置較合理。(2)最大扭轉位移比為1.19,說明結構扭轉剛度較好,結構平面布置較好。(3)結構前兩個周期均為平動周期,振型分布合理,衰減較快,達到了較理想的效果。(4)層間位移角曲線平滑,無突變,結構豎向剛度均勻,無明顯薄弱層。(5)柱的最大軸壓比為0.73,剪力墻的最大軸壓比為0.50,如圖2所示。軸壓比控制較好,可以保證在大震下結構的延性。(6)從SATWE和PMSAP兩種不同力學計算模型的彈性計算結果可以看出,其主要計算指標比較吻合,無明顯差異,構件的配筋基本一致。計算結果與概念設計的預期基本一致,證明計算結果的正確性。
5.3時程分析
(1)采用SATWE的彈性動力時程分析程序進行多遇地震下彈性時程分析,按建筑場地類別和設計地震分組選用了SATWE地震波庫中的兩組實際地震記錄(TH1TG045和TH2TG045)和《場地地震安評報告》提供的擬建場地的兩組場地人工模擬加速度時程曲線(P5063-1和P5063-2)。由于實際地震記錄偏小,對兩組實際地震記錄的地震力取放大系數2。多遇地震彈性時程分析結果表明:每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法的65%,多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法的80%,計算結果滿足“高規”4.3.5條的要求。(2)采用EPDA軟件進行了整體結構的中震動力時程分析,選取一條人工波(P5010-1)和一條天然波(TH1TG045),時間步長0.02s,阻尼比為0.05。分析結果表明,框架柱完好無損,核心筒剪力墻頂部出現裂縫,但不嚴重;部分構架及框架梁端有明顯的裂縫,進入屈服階段,如圖4所示,可以實現中震可修的目標.(3)采用EPDA軟件進行了整體結構的大震動力時程分析,選取一條人工波(P502-1)和一條天然波(TH4TG045),時間步長0.02s,阻尼比為0.05,如圖3所示。分析結果表明,大震下結構塑性層間位移角滿足規范要求,核心筒剪力墻出現一定數量的裂縫,但不嚴重,塑性鉸主要出現在剪力墻連梁或框架梁端上,如圖3所示,為理想的“梁鉸”機構,具有良好的耗能能力,達到性能設計的目標。
5.4性能抗震設計分析
(1)通過大震下的塑性鉸分布圖,并結合圖4和圖5可以看出,隨著時程分析的進行,頂部混凝土構架梁端首先出現塑性鉸,接著頂部剪力墻出現受拉裂縫,而后框架梁端和核心筒連梁大量出鉸,最后底部剪力墻部分出現受壓裂縫。(2)梁的塑性鉸主要出現在框架梁和核心筒連梁處,出現大量破壞。墻體有受壓(結構底部),受拉破壞(結構頂部),但未出現大量破壞??蚣苤旰茫闯霈F破壞。(3)以上分析可見,框架梁和核心筒連梁作為結構的第一道抗震防線,出現大量破壞,吸收和消耗掉大部分地震能量,為合理的“梁鉸”耗能機構和破壞機制。剪力墻作為結構的第二道抗震防線,墻體頂部和底部出現裂縫,但未出現大量破壞,可判定為結構的“薄弱部位”,設計時對該部分采取有效的加強措施。框架柱完好,分析原因為嚴格控制了柱的軸壓比,安全儲備較多。
5.5性能抗震設計目標實現情況
(1)小震:彈性時程分析的結果與振型分解法的結果基本一致,結構完好損傷,不需修理即可繼續使用,能夠實現小震的設計性能目標。(2)中震:核心筒剪力墻頂部出現了輕微的損壞,連梁及框架梁等耗能構件發生中等損壞,進入屈服階段,整體結構基本完好,經修理后可繼續使用。設計時,按中震不屈服和小震彈性計算結果的較大值進行剪力墻薄弱部位的設計,進一步提高整體結構的抗震性能,以滿足中震的性能設計目標。(3)大震:核心筒剪力墻底部和頂部出現部分裂縫,但不嚴重。連梁及框架梁大量出現塑性鉸,形成了良好的耗能機構。對剪力墻薄弱部位采取加強措施后的墻體塑性區域明顯較少,且通過從嚴執行《高規》第7.2.16條關于B級高度結構剪力墻的相關規定[2],使得整體結構的延性得到一定的提高,具有更好的抗震能力,保證了大震下“壞而不倒”的性能目標D的要求,且結構的實際抗震性能目標接近C級。
6超限的處理措施及對策
6.1針對房屋高度的超限及薄弱部位,采取以下措施
(1)結合建筑造型,沿建筑設較密的框架柱,從計算結果看,設密柱后結構側向剛度較大,最大位移值和層間位移角均較小,有效提高了建筑的安全度和舒適性。(2)加強核心筒底部加強區及頂部三層墻體的豎向構件設計。①該部位墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率提高到1.3%,配箍特征值放大1.1倍。②塔樓底部加強區的框架柱全高采用井字復合箍,且不小于,以提高框架柱的延性。柱全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率提高到1.2%;最小配箍特征值比規范規定值提高0.01。嚴格控制加強區框架柱的軸壓比不超過0.7[2]。(3)其余位置的剪力墻從嚴執行《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.16條關于B級高度結構剪力墻的相關規定。
6.2針對“相鄰層剛度變化不大于70%或連續三層變化不大于80%”的超限
(1)按規范要求薄弱層地震剪力放大為1.15倍。(2)相關樓層的墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率提高到1.3%,配箍特征值放大1.1倍。(3)相關樓層的框架柱全高采用井字復合箍,且不小于,以提高框架柱的延性。柱全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率提高到1.2%;最小配箍特征值比規范規定值提高0.01。6.3豎向構件不連續,在二層抽了兩根柱(1)采用型鋼桁架,型鋼柱轉換,增加構件的延性。型鋼梁柱剛接,型鋼柱一直延伸至基礎,自成穩定體系。(2)加大與轉換桁架相接的框架梁配筋。(3)加厚轉換桁架上下弦桿處樓板為150mm,且提高樓板的配筋率到0.5%,以加強對桁架的平面外約束。7結語本文詳細論述了該項目的超限情況、結構設計、彈性計算分析、彈塑性時程分析、基于性能的抗震設計分析,以及針對薄弱部位和超限情況所采取相對應的抗震措施等內容。結構分析結果表明,該結構各項指標均符合國家規范要求,具有良好的抗震性能。本文基于性能抗震設計的分析應用是合理有效的,可為同類超限工程提供一定的參考意義。
參考文獻
[1]建質[2015]67號.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].2015.
[2]JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.
