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高層建築結構分(fèn)析(xī)與設計
  • 發布日期:2012-08-01      瀏覽次數:1992
    • 摘  要(yào):圍繞高層建築(zhù)結構,總結了高層建築結(jié)構設計(jì)的特點以及提出了高層建(jiàn)築結構分析和各種體係相對應的方法。為實際高層建築結構分(fèn)析與設計(jì)提供一定參考。
       關鍵詞(cí):高層建築結構(gòu);結構(gòu)體係;剪力牆

      1 高層(céng)建築結構(gòu)設計特點
       1.1 水平荷載成為決定因素(sù)。一方麵,因為樓房自重和樓麵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(cì)方成正比;而水平荷(hé)載對結構產生的傾覆力(lì)矩,以及由此在豎構件中引起的軸力,是與樓(lóu)房高度的兩次方成正比;另一(yī)方麵(miàn),對某一定高度(dù)樓房來說,豎向荷載(zǎi)大體上是定值,而作為水平(píng)荷載的風荷載和(hé)地震作用,其數值是(shì)隨結構動力特性的不同而(ér)有較大幅度的(de)變化。
       1.2 軸(zhóu)向變形不容忽視。高層(céng)建築中,豎向荷載(zǎi)數值很大(dà),能(néng)夠在柱中引起較大(dà)的軸向變形,從而會對(duì)連續梁彎矩產生影響,造成連續梁中間支座處的負彎矩(jǔ)值減小,跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大(dà);還(hái)會對(duì)預製構(gòu)件的下(xià)料長度產生影響,要求根據軸向變(biàn)形(xíng)計算值,對下料長度進行(háng)調整;另(lìng)外對(duì)構件剪力和側移產生影響,與考慮構件豎向變形比較,會得出偏於不安全的結果。
       1.3 側移(yí)成為控製指標。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(de)增加,水平荷載下結構的側移變形迅速增大,因而結構在(zài)水平荷載(zǎi)作(zuò)用下的側移應被控製在某一限度之內。
       1.4結構延性是重(chóng)要設計指(zhǐ)標。相對於較低樓房而(ér)言,高樓結構更柔一些(xiē),在地震作用(yòng)下的變形更大一些。為了使(shǐ)結構在進入塑性變形階段後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(gāo)層建築結構分析
       2.1 高層建築結構分析的基本假定
       高層建築結構(gòu)是由豎向(xiàng)抗側力構件(框架、剪力牆、筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體係。要*地按照三維空間結構進行分(fèn)析(xī)是十分困難的。各種實用的分(fèn)析方法都需要對計算模型引入不同程(chéng)度的(de)簡化。下麵是常見的(de)一些基本假定:
       2.1.1 彈性假定。目前工程(chéng)上實用的高層建築結(jié)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,結構通常處於彈性工作階段,這一假定基本符合(hé)結構的(de)實際工作狀況。但是(shì)在遭受地震或強台風作用時,高層建築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(jiē)段。此時仍按彈性方法(fǎ)計(jì)算內力和(hé)位移(yí)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(fǎ)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(dìng)。但有不少人對幾何(hé)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與建築物高度H的(de)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(jiǎ)定。許多高層建築結構(gòu)的分析方法均假定樓板在(zài)自身平麵內的剛度無限大,而平麵(miàn)外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少(shǎo)了(le)結構位移(yí)的(de)自由度,簡化(huà)了計算方法。並為采用空間薄壁杆件理論計算筒體結(jié)構提供了條件。一般來說,對框架體係和剪(jiǎn)力(lì)牆體係采用這一假定是*可以的。但是,對於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(kuàng),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(gèng)為明顯。可將(jiāng)這些(xiē)樓層的剪力(lì)作適當調整來考慮這種(zhǒng)影響。
