摘要：隨著社會(huì)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基本建設(shè)規(guī)模的大型建筑、高層建筑等結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越多。本文以工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)常用的基本假定和所采用的分析方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)水平載荷

1　建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)

1.1水平載荷成為決定因素

任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都要同時(shí)承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在較低樓房中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也就較小但在較高樓房中盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，水平荷載卻起著決定性的作用。

1.2軸向變形不容忽視

通常在低層建筑結(jié)構(gòu)分析中，只考慮彎矩項(xiàng)，因?yàn)檩S力項(xiàng)影響很小，而剪切項(xiàng)一般可不考慮。但對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，情況就不同了。由于層數(shù)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(huì)使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。

1.3側(cè)移成為控制指標(biāo)

與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能夠可靠地承受風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力還要求具有足夠的抗側(cè)剛度。使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，保證良好的居住和工作條件。

2高層建筑結(jié)構(gòu)的體系類(lèi)型

2.1　框架——剪力墻體系

當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架，便形成了框架——剪力墻體系。在承受水平力時(shí)，框架和剪力墻通過(guò)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。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荷載。框架——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(shí)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——剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

2.2剪力墻體系

當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時(shí)，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(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)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(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架——剪力墻體系。

2.3　簡(jiǎn)體體系

凡采用簡(jiǎn)體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)體體系，包括單筒體、簡(jiǎn)體——框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡(jiǎn)體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類(lèi)型。實(shí)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(kāi)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(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

3結(jié)構(gòu)分析中常用的基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件(框架、剪力墻、簡(jiǎn)體等)通過(guò)水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要完全精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分困難的。各種實(shí)用的分析方法都需要對(duì)計(jì)算模型引入不同程度的簡(jiǎn)化。下面是常見(jiàn)的一些基本假定。

3.1彈性假定

目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)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(shí)際工作狀況。但是在遭受罕遇害地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時(shí)仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)的工作狀態(tài)，應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2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。但有不少學(xué)者與研究人員對(duì)幾何非線性問(wèn)題(JP——效應(yīng))進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移與建筑物高度H的比值/H>1/500時(shí)，P——效應(yīng)的影響就不能忽視了。

3.3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(wú)限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)的自由度，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來(lái)說(shuō)。對(duì)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(duì)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(guò)大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。

3.4計(jì)算圖形的假定

高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形有三種：①一維協(xié)同分析②二維協(xié)同分析③三維空間分析。

4　各類(lèi)結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法

4.1框架——剪力墻體系

框架——剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)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(lái)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�——剪力墻的計(jì)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

剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開(kāi)洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開(kāi)口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開(kāi)洞墻、框支墻等各種類(lèi)型。不同類(lèi)型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計(jì)算內(nèi)力與位移時(shí)需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對(duì)各類(lèi)剪力墻都能適用。伹因其自由度較多，計(jì)算資源耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開(kāi)洞墻、框支剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。

4.3簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分類(lèi)為：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法。

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(lái)分析。這一類(lèi)方法包括核心筒的框架分析法和平面框架予結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開(kāi)平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結(jié)構(gòu)法。

5結(jié)束語(yǔ)

總之，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展，各種計(jì)算分析軟件日益完善的今天，提倡建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用新的思想來(lái)促進(jìn)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性。推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展尋求有效的手段，確立嶄新的建設(shè)觀念，從而創(chuàng)造良好的生活環(huán)境，這是我們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與實(shí)踐的最終目標(biāo)。