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關鍵詞:高層建筑;分析方法; 發展歷程
中圖分類號:TU208文獻標識碼: A
引言
我國高層建筑五十年代開始自行設計、建造,六十、七十年展很快,進入八十年展更為迅速,鋼結構開始應用,這對高層建筑結構的計算提出了許多新的要求。[1]上世紀90年代至今,高層建筑的興建呈現數量多,層數多,體型復雜等趨勢,典型的有廣州國際大廈、深圳帝王大廈、上海金茂大廈和環球金融中心。[2]
高層建筑的大發展,給相應的計算理論一實驗一計算機應用以有力促進.下面概述我國高層建筑結構計算方法的發展和展望。[4]
1以手算為基礎的各種算法
50 年代至70 年代后期由于計算機條件所限,高層建筑結構設計基本上是手算。四大常規結構是當時主要結構形式,不同的結構體系決定了不同的計算方法。[4]
1.1框架結構體系
在豎向荷載作用下,多跨多層剛架的線位移影響很小,一般可忽略不計。常用的分析方法有力矩分配法和分層法(圖1),其中分層法除忽略側移影響外,還忽略每層梁的豎向荷載對其他各層的影響。
在水平荷載作用下,常用的分析方法有反彎點法,廣義反彎點法即D值法,無剪力分配法和迭代法。其中廣義反彎點法在推導反彎點高度比和側移剛度時考慮了結點轉角的影響,修改后的側移剛度用 表示,故又稱D值法。該法物理概念清楚,計算簡單,精度較高,又有相應的表格可供查用,受到廣大工程設計人員的歡迎。
(a)原結構 (b)分層計算簡圖
圖1分層法
1.2 剪力墻結構體系
理論分析與試驗研究表明,剪力墻的工作特點(圖2)取決于開孔的大小?!陡咭帯方o出了各類剪力墻劃分判別式:當墻整體系數a≥10,墻肢不出現反彎點時,可按整體小開口墻算法計算,當a
整體小開口剪力墻,可按材料力學方法略加修正進行計算。雙肢(或多肢) 剪力墻一般是采用連續化方法,以沿豎向連續分布的連桿代替各層連梁的作用,用結構力學力法原理,以連梁跨中剪力為基本未知量,由切口處位移協調條件建立二階常微分方程組,梁啟智用解微分方程組法解了多肢墻,并把此方法推廣到空間剪力墻結構。文獻〔16〕在引入各墻肢在同一水平上側向位移相等,且在同一標高處轉角和曲率也相等的假設后,把多肢墻的微分方程組合并為一個方程求解。
(a)整體墻 (b)獨立墻肢(c)小開口墻 (d)聯肢墻(e)壁式框架
圖2不同工作特點的剪力墻
1.3框架-剪力墻結構體系
目前基本的手算方法是微分方程解法將結構單元中所有的剪力墻合并為彎曲剛度為EIw的總剪力墻;將所有框架合并為剪切剛度為Cf的總框架;將所有連梁合并為附加剪切剛度為Cb的總連梁(圖3)。由剪力墻與框架的位移協調條件建立微分方程求解這類方法都編制了現成的計算圖表供設計時直接查用,并推廣到板柱體系和二階變截面的情況。
無剪力分配法同樣適用于框剪結構分析。
圖3框架-剪力墻結構體系
1.4底層大空間剪力墻結構體系
底層為框架的剪力墻結構是適應底層要求大開間而采用的一種結構型式,稱為底層大空間剪力墻結構.這種結構由于上部墻體與底層框架的不同性質,給計算帶來一定的困難.包世華采用分區混合法求解[5,6]。對上層剪力墻部分(包括壁式框架),仍可采用普通剪力墻計算中采用的假定,連梁用連續連桿代替,取連續連桿的剪力為基本未知量,在連續連桿切口方向建立變形連續方程(力法方程);底層框架部分,采用了同層各結點水平位移相等,同層各結點轉角相同的假定,取底層框架的結點位移為基本未知量,對框架結點的位移方向建立相應的平衡方程(位移法方程),用混合法求解,方法簡單,精度較好。
(a)上部結構用鏈桿連接(b)上部結構用剛性薄片聯系
圖4落地墻與框支墻協同工作
1.5筒體結構體系
為了能方便實現筒體結構的簡化計算,國內外學者提出了許多近似計算方法。
一類方法是采用降維的辦法,將框筒轉變為平面框架進行分析,這方面的代表是展開平面框架法和等效角柱法,將空間三維框筒等效為平面框架后,可采用平面框架程序略加修正后進行分析。
另一種方法是將框筒變為等剛度的實體筒,然后采用連續體力學求解。對于圓形筒
體已經采用圓柱殼無矩理論進行分析一般形狀的筒體,采用能量法分析的相當多不過,
有限條法有更大的實用價值,采用樓蓋虛條、連梁虛條、框架虛條是有限條的一個新
發展。
(a)筒中筒結構 (b)框架-筒體結構 (c)多筒體結構
圖5筒體結構體系
2. 以桿件為單元的矩陣位移法
80 年代,我國計算機得到發展,微型計算機進入到科研及工程設計單位,90 年代486 機已很普及,伴隨計算機的發展,結構矩陣分析與程序設計也隨之得到迅速的發展,目前,微機在高層建筑結構分析中已不可或缺[7]。
2.1高層建筑結構協同工作分析法
協同工作分析首先將結構劃分為若干平面壁式框架,然后引人樓板剛度無限大的假定,考慮樓層水平力的平衡條件,可以建立聯系樓層位移u、v、θ及樓層荷載Px、Py、Mt的位移法方程:
(1)
即:
(2)
求解此方程可以得到樓層位移而計算各片框架分配的水平力,最后進行平面框架分析求得桿件內力。
圖6協同工作分析法計算圖形
2.2高層建筑結構空間結構分析法
進入80 年代以后,國內高層建筑框筒和復雜體型結構增多,結構空間作用十分明顯,必須考慮其空間的協調性,因而發展了空間桿系(含薄壁桿) 分析法,為了區別于空間協同工作分析法,通常稱為三維空間結構分析法。此法以空間桿件為單元,以結點位移( 三個線位移,三個角位移;對薄壁桿結點還多一個翹曲位移) 為基本未知量,按空間桿結構建立平衡方程求解??臻g桿系分析方法較少受形狀、體系限制,應用面很廣,但未知量極多,要求大型、高速計算機.為便于在工程中應用,仍保持樓板剛性的假定,用樓面公共自由度( 平移u、v,轉動θ) 代替層各結點相應的自由度,未知數可減少30 % 以上。
這類程序目前已經商品化,有代表性的微機程序如建研院結構所的TBSA、TAT、建研院計算中心的STWZ、南京市建筑設計院的504分析程序及清華大學建筑設計研究院ADBW程序等.ADBW程序區別于以往多數程序所采用的薄壁桿件剪力墻單元,而采用了另一種新型剪力墻單元,即每道剪力墻同一層內豎向將兩端的柱和墻在交界處切開,上下層之間用一根平面內抗彎剛度無窮大,平面外抗彎剛度為零的特殊剛性梁連接.這種剪力墻單元在整體結構計算中顯得較為合理。
4. 多種單元組合的有限元法
進入90年代,隨著我國高層建筑功能的不斷增多,結構的平面布置和豎向體型更趨復雜,對結構分析提出了更高的要求?,F階段的部分高層建筑的樓板開有大孔洞,從而破壞了樓板的平面內無限剛的假定,轉而應考慮樓板變形的影響;部分高層建筑具有復雜的空間剪力墻,如開有不規則的洞口、平面復雜的芯筒等;為了實現建筑功能的轉換,不少高層建筑使用了轉換結構,包括轉換大梁、轉換桁架和轉換厚板等。對于這些高層建筑,已不能再用單一桿件單元的計算模型去描述了,樓板平面內無限剛假定在樓板有較大削弱情況下也無法成立,這就促使人們探討更合理和更符合實際的計算模型和計算方法,這就是多種單元組合的有限元法。該方法將高層建筑結構離散為彈性力學平面單元、墻元、板元和桿元的組合結構,可以對高層建筑進行更細致、更精確的結構分析。但該法涉及更大量的未知量,需求解出更大量的方程組,對計算條件也有更高的要求??尚业氖牵晡覈嬎銠C技術在質和量等方面均有了很大的飛躍,為我們提供了強有力的計算工具,并促使其進一步完善。
為適應多種單元組合的有限元分析,針對不同的結構類型及計算要求,選用合適的通用或專用計算程序,對設計工作有著重要意義。目前,在高層建筑結構分析中,用得較多、影響較大的還是引進的SAP系列程序和ADINA程序。
5. 結構動力特性和直接動力分析
結構自振周期在計算機分析時可以由剛度矩陣[K]的特征值分析求得,實測結果表明這種方法是比較準確的。
為適應手算和微型機計算,近似計算方法也得到了發展,如逐次疊代法、擬厚板法,前者假設初始頻率ω后,回代計算慣性力Fj,以頂層FN=QN為條件修正ω。反復計算至收斂;后者將高層建筑作為正交異性板,建立板振動方程求解。
直接輸人地震波對高層建筑進行動力分析可以更確切地反映建筑物在地震過程的各種性能。1978年以后,這領域的研究和應用進展迅速.高層建筑可以作為一個多質點系統,在地震過程中的振動方程為:
(3)
對于已知的地震加速度記錄z(t),可以對時間t求解上述方程,便可求得結構在地震過程中任一時刻的反應。
工程中應用最廣泛的是分層模型,結構質量按樓層集中,結構剛度由層彎曲剛度和層剪切剛度來代表。這一模型較好地反映了高層建筑結構的特點,所用的機時也較少(圖7)。
另一方面,更為精細的桿件模型也得到了發展,但由于所需機時較多、計算機容量較大,目前應用較少。
考慮樓板變形影響,采用并列多質點計算模型的方法也在研究中(圖8) 近年來,考慮扭轉振動、斜向輸人雙向地震波的動力分析方法也取得了進展。
表達構件彈塑性性質的回線模型,目前多采用退化雙線性、三線性和四線性等幾種形式。積分方法一般采用β法或θ法。
一些研究通過彈塑性動力分析得到彈塑性反應位移值與彈性反應位移值的比較,得到從彈性反應位移預估彈塑性反應位移的方法。
圖7動力分析層模型圖8并列多質點模型
6. 近期進一步研究的課題展望
(1)改進把剪力墻和筒體結構簡化成桿件的不盡合理的計算簡圖,由空間桿件向空間組合結構發展。進一步提供計算復雜三維空間結構的計算方法和程序。
