关于高层建筑结构计算的分析与探讨

关于高层建筑结构计算的分析与探讨

发表时间：2017-04-18T16:03:30.550Z 来源：《基层建设》2017年2期作者：尹志斌[导读] 在高层建筑结构计算中，由于国内高层建筑发展迅速，建筑高度及层数增加，体型及平面形状日趋复杂，因此它的计算也面临更多挑战，文章对此进行了探讨。

深圳华新国际建筑工程设计顾问有限公司广东深圳 518000 摘要：高层建筑承担着城市高级偶像的作用，它是城市规划宏观把握申必不可少的参照，也是一座城市的文化与美学的体现。在高层建筑结构计算中，由于国内高层建筑发展迅速，建筑高度及层数增加，体型及平面形状日趋复杂，因此它的计算也面临更多挑战，文章对此进行了探讨。

关键词：高层建筑；结构计算；设计引言

随着建设用地的日趋紧张，加之轻质高强材料的开发和设计，计算理论的完善，特别是结构分析手段不断提高，使得高层建筑如雨后春笋般日益增多。建筑高度不断增加，建筑风格日益多样，对高层结构设计提出了新的挑战。本文主要就高层建筑的结构设计与计算进行讨。

1高层建筑结构计算的基本要求如何正确进行结构计算，以满足新规范的要求是每个结构设计人员都必须面对的问题。要做好一个高层建筑的结构设计首先应满足以下基本要求：必须要有规则的结构。高层建筑不应采用严重不规则的结构体系。应具有必要的承载能力、刚度和变形能力，避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力，采取有效措施加强可能出现的薄弱部位。规则平面布置需满足的要求是：结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称减少扭转的影响。在高层建筑的一个独立结构单元内，应使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，不可以采用严重不规则的平面布置。抗震设计的B 级高度钢筋混凝土高层建筑、混合结构高层建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。 2高层建筑结构分析 2.1高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、简体等) 通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的各种实用的分析方法都需要对计算模型引同程度的简化。下面是常见的一些基本假定： 2.1.1 弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算法。在垂直荷载或一般风力作用下。结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况但是在遭受地震或强台风作时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，我们应按弹塑性动力分析方法进行设计。

2.1.2变形假定

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定但有不少人对几何非线性问题( P -△效应) 进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度 H的比值A／ H> F 500时． P 一△效应的影响就不能忽视了。

2.1.3刚性楼板假定

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计这一假定大大减少了结构位移的自由度。简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算简体结构提供了条件。

2.1.4计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：

①维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等吗，由此即可建立一维协同的基本方程在扭矩作用下则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。

②二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作同时计算：扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度 u,v,0 当考虑楼板翘曲是有四个自由度) ．楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程,用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。

③三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调( 竖向位移和转角的协调)，而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度。按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，应有7个自由度。 3结构整体计算的方法 3.1结构整体计算 3.1.1适用高度和高宽比。在带有大型裙房的复杂高层建筑中，计算高宽比的房屋高度和宽度可按裙房以上部分考虑。对于带悬挑的结构，结构房屋宽度应按扣除悬挑宽度厚的结构宽度计算。

3.1.2周期比。如果周期比不满足规范的要求，设计人员就需要增加结构周边构件的刚度，或者在结构的刚度有富余时，适当地降低结构中间构件的刚度，使得结构符合规范要求。

3.1.3位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比的大小是判断结构是否规则的重要依据，设计人员应该正确选用考虑偶然偏心影响的单向地震下的位移比。

3.1.4刚度比是控制结构竖向不规则，避免竖向刚度突变而形成薄弱层的重要指标。限值详见《抗震规范》第3.

4.2 条和《高规》第

4.4.2条规定。

3.1.5层问受剪承载力比是控制结构竖向不规则的重要指标。

3.1.6刚重比是结构刚度与重力荷载之比。该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，应当引起设计人员的足够重视。

3.1.7剪重比 (楼层最小地震剪力系数)也是抗震设计中非常重要的参数。

3.2确定参数合理取值

3.2.1结构基本周期是计算风荷载的重要指标。一般情况下，多层和高层钢筋砼房屋的基本自振周期T 1( 用于风振计算)可按下列公式估算：钢筋混凝土框架 (包括框架——剪力墙)结构钢筋混凝土剪力墙 ( 包括筒中筒剪力墙)结构式中H 为房屋总高度，B为房屋宽度，基本自振周期T 1，也可根据实测资料的经验公式，按下列公式采用：框架结构：T I = ( 0.00 8~0.1)n，框架—剪力墙和框架—核心筒结构T 1

=(0.0 6 ～0.08 )n，剪力墙和筒中筒结构T I =0.05 n

3.2.2振型组合数是在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值

太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量，使计算结果失真。

3.2.3耦联计算时，底层剪重比也应该在合理范围内。对于第一周期小于3.5s的结构，一般为：:7 度、II类土：QW = 1.6％ ~2.8％；8度、I I 类土：Q W=3.2％～5％。

3.2.4正常计算结果的振型曲线多为连续光滑曲线，当沿竖向有非常明显的刚度和质量突变时振型曲线可能有不光滑的畸变点。

3.2.5柱、墙等竖向受力构件的计算轴力N 基本符合柱、墙受荷面积A的与近似应力q 的乘积。

4结语

总之，高层建筑结构计算是一个长期复杂甚至循环往复的过程，在这过程中发生任何遗漏或错误都有可能对结构造成安全隐患。这就需要结构计算人员在工作中严格要求自己，不断学习新规范，力求掌握更为合理的结构计算方法。

参考文献

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[3]徐培福.傅学怡.王翠坤.肖从真.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出饭社，2005．