北京建科源科技有限公司
聯(lián)系人:羅經(jīng)理
手機:13811071710
電話:86-010-53006606
地址:北京市通州區(qū)新華大街北京ONE五號樓1單元2501室
摘 要:圍繞高層建筑結(jié)構(gòu),總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點以及提出了高層建筑結(jié)構(gòu)分析和各種體系相對應(yīng)的方法。為實際高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計提供一定參考。
關(guān)鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)體系;剪力墻
1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
1.1 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(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與樓房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,以及由此在豎構(gòu)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(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)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(shù)值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響,造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小,跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大;還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響,要求根據(jù)軸向變形計算值,對下料長度進行調(diào)整;另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響,與考慮構(gòu)件豎向變形比較,會得出偏于不安全的結(jié)果。
1.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同,結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加,水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大,因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。
1.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)。相對于較低樓房而言,高樓結(jié)構(gòu)更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)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(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?,來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。
2 高層建筑結(jié)構(gòu)分析
2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定
高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件(框架、剪力墻、筒體等)通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要*地按照三維空間結(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:
2.1.1 彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計算方法。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。但是在遭受地震或強臺風(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,進入到彈塑性工作階段。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)的真實工作狀態(tài)的,應(yīng)按彈塑性動力分析方法進行設(shè)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(yīng))進行了一些研究。一般認(rèn)為,當(dāng)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(yīng)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(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)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(jié)構(gòu)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*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)件間距過大或是層數(shù)較少等情況,樓板變形的影響較大。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(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。
2.1.4 計算圖形的假定。高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計算圖形有三種:a.一維協(xié)同分析。按一維協(xié)同分析時,只考慮各抗側(cè)力構(gòu)件在一個位移自由度方向上的變形協(xié)調(diào)。在水平力作用下,將結(jié)構(gòu)體系簡化為由平行水平力方向上的各榀抗側(cè)力構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)剛性樓板假定,同一樓面標(biāo)高處各榀抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)移相等,由此即可建立一維協(xié)同的基本方程。在扭矩作用下,則根據(jù)同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析是各種手算方法采用zui多的計算圖形。b.二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu),但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)??v橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)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(dāng)考慮樓板翹曲是有四個自由度),樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這三個自由度確定。剪力樓板位移與其對應(yīng)外力作用的平衡方程,用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分析主要為中小微型計算機上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序所采用。c.三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點在樓面外的位移協(xié)調(diào)(豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)),而且,忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對具有明顯空間工作性能的筒體結(jié)構(gòu)也是不妥當(dāng)?shù)摹HS空間分析的普通桿單元每一節(jié)點有6個自由度,按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點還應(yīng)考慮截面翹曲,有7個自由度。
2.2高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法
2.2.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)
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。
框架-剪力墻的機算方法,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。
2.2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)
剪力墻的受力特性與變形狀態(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,計算內(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,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(yīng)力分布復(fù)雜的情況。
2.2.3 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三類: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子結(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、平面框架子結(jié)構(gòu)法。
比等效連續(xù)化和等效離散化更為的計算模型是*按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系,其中應(yīng)用zui廣的是空間桿-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)??臻g梁柱每端節(jié)點有6個自由度。核心筒或剪力墻的墻肢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。三維空間分析精度較高,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6Nc+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zui多的計算模型。
3 結(jié)論
隨著高層建筑進一步的發(fā)展,滿足高層建筑的形式,材料,力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元,為了革新高層建筑,體現(xiàn)其魅力,追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向