(2)開發更優的鋼結構和鋼-混凝土混合結構計算方法及其程序。
(3)筒體結構的簡化計算方法,提出能用于施工圖設計的手算方法,以便于校驗。
(4)解析、半解析求解器方法的進一步完善和系列化,推出更優的商品化程序。
(5)建立多維地震波鋼筋混凝土空間復雜體型的桿系-層模型時程分析法及其程序,研究廣義坐標下桿系-層模型的新的計算理論,建立廣義坐標下桿系-層模型時程分析應用程序。
參考文獻
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篇4
關鍵詞:高層建筑 方案設計 結構分析
Abstract: with China's rapid economic growth in the city, more and more high-rise buildings, which is a development trend. Through the design of high-rise building structure characteristic, elaborated the system structure design of high-rise building structure design, and analyzes the problems.
Key words: high-rise building, scheme design, structure analysis
中圖分類號 : TU3文獻標識碼: A 文章編號:
引言
隨著我國經濟的快速增長,城市規劃用地日趨緊張,發展高層建筑是城市未來的趨勢。高層建筑堅實的物質基礎是隨著科學技術進步和經濟發展帶來的。如今建筑功能的的多樣化使人們提出了更多和更復雜的要求,出現了許多復雜的不規則的高層。在建筑行業內部有些人員忽略了其結構設計的根本所在,有些設計人員過分依靠設計軟件,盲目的生搬硬套,造成建筑結構設計無法一次性完成。所以,本文對建筑結構設計、計算分析等問題深入的進行一次分析探討,希望能對建筑結構設計的同行起到積極的作用。
1、高層結構方案的設計
現在許多建筑結構工程師太多依賴結構設計軟件,對設計軟件的結果盲目的生搬硬套,結構工程師對結構的體系、結構的布置符不符合規范,或者算出的信息和實際的情況是不是一致,是不是真實可靠都只是用結構計算軟件來設計和計算,雖然能設計和計算出一個結果,但是這些的結構設計結果是需要設計師來判斷正確與否的,這就需要結構工程師自身有較高的結構水平、對軟件的深入了解以及對規范的熟悉程度。
在實踐中,設計人員的建筑設計方案和結構設計是相互協調、相互影響的,在初步設計之前做的工程項目來設定一個總體方案是概念設計的目的,根據使用功能、設計意圖、現場的建筑條件、材料的來源以及業主對項目資金的使用等許多方面因素的要求,這樣對下一步的設計、施工和維護使用能做到又快又省力。根據高層建筑結構的自身特點,比如設計施工比較復雜或者對施工技術要求比較高,投入資金又很大,加上地基結構的特殊性,這樣結構的優化設計并不能帶來綜合經濟效果的最優化,例如在高層建筑的深基坑支護設計施工過程中,直接放坡不需要用支護來設計的結構方案是比較經濟的的方法,但是后果可能會出現深基坑變形和變大,造成施工工期延長導致資金回報慢一些因素,第二,選擇一個適合的結構設計體系也是要在建筑結構概念設計過程中解決好的問題。目前來說,高層建筑結構體系分幾種類型:①剪力墻結構;②框架結構;③框架剪力墻結構④框架核芯筒結構;⑤筒中筒結構;在這么多的結構體系中,讓設計師們可供選擇一種或幾種結構體系用來備選,在建筑結構概念設計時確定。透過建筑結構的計算和各個方面的技術經濟比較確定最為經濟合理的結構設計體系。
2、高層建筑結構設計分析
2.1、模型的計算
建筑結構設計的重要內容之一是結構分析,通過計算來確定結構在各種作用下的效應,研究的結論要能說明和評估真實結構在預設作用下的效應。結構的安全性、經濟學和實用性是否科學合理都是通過結構分析來確定的。結構分析的重中之重都是在于通過模型的計算分析來確定的,它包含理論的計算、合理的選擇計算簡圖,這是研究分析結構的基礎和重點。
在實際中,不管模型分析是哪種,都無法完全精確的描述其真實的結構,都是在實際的結構中取一定程度的近似值。通常情況下,建立模型結構分析時,都會用一些假定,比如結構材料均質連續都是假設的,這樣的假定對結構宏觀力學性能不會產出明顯的誤差,整體的性能的效應都是主要結構構件參與的。但是次要構件與非結構構件對性能的影響都是假定忽略了,就是說忽略了結構中作用較小構件的剛度,通過假定,根據構件在結構整體性能中應發揮的作用來進行確定是否能忽略,可以忽略相對和對主體影響較小的變形。
2.2、理論計算
建模是計算理論的一個重要組成部分,對建筑結構設計的研究理論計算分為兩種:①線性理論;②非線性理論。其中以第一種線性理論比較成熟,是目前結構工程師們對建筑結構設計時普遍運用的一種計算理論。在結構設計的承載力狀態中,極限和正常使用極限狀態都是普遍常用其中。非線性計算理論又分為兩種:①材料非線性;②幾何非線性;第一種是材料、構件以及截面的本構關系。比如荷載與位移,彎短與曲率,應力與應變等等都是非線性的,對于幾何非線性,通常都是結構變形產生內力的二階效應造成荷載效應與荷載之間出現的這種關系。
在選擇兩種計算理論的分析時還是要根據項目的具體情況而定,通常采用線性計算理論分析,因為在一般建筑結構設計時,使用其分析比較簡便。不過在遇到建筑結構跨度大,或者超高層建筑結構設計時,二階效應會使結構變形比較大,所以還是要采用非線性計算分析。
2.3、建筑結構設計的方法
在建筑結構設計時,解析和數值是結構分析時采用的兩種數學方法,通常簡單的結構模型求解中適用于此方法,但是遇到建筑結構復雜,一個數學模型不能被很多建筑結構抽象成一個可以用連續函數表達,并且邊界條件也無法用連續函數表達的情形下,這樣就不能選擇運用這個方法,所以在此情形下就要用數值法求解,數值法又分為有限條,有限單元,有限差分等方法,就目前來看,應用較為廣泛是有限單元法,方法原理是將建筑結構拆分一個有限單元組合體,這樣方便剖析真實的建筑結構和模擬,一般情形下可以模擬幾何形狀復雜結構解析,單元可以按照不同的連接方式組合在一起,但其本身有可以有不同的幾何形狀。在建筑設計時,結構工程師對于有限單元結構分析的常用軟件有ETABS,PKPM,SAP,ANSYS等系列。
2.4、建筑結構概念設計
建筑概念設計是在研究設計方案過程時,通過我們自身具備的經驗基礎,選擇和布置好結構體系,能準確把握好其結構特性,能保證在預期的范圍內把結構在預設的各項作用下控制住,其中的內容包含:①結構選型,②結構平面,③豎向布置,④結構側向剛度控制,⑤溫度作用考慮等。概念設計是結構工程師必須掌握也是很難完全掌握的能力之一,在普遍運用計算機設計的今天,概念設計理念對于判斷結構設計的計算結果的合理性,正確性有很大的作用。
2.5、建筑結構總體布置
我們通過選擇合理的結構體系以及較好的結構布置,使建筑結構設計更加合理科學。往往完美的建筑設計方案的效果也都是需要結構不斷的想辦法去實現的,但是有很多的建筑方案有時候會要求結構犧牲安全性和經濟性去達到建筑的美觀效果,我們應該深入去分析結構的安全性,原則性的問題絕對不能遷就建筑,以防止造成結構功能和安全上的問題。結構布置要全面考慮以下幾個因素方面:
⑴、控制結構的側向變形
建筑的結構一般都要同時承受豎向荷載、水平荷載。水平荷載會使側移隨結構的高度增加而變大,因此,在水平荷載的作用下,如果建筑高度超出一定的范圍后,就會造成結構發生過大側移和相對的位移,有時甚至會嚴重地破壞結構構件,所以,我們要把控制側向位移作為高層建筑結構設計的重點和難點來解決,一般情況下,要以限制結構的高度和高寬比為控制手段。
⑵、平面布置
平面布置的選擇主要是根據建筑工程的實際情況來確定,如果是獨立的結構單元,則采用形狀較為簡單,而且要根據相對應、相協調的原理,剛度和承載力分布要呈現出比較均勻的形狀。此外,根據抗震設計的要求,高層建筑單個的結構單元長度要控制在一定的范圍內,不能太長,否則在發生地震時,結構的兩端可能會出現反相位的振動,這將會導致建筑被過早地破壞,同時威脅到人們的安全。
⑶、豎向布置
為了避免過大的外挑和內收,結構的豎向布置應遵循形體規則、剛度和強度沿高度均勻分布的原則,而在同一層的樓面,要設在統一標高處以防止錯層和局部夾層的情況出現。而在面對高層建筑時,還要注意解決結構剛度和強度發生變化的情況,對于這種情況,應逐漸變化。
⑷、縫的設置和構造
建筑結構的總體布置應該要考慮到沉降、溫度收縮和形體復雜對結構帶來的不利影響??梢岳贸两悼p、伸縮縫或防震纏把結構分成若干個獨立單元,以消除沉降差、溫度應力和形體復雜對結構的不利影響。但如果設縫,就會對建筑的使用要求、立面效果、防水處理帶來不便。因此,在設縫上必須要謹慎對待,盡量能從總體布置上或構造上采取其他有效的措施來減少沉降、溫度收縮和形體復雜引起的問題。
三、小結
高層建筑混凝土結構設計是一個復雜、漫長、重復的過程,如果不想讓整個設計過程中變得更復雜或者設計出的結果造成不安全的因素都必須要仔細和有耐心,不能出現遺漏和錯誤??傊鳛榻Y構工程師,我們要從自身做起,要求自己嚴格按照規范規定進行設計,有時候也要拒絕和不能妥協業主方、投資方提出的無理要求而進行違規操作設計,負責任、認真的工作態度加上日積月累的設計經驗都是成為優秀設計師的結構工程師,只有在不斷學習,不斷總結經驗,對我們自己設計的每一個項目做到負責任的精益求精,才能真正把結構設計做好,成為一個優秀的結構工程師。