       2.1.4 計算圖形的假定(dìng)。高層建築結構(gòu)體係整體分(fèn)析(xī)采用的計算圖形有三種:a.一(yī)維協同分析。按一維(wéi)協同分析時,隻考慮各抗側力(lì)構件(jiàn)在一個位移自由度方向(xiàng)上的變形協調。在水平力作用下,將結構體係簡化為由(yóu)平行水平力方向上的各榀抗(kàng)側力構件組成的平(píng)麵結構。根據剛性樓板假定,同一樓麵標高(gāo)處各榀(pǐn)抗側力構件的側移相等(děng),由此即可建立一(yī)維協同的基本方程。在(zài)扭矩作用下,則根據同層樓板上各抗(kàng)側力構(gòu)件轉角相等的條件建立基本方程(chéng)。一維協同分析是各種手算方法采用zui多的計(jì)算圖形。b.二維協同分析。二維(wéi)協同分析雖(suī)然仍(réng)將單榀抗側力構件視為平麵結構,但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構件在樓麵內的變形協(xié)調。縱橫兩方向的抗側力構件共同工作,同時計算;扭矩與(yǔ)水平力同時計(jì)算。在引入剛性樓板假定後,每層樓板有(yǒu)三個自由(yóu)度u,v,θ(當考慮樓板翹曲是有四個自由(yóu)度),樓麵內各抗側(cè)力構件的位移均由這三(sān)個自由度確定。剪力樓板位移與(yǔ)其對應外力(lì)作用的平(píng)衡方程(chéng),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杆係結構分析(xī)程序所(suǒ)采用。c.三維空間分析。二(èr)維協同分析並沒有考慮抗側(cè)力構件的(de)公共節點在(zài)樓麵外的位移協調(豎向位移(yí)和轉角的協調),而(ér)且,忽略抗側力(lì)構件平麵(miàn)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。三維空間分析的普通杆單元每一節(jiē)點有(yǒu)6個自由度(dù),按符拉(lā)索夫薄壁杆理論分析的(de)杆端節(jiē)點還應考慮截麵(miàn)翹曲,有7個(gè)自由度。
       2.2高層建築結構靜力分析方法
       2.2.1 框架-剪力牆結構
       框架-剪力牆結構內力與位移計算的方法很多,大都(dōu)采用連梁連續化假(jiǎ)定。由剪力牆與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件(jiàn),可以建立位移與外荷載之間關係(xì)的微分方(fāng)程來求解(jiě)。由於采用的未知量和考(kǎo)慮因素的不同(tóng),各(gè)種方法解答的具體形式亦不相同。
       框架-剪力(lì)牆的(de)機算(suàn)方法(fǎ),通常是(shì)將結構轉(zhuǎn)化為(wéi)等效壁式(shì)框架,采用杆係結構矩陣位移法求解(jiě)。
       2.2.2 剪力牆結構
       剪力牆的受力特性與變形狀態主要取決於剪力牆(qiáng)的(de)開洞(dòng)情況。單片剪力牆按受力特性的不同可分為單肢牆、小開口整體牆、聯肢牆、特殊開洞牆、框支牆等各種(zhǒng)類型。不同類型的剪力牆,其截麵應力分布也(yě)不同,計算內力與位移時需采用相(xiàng)應的計算(suàn)方法。
       剪力牆結(jié)構的機算方法(fǎ)是平麵有限單元法。此法較為,而且(qiě)對各(gè)類剪力牆都能適用。但因其自由度較多,機時耗費較大,目前一般隻用於特殊開洞牆、框支牆的過渡(dù)層等應力分(fèn)布複雜的情況。
       2.2.3 筒體(tǐ)結構
       筒體結構的分析方法按照對計算(suàn)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(kōng)間分析。
       等效連續化(huà)方法是將結構(gòu)中的離散杆件作等效連續化處理(lǐ)。一種是隻作幾(jǐ)何分布上的連續化(huà),以便用(yòng)連續函數(shù)描述其內力;另(lìng)一種是作幾何和(hé)物理上(shàng)的連續(xù)處理,將離散杆件代換(huàn)為等效的正(zhèng)交異性(xìng)彈性薄板,以便應用分析彈(dàn)性薄板的各種有效(xiào)方法。具體應用(yòng)有連續化微分方(fāng)程(chéng)解法(fǎ)、框筒近似解法、擬殼法(fǎ)、能量法、有限單元(yuán)法、有限條法等。
       等效離散化方(fāng)法是將連續的牆體離散為等效的杆件,以便應用適合杆(gǎn)係結(jié)構的方法來分析(xī)。這一(yī)類方法包(bāo)括核心筒的框架分析法和平麵框架子結構法(fǎ)等。具體應用包括(kuò)等代角柱法、展開平麵框架法、核心(xīn)筒(tǒng)的框架分析法、平麵框架子結構法(fǎ)。
       比(bǐ)等效連續化和等效離散化更為的計算模型是*按三維(wéi)空間結構(gòu)來分析筒體結構體係,其中(zhōng)應用zui廣(guǎng)的是空間杆-薄壁(bì)杆係矩陣位移法。這種方法將高層結構體係視為由空間梁(liáng)元、空(kōng)間柱元和薄壁柱元組合而成的空間杆係結構。空間梁柱每端節點有6個自由度。核心筒或剪力牆的牆肢采用符拉索夫薄壁杆件理論分析,每端節點(diǎn)有7個(gè)自由度,比空間杆增加一個翹曲自由度(dù),對應的(de)內力是雙彎矩。三維空(kōng)間分析精度較高,但它的未知量較(jiào)多(duō),計(jì)算量較大,在不引入其它假定時,每一樓層的總自由度數為(wéi)6Nc+7Nw(Nc、Nw為柱及牆肢數目)。通常均引入剛性樓(lóu)板假定,並假定同一樓麵(miàn)上各(gè)薄(báo)壁柱的翹曲角相等,這樣每(měi)一樓層總自由(yóu)度數降為3(Nc+Nw)+4,這是目前工程上采用zui多的計算模型。

       3 結論
       隨(suí)著高(gāo)層建築進一步(bù)的發展,滿足高層建築的形式,材料,力學分析模型都將日趨複雜多元,為(wéi)了革新高層建築,體現(xiàn)其魅力,追求新的結構形(xíng)式和更加合理的力學模型(xíng)將是土木工程師們的目標和方向

     
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