试论高层建筑结构设计与分析
【摘要】本文分析了高层建筑的现状,高层建筑结构的设计特点,并简单的论述了现有的各种结构体系及其优缺点,最后探讨了高层建筑的分析方法,进一步完善高层建筑结构设计,促进高层建筑的发展。
【关键词】高层建筑;建筑结构体系;分析方法;剪力墙结构 引言
现代高层建筑起源于美国,已有100多年的历史,美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位,其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦(高381m,102层)、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼(417m和415m,110层)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(412m,110层)。近几年来,亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速,而且广泛采用新的结构体系和建筑形式,逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。
我国高层建筑起源于20世纪初的上海,近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开,高度及层数不断突破。据统计,我国高层建筑在数量上已超过万栋,高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止,层数达30层~60层,高度为120m~200m的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市,我国最高的101层492m的上海环球金融中心已经建成。 1 高层建筑结构的设计特点
高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别,不仅仅表现在体量上的差别,它们之间最主要的差别在于以下方面:对于低层建筑来说,它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。所以,设计低层建筑结构时,最主要的控制目标是结构的强度。另外,由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低,所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而,在高层建筑中,结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加,高宽比的加大,尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响,但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大,将成为结构设计时的主要控制因素,起着决定性的作用,成为确定结构体系的关键性因素。因此,结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中,地震作用是动力作用,而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感,风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区,高层建筑往往受地震作用控制,所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。 2 高层建筑的结构体系
2.1 框架结构体系。从结构体系上看,早期多采用框架结构。由于它平面布置灵活,空间大,能适应较多功能的需要,因此成为高层建筑的主要结构形式。但是,框架结构的侧向刚度较小,在一般节点连接情况下,当承受侧向的风力或地震作用时,将会有较大的变形。因此,限制了这种结构形式的建造高度和层数。 2.2 剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求,结合住宅、
公寓和宾馆对单开间的需求,出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置,按照功能要求,设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙,对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的,因此,它允许建造的高度远远高于框架结构。 剪力墙结构的不足之处在于,平面布置的灵活性较差,使用上也受到一定限制。因此,它的适用范围较小,仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑,绝大多数均采用剪力墙结构。
2.3 框架——剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性,但同时又能满足风和地震作用的考验,取框架和剪力墙结构两者之长,形成框架——剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点,而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力,结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求,在适当位置设置一定数量的剪力墙,既是建筑布置需要,又是结构抗侧力需要。因此,框架——剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽,是一种较好的结构体系,已广泛应用。 2.4 筒体结构。筒体结构是近年来发展起来的新体系,它的出现满足了高层建筑更高层数的要求,包括单筒体、筒体——框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能,在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势,为众多高层和超高层建筑结构所采用。 3 高层建筑结构的分析方法
3.1 基于常微分方程求解器的分析方法。
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