參考文獻:
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篇5
【關鍵詞】高層建筑;結構設計
1 常用高層建筑結構體系受力特點分析比較
1.1 框架結構
框架結構體系它是由基礎、樓板、柱、梁這4種承重構件所組成的?;A、柱和梁一起構成平面框架是主要的承重結構。框架結構建筑平面布置靈活,可形成較大的建筑空間,建筑立面處理也較方便;整體性、抗震性能好,具有較好的塑性變形能力。但是,框架結構側向剛度小,當層數過多時,會產生過大的側移,從而限制了框架結構的建造高度。
1.2 框架——剪力墻結構
高層建筑結構設計中通常采用的是框架——剪力墻結構體系,即把框架和剪力墻兩種結構共同組合在一起形成的結構體系,豎向荷載由框架和剪力墻等豎向承重單體共同承擔,水平荷載則主要由剪力墻這一具有較大剛度的抗側力單元來承擔。剪力墻的設置,大幅增加了高層建筑結構的抗側力剛度,使其水平側向位移大幅減??;同時,框架-剪力墻結構的協同工作使各層層間變形趨于均勻,所以框架——剪力墻結構體系的建筑能建高度要顯著高于框架結構。
1.3 剪力墻結構
由墻體承受全部水平作用和豎向荷載的結構體系稱為剪力墻結構體系。剪力墻結構體系屬于明顯的剛性結構,且傳力均勻、直接。其結構的強度和剛度都相對較高,但同時也具有一定的延性。結構在臺風、地震作用等水平大荷載作用下,結構的側向位移能有效控制,具有良好的結構整體性能,抗倒塌能力強,其能建高度大幅高于框架或框架——剪力墻結構體系。
1.4 筒體結構
筒體結構體系由筒體為主的結構稱為筒體結構。筒體結構體系的高層建筑結構具有非常大的強度和剛度,結構體系中各構件的受力分配合理,抗風、抗震性能相對框架——剪力墻結構、剪力墻結構更強,往往應用于大空間、大跨度要求的高層、超高層建筑結構設計中。
2 高層建筑結構設計關鍵技術分析
2.1 水平荷載相對于豎向荷載顯得更為重要
結構需同時承受豎向和水平荷載,低層結構以抵抗重力為代表的豎向荷載為主,而水平荷載所產生的內力、側向位移很小。對高層結構來說,隨著建筑高度的增加,水平荷載隨建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物視作簡單的豎向懸臂構件,構件中由豎向荷載產生的軸力與高度(H)成正比;水平作用產生的彎矩與高度(H)的平方成正比;水平作用產生的側向位移則與高度(H)的四次方成正比。對某一高度確定的建筑,結構豎向荷載的大小基本穩定,而水平方向上風載和地震作用的數值大小往往會隨高層建筑結構的動力特性不同而存在較大幅度的變化。可見,水平荷載對高層建筑結構的影響大,側向位移成為結構設計的主要控制目標之一。
2.2 控制結構側移是關鍵因素
與低層建筑結構的設計不同,高層建筑結構的側移是其結構設計過程中的關鍵決定性因素。隨著建筑高度的不斷增加,水平側向荷載下的結構側移變形會快速增大。側向位移過大將使結構產生附加內力,特別是對豎向構件,附加偏心力超過一定限值時,將會引起整個結構的倒塌破壞;同時,在風荷載作用下,如果側向位移過大,將會引起居住者工作者的不適,在地震作用下,如果側向位移過大,更會讓人感到不安和驚慌。
2.3 結構軸向變形的影響顯著
對于高層建筑結構,由于層數多、高度高,軸力很大,從而沿高度逐漸積累的軸向變形很顯著高層建筑結構中,一般豎向荷載的數值較大,在柱中會引起較大范圍的軸向壓縮變形,對結構體系中的連續梁彎矩大小產生顯著影響。高層建筑的軸向變形的差異會達到一個比較大的數值,從而引起跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大,連續梁中間支座處的負彎矩值減小。
2.4 結構延性的重要性
高層建筑相對于低層或是多層建筑來說結構更柔一些,受到地震的影響后,結構變化更大一些。所以采取恰當的措施保證結構具有足夠的延性,使結構在塑性變形階段仍然具有較強的變形能力。
3 高層建筑結構分析方法簡介
3.1 計算分析基本假定
高層建筑結構要完全精確地分析三維空間結構是十分困難的。需要通過各種分析方法對計算模型進行不同程度的簡化。以下是一些常見的假定:
3.1.1 彈性假定
目前實用的高層建筑結構分析方法都是使用的彈性計算方法。這一假定符合建筑結構的工作狀況,因為在一般風力作用下,建筑結構一般都處于彈性工作階段。
3.1.2 小變形假定
小變形假定也是各種高層建筑結構實用分析方法中普遍采用的基本假定。對幾何非線性問題的研究認為:當頂點水平位移與建筑物高度的比值大于1/500的時候,就必須重視幾何非線性問題的影響。
3.1.3 剛性樓板假定
剛性樓板假定在對高層建筑結構進行分析的時候,一般假定樓板自身平面內的剛度是無限大的,平面外的剛度則為零。這就簡化了計算方法,減少了結構位移的自由度。
3.2 高層建筑結構受力分析方法
3.2.1 框架——剪力墻結構的高層建筑內力與位移的計算分析,大都采用連梁連續化假定??捎煽蚣芙Y構與剪力墻水平位移或轉角相等的位移協調條件,建立位移與外荷載之間關系的微分方程進行求解。
3.2.2 剪力墻結構的受力特性與變形主要取決于墻體的開洞情況。單片剪力墻按其受力特性的不同,可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻等各種類型,不同類型的剪力墻結構其截面應力分布的規律也不相同,計算結構內力與變形位移時需采用相對應的計算方法。
篇6
關鍵字:高層建筑 ;結構設計 ;特點及結構分析
引言:隨著社會經濟的迅速發展,人民物質生活水平的不斷提高,居住條件的不斷改善,高層住宅如雨后春筍一座座拔地而起。一個優秀的建筑結構設計往往是適用、安全、經濟、美觀便于施工的最佳結合。
1.高層建筑結構設計有以下特點
水平荷載成為決定因素。樓房的自重和樓面的使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎曲的數值,僅與樓房的高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎構件中引起的軸力,是與樓房高度的二次方成正比。
軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會對連續梁彎矩產生影響,造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大。
側移成為控制指標。與較低樓房不同,結構側移成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加,水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內
結構延性事重要設計指標。相對于較低樓房而言,高層結構更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力,避免倒塌,特別需要在構造上采取恰當的措施,來保證結構具有足夠的延性
2.高層建筑結構分析
2.1高層建筑結構分析的基本假定
高層建筑結構是由豎向抗側力構件(框架、剪力墻、筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構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:
2.1.1彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下,結構通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時,高層建筑結構往往會產生較大的位移,出現裂縫,進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態的,應按彈塑性動力分析方法進行設計。
2.1.2小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題(P-Δ效應)進行了一些研究。一般認為,當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/H>1/500時,P-Δ效應的影響就不能忽視了。
2.1.3剛性樓板假定。許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大,而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度,簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。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構,樓板剛度較小,主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況,樓板變形的影響較大。特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。
2.1.4計算圖形的假定。高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形有三種:
①一維協同分析。按一維協同分析時,只考慮各抗側力構件在一個位移自由度方向上的變形協調。在水平力作用下,將結構體系簡化為由平行水平力方向上的各榀抗側力構件組成的平面結構。根據剛性樓板假定,同一樓面標高處各榀抗側力構件的側移相等,由此即可建立一維協同的基本方程。在扭矩作用下,則根據同層樓板上各抗側力構件轉角相等的條件建立基本方程。一維協同分析是各種手算方法采用最多的計算圖形。
②二維協同分析。二維協同分析雖然仍將單榀抗側力構件視為平面結構,但考慮了同層樓板上各榀抗側力構件在樓面內的變形協調??v橫兩方向的抗側力構件共同工作,同時計算;扭矩與水平力同時計算。在引入剛性樓板假定后,每層樓板有三個自由度u,v,θ(當考慮樓板翹曲是有四個自由度),樓面內各抗側力構件的位移均由這三個自由度確定。剪力樓板位移與其對應外力作用的平衡方程,用矩陣位移法求解。二維協同分析主要為中小微型計算機上的桿系結構分析程序所采用。
③三維空間分析。二維協同分析并沒有考慮抗側力構件的公共節點在樓面外的位移協調(豎向位移和轉角的協調),而且,忽略抗側力構件平面外的剛度和扭轉剛度對具有明顯空間工作性能的筒體結構也是不妥當的。
3.高層建筑結構設計應注意的問題
3.1地基與基礎設計
地基基礎是整個工程造價的決定性因素,該階段設計過程的好壞將會直接影響到后期設計工作的進行,而且出現在這一階段的問題,有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。所以,結構工程師一直是比較重視地基與基礎的設計。但是,由于我國占地面積較廣,地質條件相當復雜,在地基基礎設計中界定一定的標準,實施一定的規范也是有難度的?,F行的《地基基礎設計規范》無法對全國各地的地基基礎做詳細的描述和規定,因此,在國家標準之下還需建立能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確的地方標準,從而盡量避免因地基問題二造成的對整個結構設計或后期設計工作產生較大影響的問題出現。
3.2高層建筑結構受力性能
建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩定和水平方向的穩定是非常重要的,在一個建筑物方案設計之初,建筑師著重考慮的是它的空間組成特點,而并非是其詳細的結構。因為建筑物的結構必須能將它本身的重量傳至地面,況且結構的荷載總是向下作用于地面的,所以建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系。鑒于以上原因,建筑設計師在建筑設計方案的起始階段,就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布給出總體的規劃和設想。
3.3提倡節約
目前,國家提倡的是建立節約型的發展社會,實行可持續發展戰略。同樣,在建筑工程中,我們也要遵循這一原則。按照我國規范標準建設的大樓還是能進入國際市場的,外國大企業在北京買按我國規范設計的大樓就是很好的證明。但是,從實際狀況來看,由于一些原材料和技術方面的原因,目前我國規范中的構造要求,并非都比外國低,有的已經超過。鑒于目前客觀形勢的,國家經濟實力增強和住宅制度改革現狀等諸多方面的因素,我們可以將現行設計可靠度水平適當提高一點,這樣投入也不大,但對國家總體和長遠利益有利。
4.結語
高層建筑結構設計是個系統的,全面的工作。現如今,隨著高度的增加,豎向結構體系成為設計的控制因素:一個是較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒;另一個更重要的是,側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多,高層建筑結構設計人員必須以精心設計來保證。因此,在設計過程和設計管理過程中,對此必須給予高度重視
參考文獻:
篇7
關鍵詞:高層建筑;結構設計;軸向形變;側移
一、高層建筑結構設計特點
1.水平荷載成為決定因素。一方面,因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎構件中引起的軸力,是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面,對某一定高度樓房來說,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。
2.軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會對連續梁彎矩產生影響,造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響,要求根據軸向變形計算值,對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響,與考慮構件豎向變形比較,會得出偏于不安全的結果。
3.側移成為控制指標。與較低樓房不同,結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加,水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
4.結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言,高樓結構更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力,避免倒塌,特別需要在構造上采取恰當的措施,來保證結構具有足夠的延性。
二、高層建筑的結構體系
1.框架-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置較大的剪力墻來代替部分框架,便形成了框架-剪力墻體系。在承受水平力時,框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載,剪力墻主要承受水平剪力。框架-剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置,增大了結構的側向剛度,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力沿豎向的分布趨于均勻,所以框架-剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。
2.剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時,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。剪力墻體系屬剛性結構,其位移曲線呈彎曲型。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,整體性好,抗倒塌能力強,是一種良好的結構體系,能建高度大于框架或框架-剪力墻體系。
3.筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系。筒體是一種空間受力構件,分實腹筒和空腹筒兩種類型。筒體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。
三、高層建筑結構分析
1.高層建筑結構分析的基本假定
(1)彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下,結構通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時,往往會產生較大的位移,進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態的,應按彈塑性動力分析方法進行設計。
(2)小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題(p-δ效應)進行了一些研究。
一般認為,當頂點水平位移δ與建筑物高度h的比值δ/h > 1/500時, p-δ效應的影響就不能忽視了。
(3)剛性樓板假定。許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大,而平面外的剛度則忽略不計。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構,樓板剛度較小,主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況,樓板變形的影響較大。特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯??蓪⑦@些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。
(4)計算圖形的假定。高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形有三種:①一維協同分析。②二維協同分析。③三維空間分析。三維空間分析的普通桿單元每一節點有6個自由度,按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節點還應考慮截面翹曲,有7個自由度。
2.高層建筑結構靜力分析方法
(1)框架-剪力墻結構。框架-剪力墻結構內力與位移計算的方法很多,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?剪力墻的機算方法,通常是將結構轉化為等效壁式框架,采用桿系結構矩陣位移法求解。
(2)剪力墻結構。剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。不同類型的剪力墻,其截面應力分布也不同,計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構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,機時耗費較大,目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。
(3)筒體結構。筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。
等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。一種是只作幾何分布上的連續化,以便用連續函數描述其內力;另一種是作幾何和物理上的連續處理,將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板,以便應用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應用有連續化微分方程解法、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的墻體離散為等效的桿件,以便應用適合桿系結構的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結構法等。具體應用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結構法。
比等效連續化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按三維空間結構來分析筒體結構體系,其中應用最廣的是空間桿-薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結構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構,這是目前工程上采用最多的計算模型。
四、建筑結構經濟性分析
建筑結構經濟性包括內容注重經濟性的建筑設計包含非常廣泛的內容。傳統中只強調改進建筑材料保溫性、改善建筑體形系數、提高建筑材料的氣密性等一系列節能降耗措施,現在建筑隨著形勢的發展,人們對居住環境不僅從結構性出發,更要在建筑結構的經濟性角度考慮,如空間組織、技術組織、結構設置、能源與資源利用,以及建筑循環再利用等方面全面地確立經濟性的原則、方法。
建筑結構的經濟性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。其中由美國建筑師、工程師R•B•富勒提出的“少費多用”原則是較常用普通的原則。“少費多用(more withless)”原則的含義是,憑借有效的手段或方式,利用最小化的量的材料、資源來投資,目的在于獲得盡可能大的發展效益?!吧儋M多用”原則,順應目前的發展形勢,在建筑堅持可續費發展的思路上,該原則是一條重要的、有效的、節約型的設計方式。
在富勒的實踐中,“少費多用”原則最具代表性地表現在他對空間結構及建材應用的創意中。他的短桿網架穹隆結構體系(geodesic dome )被稱為人類迄今為止最輕、最高效、最為有力的空間圍合手段,在造型、尺寸、材料選用上具有很大的靈活性,且造價低廉、營造方便。另外,F•埃斯克里格的自成型結構、T•達蘭德對摩天樓張力結構的探索也都從不同側面詮釋了“少費多用”原則。
“少費多用”原則還體現在建筑空間組織、利用的高效化方面。原則堅持對平面面積的充分利用,還注重三維空間的挖掘。比如某市圖書館設計中提出了“ 模塊式”圖書館的創作思路,將圖書館劃分成不同的功能模塊,采用不同的層高、柱網,進行類比布局。這樣可以減少“三統一”標準空間所造成的浪費,充分發揮空間效益。某高效空間住宅的設計中則對廚房、廁所的上區、臥區上下等潛在空間進行了有效的利用。將每戶主、次二個開間設置為不同層高,對應于不同的功能使用要求,大大提高了住宅空間的使用效益。
篇8
【關鍵詞】高層建筑結構;結構體系;靜力分析方法
1 高層建筑結構設計特點
1.1 水平荷載成為決定性因素。建筑物自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與建筑物高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩,以及由此在豎向構件中引起的軸力,是與建筑物高度的二次方成正比;另外,對某一定高度建筑物而言,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。
1.2 軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會對連續梁彎矩產生影響,造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響,要求根據軸向變形計算值,對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響,與考慮構件豎向變形比較,會得出偏于不安全的結果。
1.3 側移成為控制指標。與較低樓房不同,結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加,水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
1.4 結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言,高樓結構更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力,避免倒塌,特別需要在構造上采取恰當的措施,來保證結構具有足夠的延性。
2 高層建筑的結構體系
2.1 框架結構體系。一般用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中,由梁和柱通過節點構成承載結構。框架結構可形成靈活布置的建筑空間,使用較方便。但隨著結構高度增加,水平作用使得框架底部梁柱構件的彎矩和剪力顯著增加,從而導致梁柱截面尺寸和配筋量增加,增加到一定程度后,將給建筑平面布置和空間處理帶來困難,影響建筑空間的正常使用。另外,框架結構抗側剛度較小,在水平力作用下將產生較大的側向位移。其中一部分是結構彎曲變形,即框架結構產生整體彎曲,由柱子的拉伸和壓縮所引起的水平位移;另一部分是剪切變形,即框架結構整體受剪,層間梁柱桿件發生彎曲而引起的水平位移。由于框架構件截面較小,抗側剛度較小,在強震下結構整移和層間位移都較大,容易產生震害。因而,框架結構主要適用于非抗震區和層數較小的建筑。
2.2 框架--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置較大的剪力墻來代替部分框架,便形成了框架--剪力墻體系??蚣?-剪力墻結構體系是把框架和剪力墻兩種結構共同組合在一起形成的結構體系。這種結構既具有框架結構布置靈活、使用方便的特點,又有較大的剛度和較強的抗震能力。在承受水平力時,框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架主要承受垂直荷載,剪力墻主要承受水平剪力。框架--剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置,增大了結構的側向剛度,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力沿豎向的分布趨于均,所以框架--剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。
2.3 剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時,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。剪力墻體系屬剛性結構,其位移曲線呈彎曲型。剪力墻結構比框架結構剛度大、空間整體性好,用鋼量較省,結構頂點水平位移和層間位移較小,能夠滿足抗震設計變形要求,且具有一定的延性,傳力直接均勻,抗倒塌能力強,是一種良好的結構體系,能建高度大于框架或框架--剪力墻體系。剪力墻結構往往應用于住宅和旅館客房開間較小、墻體較多的建筑中。
2.4 筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系,包括單筒體、筒體―框架、筒中筒、成束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構件,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構單體,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。
3 高層建筑結構分析
3.1 高層建筑結構簡化計算原則
3.1.1 彈性工作狀態。高層建筑結構的內力與位移按彈性方法計算。在豎向荷載和一般風荷載作用下,結構應保持正常使用狀態,結構通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但對于某些局部構件,由于按彈性計算所得的內力過大,出現截面設計困難,配筋不合理的情況。因此在某些情況下可以考慮局部構件的塑性變形內力重分布,對內力適當予以調整。對于罕遇地震的第二階段設計,絕大多數結構不要求進行內力和位移計算,“大震不倒”通過構造要求予以保證。實際上由于在強震下結構已進入彈塑性階段,處于開裂、破壞狀態,構件剛度已難以確切給定,內力計算已無重要意義。
3.1.2 高層建筑結構應考慮整體共同工作。高層建筑結構在風力和地震作用下,樓層的總水平力是已知的,但這水平力如何分配到各片框架、各片剪力墻卻是未知的。由于各片抗側力結構的剛度、形狀不同,變形特征也不相同,所以不能簡單地按受荷面積、構件間距分配;否則,會使剛度大、起主要作用的結構所分配的水平力過小,偏于不安全。在不考慮扭轉影響時,同層各構件水平位移相同,剪力墻結構中各片墻的水平力大致按其等效剛度分配;框架結構中各片框架的水平力大致按其抗側剛度分配;框架--剪力墻和筒體結構受力較為復雜,要進行專門的計算。
3.1.3 剛性樓板假定。高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度為無限大,而平面外的剛度可以不考慮。在內力和位移計算中,樓板可作為剛性隔板,在平面內只有剛移--平移和轉動,不改變形狀。這一假定大大減少了結構位移的自由度,簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。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構,樓板剛度較小,主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況,樓板變形比較顯著,樓板剛度無限大的假定不適用。這時,對采用剛性樓面假定的計算結果需加以修正,或采用考慮樓面的平面內剛度的計算方法。
3.1.4 計算中應考慮墻與柱子軸向變形的影響。高層建筑結構由于層數較多,高度大,軸力值很大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會使高層建筑結構的內力數值與分布產生顯著的改變。所以軸向變形的影響在結構計算中應當考慮。在考慮軸向變形影響時,要考慮施工過程分層施加豎向荷載這一因素,不能簡單地按一次加載考慮,否則就會出現一些不合理的計算結果。
3.2 高層建筑結構靜力分析方法
3.2.1 框架--剪力墻結構。其內力與位移計算的方法很多,大都采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件,可以建立位移與外荷載之間關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?-剪力墻的機算方法,通常是將結構轉化為等效壁式框架,采用桿系結構矩陣位移法求解。
3.2.2 剪力墻結構。剪力墻的受力特性與變形狀態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,其截面應力分布也不同,計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構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,機時耗費較大,目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。
3.2.3 筒體結構。其分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析。
篇9
關鍵詞:超限高層;錯層結構;加強措施
1工程概況
該工程位于蘭州市七里河區,主樓地上十九層,房屋高度57.35m;裙房二層,房屋高度9.45m。主樓采用鋼筋混凝土剪力墻結構。建筑平面如圖1所示。本工程按8度抗震設防,設計基本地震加速度0.2g,設計地震分組第三組。一~二層(底部商業)為乙類,其余為丙類。場地類別為二類。地上一~二層抗震等級均為一級,其余均為二級。
2結構計算模型及超限判斷
2.1結構計算模型樓層錯層在計算模型輸入時通常有兩種方法:①通過修改節點標高和輸入層間梁、層間板的方式實現。此類方法適用于錯層面積較小的情況,但由于標高繁冗較容易出錯;②增加標準層的方式。此類方法適用于錯層面積較大的情況。兩種方法均能實現相同樓層,標高不同的目的。本工程采用第二種方法輸入模型。依據《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.4.3條規定,當采用錯層結構時,為了保證結構分析的可靠性,相鄰錯開的樓層不應歸并為一個剛性樓層計算。故在計算時,錯層處樓板按彈性膜處理。2.2結構超限判斷(1)樓板不連續:①局部有效樓板寬度小于典型樓面寬50%。即7.8/17.35=45%<50%;②樓板局部錯層如圖2所示。(2)凹凸不規則:平面凸出的尺寸大于相應投影方向尺寸的30%。即20.8×30%=6.24<6.5。(3)扭轉不規則,考慮偶然偏心下,錯層樓層處扭轉位移比大于1.4,小于1.5。由于底部三層裙房局部樓板不連續導致樓層抗側力剛度與樓層抗剪承載力比值較小,但均滿足規范要求。根據住建部《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》具有以上三點的高層建筑工程應進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查。
3結構計算結果分析
根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)第3.4.3條規定,凡具有上述三項或三項以上不規則者均為特別不規則的建筑。故采用《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE》和《復雜空間結構分析與設計軟件PMSAP》(2011年9月版)兩種結構計算軟件進行整體分析比較,以保證力學分析結構的可靠性。并采用彈性動力時程分析、彈塑性靜力時程分析(PUSH)進行了補充計算。通對分析計算,結果表明:①PMSAP與SATWE計算結果基本一致,均滿足相關規范要求。說明SATWE計算能較為真實反映結構實際受力情況,結構整體設計時可采用SATWE計算結果;②彈性動力時程分析,每條時程曲線計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜計算結果的65%,七條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜計算結果的80%。平均反應的最大樓層剪力曲線、最大樓層位移角曲線均小于CQC法計算結果,結構無明顯薄弱層或薄弱部位;③罕遇地震作用下彈塑性靜力時程分析(PUSH),結構在罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性層間位移角最大值1/136,均不大于1/120,在罕遇地地震作用下結構不會出現整體垮塌。
4結構構造加強措施
本工程屬于超限高層建筑,結構設計除滿足規范的一般要求外,還針對不同超限內容采取一定的構造加強措施。4.1凹凸不規則的加強措施整體計算時,采用分塊剛度板假設,將凹凸連接薄弱部位樓板指定為彈性膜,以改善結構變形能力。4.2扭轉不規則的加強措施針對扭轉不規則情況,查找扭轉較大位置的結構構件,加大該部位豎向邊緣構件的配箍特征值,一層至裙房頂上一層剪力墻約束邊緣構件最小構造配筋率不小于1.45%,配箍特征值比規范規定增大10%。周邊墻體中增設暗梁,提高結構延性,降低扭轉不規則帶來的不利影響。4.3樓板不連續的加強措施主要內容:①錯層處樓板按彈性膜輸入;②錯層部位及上下各一層樓板板厚不小于120mm,雙層雙向配筋,單層單向配筋率不小于0.3%。4.4樓板局部錯層的加強措對于結構錯層處剪力墻墻后不應小于250mm,抗震等級提高一級,混凝土強度等級不應低于C30,水平和豎向分布鋼筋的配筋率不應小于0.5%。
5結束語
本工程通過對結構布置的不斷優化,對各種結構電算結果的計算分析,采取相應的結構加強措施,使得結構主要控制指標能滿足規范有關要求,可以達到預期的抗震目標,結構安全可靠。
參考文獻:
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關鍵詞:高層建筑 結構設計 問題分析
中圖分類號:TU97 文獻標識碼:A 文章編號:
一、高層建筑各專業設計的協調
高層建筑設計是個多專業、多程序的復雜系統工程,涉及“建筑、結構、設備”三個基本環節,參與高層建筑設計的工程師都深深體會到,對于每個專業單獨而言是最完美的設計,但結合在一起卻不是優秀的設計。 “建筑、結構、設備”是互相制約的三個有機組成部分,高層建筑設計既是各個專業自我完善的過程,也是各個專業之間互相協調的過程。我們認為在方案設計、初步設計階段一般應以建筑專業牽頭進行各專業協調,在施工圖設計階段則應以結構專業為主進行各專業協調。高層建筑結構設計除了采用合理的結構體系,先進的計算技術外,大量的工作是搞好與其它專業的協調,以便保證結構計算簡圖的實現。
二、高層結構分析設計特點
(1)水平荷載成為決定因素。一方面,因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎向構件中引起的軸力,是與樓房高度的二次方成正比;另一方面,對某一定高度的樓房來講,豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風荷載和地震作用,其數值則隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。
(2)軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會對連續梁彎矩產生影響,造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響,要求根據軸向變形計算值對下料長度進行調整。另外,會對構件剪力和側移產生影響,與考慮構件豎向變形比較,會得出偏于不安全的結果。
(3)側移成為控制指標。與較低的樓房不同結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素隨著樓房高度的增加,水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
三、高層建筑的結構體系分析
(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置較大的剪力墻來代替部分框架,因而便形成了框架一剪力墻體系。在該體系中,框架體系主要承受垂直荷載,剪力墻主要承受水平剪力。剪力墻的設置增大了結構的側向剛度,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。
(2)剪力墻體系。當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時,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均比較高,有一定的延性,傳力直接均勻,整體性好,抗倒塌能力強,是一種良好的結構體系,能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。
(3)筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為簡體體系,包括單簡體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構件,分實腹筒和空腹筒兩種類型。簡體體系具有很大的剛度和強度,各構件受力比較合理,抗風、抗震能力很強,往往應用于大跨度、大空間或超高層。
四、高層建筑結構設計的問題分析
(1)結構選型①結構的規則性問題。新規范對這方面的內容有了較大的變動,增加了相當多的限制條件,例如平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等。因此,結構工程師在遵循新規范的這些限制條件時必須嚴格注意,以避免后期施工圖設計階段工作的被動。②高度問題。按我國現行《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2002)規定,綜合考慮經濟與適用的原則,給出了各種常見結構體系的最大適用高度。對結構的總高度均有嚴格的限制,尤其是新規范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設定為A 級高度的建筑外,增加了B 級高度的建筑。隨著建筑物高度的增加,許多影響因素將發生質變,即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍,如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。③嵌固端的設置問題。由于高層建筑一般都帶有2 層或2 層以上的
地下室和人防設施,嵌固端有可能設置在地下室頂板或人防頂板等位置。在這個問題上,結構設計工程師往往忽視了由于嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的問題,如嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等。而忽略其中任何一個方面,都有可能導致后期設計工作的大量修改或留下安全隱患。④短肢剪力墻的設置問題。在新規范中,將墻肢截面高厚比為5—8 的墻定義為短肢剪力墻,且根據試驗數據和實際經驗,對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制。因此,在高層建筑設計中,結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。
(2)地基與基礎設計。地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面,這不僅僅是因為該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行,同時也因為地基基礎是整個工程造價的決定性因素。由于我國幅員遼闊,地質條件相當復雜,僅依據GB50007--2002{地基基礎設計規范》,無法對全國各地的地基基礎均進行詳細的描述和規定,而地方性的“地基基礎設計規范”則能夠將各地的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確,所以,在進行地基基礎設計時,一定要對地方規范進行深入地學習,以避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。
(3)結構計算與分析。在這一階段,如何準確、高效地對工程進行內力分析并按照規范的要求進行設計和處理,是決定工程設計質量的關鍵。由于新規范中對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進,因此對這一階段比較常見的問題應該有一個清晰的認識①結構整體計算的軟件選擇。在進行工程整體結構計算和分析時,必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件,并從不同軟件相差較大的計算結果中,判斷哪個是合理的、哪個是可
以作為參考的,哪個是意義不大的,這將是結構工程師在設計工作中首要的工作如果選擇了不合適的計算軟件,不但會浪費大量的時問和精力,而且有可能使結構存在不安全隱患。②是否需要地震力放大,考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。該部分內容實際上在新舊規范中均已涉及,只是新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數。③振型數目是否足夠。由于在舊規范設計中并未提出振型參與系數的概念,或即使有該概念,該參數的限值也未必一定符合新規范的要求,因此,在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行判斷,并決定是否需要調整振型數目的取值。④多塔之間各地震周期的相互干擾,是否需要分開計算。一段時間以來,大底盤、多塔樓的高層建筑類型大量出現,而在計算分析該類型高層建筑時,是將結構作為一個
整體并按多塔類型進行計算還是將結構人為地分開進行計算,是結構工程師必須注意的問題。⑤非結構構件的計算與設計。在高層建筑中,往往存在著一些由于建筑美觀或功能要求而非主體承重骨架體系以內的非結構構件。在對這部分非結構構件尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時,由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。