高层建筑斜撑受力分析研究

高层建筑斜撑受力分析研究

摘要：在现代化、城市化的影响下，我国当前城市可用耕地面积日趋紧张，地价高升使得高层建筑越来越受到关注。近些年，高层建筑也趋于功能化、个性化以及美观化等，对其受力分析与设计提出了更高的要求，在高层建筑中加以斜撑提升建筑承载力，也就受到人们的关注。本文将对某高层建筑斜撑进行受力分析。

关键词：高层建筑；斜撑；受力分析

一、引言

自2000年以来，我国的经济、社会得到迅速发展，人们的生活水平越来越高，更多地人愿意在城市中择业并成家，也就使得城市现代化脚步加快。在人口的聚集以及土地资源缺乏地等问题的影响下，使得高层建筑得以迅速发展。目前，世界第一高楼是2010年1月4日竣工的阿联酋比斯迪拜塔，总高828m，而我国更是拥有世界十大高层建筑中的6个。

随着高层建筑的架构体系越来越复杂，人们对高层建筑的功能、个性以及美观都有了更高的认识，对高层建筑的承载力要求也越来越高，使得建筑中加以斜撑架构作为全新的结构体系出现在人们的视野里。一般地，斜撑架构无需建筑的柱结构来承担水平剪力，使其结构用钢量小，不但能提升建筑的整体刚度，还能使体系的抗侧移刚度得到极大的提升。带斜撑的高层建筑具有结构整体刚度强、抗侧移刚度强、水平地震作用大、房间布置灵活、稳定性强、工期短以及成本低等特点。

二、带斜撑的高层建筑概述

一般地，在高层建筑中，沿竖向布置的抗剪支撑结构及梁柱共同构成了斜撑框架。也就使得建筑中柱更多地承受墙、板和梁的竖向荷载，而水平剪力则由斜撑来承受，这样的架构体系与传统结构相比，用钢量小，不但能提升建筑的整体刚度，还能使体系的抗侧移刚度得到极大的提升。当前，国际建筑业越来越关注该类带斜撑的高层建筑，它拥有良好的结构性能，具有如下特点：

（1）结构整体刚度强，由抗弯刚度公式可知，建筑截面刚度与截面高度的三次方成正比例关系，而带斜撑的建筑起截面尺寸较传统建筑梁柱要大很多，加之斜撑的引入使得其刚度强，是常规钢架结构所不能达到的。

（2）抗侧移刚度强，沿高度而上均匀分布，使得其传力过程简单，是一种较完善的抗侧力结构。

（3）水平地震作用大，斜撑建筑能随意地组合或变幻，主次结构可以运用不同的材料和架构方式，进而能使不规则的高层建筑单元结构规则化，有利于抵抗强风和地震等。

（4）斜撑架构的次结构仅当传力作用，使其柱子无需相连，进而建筑物内可以闲置很多空间或以建立空中绿地楼阁。柱子承受建筑梁间的部分荷载，其截面可以做得很精细，继而能给房间布置提供很好的灵活性。

（5）工期短，一般地斜撑高层建筑可先架柱结构，柱结构完成后进行次结构的施工安装，可以很大程度上降低建筑结构的施工周期。

（6）具有强稳定性和很好的结构性能，能很大程度上节省材料降低工程造价成本，兼备有很强的经济实用性，比如说香港中银大厦节省了约的钢材，降低造价成本达数亿美元。

三、高层建筑斜撑受力分析

（一）分析模型

可以合理地运用等效原理，将复杂的高层建筑结构简化为较易分析的建筑模型，并利用常微分方程等进行求解。带斜撑的高层建筑结构体系主要由交叉斜撑构成，因此可以将其简化为筒结构。本文将对斜撑简化为由连续地内外筒组成的不同尺寸和刚度的闭口薄壁桶结合体。

高层建筑结构的根本部分和上部结构虽然它们的截面尺寸和刚度大不相同，但是它们的形式却几乎一样，对此将高层建筑的基础部分视为上部结构向下延伸的部分；地基模型简化为无限大的弹性地基。

（二）结构的刚度计算

一般地，为充分利用地下空间且根据高层建筑形式，模型的基础结构做的比较大，用以提升其质量和刚度，确保拥有足够的承载力。而能对基础结构进行等效连续化的简化方式，其科学性原理是高层建筑上层结构会制约基础结构，使其不会产生整体变形，基础结构底板的弯曲正应力非常小。

（1）等效拉压刚度

根据相关才力学原理得知：；。所以k=（EA/H1）=EA1，其中；也就是。

（2）等效抗弯刚度

通过等效简化的方法，将斜撑整体分成若干段，每段的刚度是不会有所变化的，而且它等于等根斜撑的刚度。对此根据相关截面材料力学公式，其框架柱截面对框架中心轴的惯性矩为：

（3）等效抗剪刚度

结合等效简化方法与相关力学知识可知：；；所以第一根柱子的等效抗剪刚度（式中λ与τ分别表示整体结构的剪应变和剪应力；k表示截面不匀称系数，矩形中k=1.2）；第二根柱子的等效抗剪刚度；同理该层第n根柱子的等效抗剪刚度。

（4）等效抗扭刚度

方法同上，结合等效简化方法与相关力学知识可知，第n根柱子的等效抗扭刚度。

四、实际案例分析

某高层建筑其上部结构总高为90m，共计30层，其基础层高12m，框架结构规格为30m×30m，框架柱、梁间距分别为6m、3m，截面规格为0.5m正方形。建筑材料选用的是刚性地基，且弹性模量E=3.25×107kN/m2的钢筋混凝土

（一）刚度计算

（1）等效抗剪刚度

=

（2）等效抗弯刚度

Ic=5004/12=5.208×109mm4 ，

=3.25×107×（36×5.208×10-3+0.5×0.5×152+0.5×0.5×92+0.5×0.5×32）=2.57×109N·m2

（3）等效质量

=（0.52×36×3）×+（0.52×5.5×60）×=3.47×104kg·m-1

（二）斜撑受损扭转

高层建筑运营状态下，其建筑及其荷载将使斜撑受损，而发生扭转，此时进行受力变形分析，可将其分解为完全扭转和自由扭转，也就是受损扭转=弯曲扭转+自由扭转：

①

（1）横截面上切向位移和轴向位移

；，式中ω0是表示斜撑沿轴向的刚心位移，若将斜撑固定一端则ω0=0，所以；所以轴向变形ω等于截面扭转角倒数与其相应面坐标之积。

（2）横截面的弯曲扭转正应力

总的来说，整个高层建筑斜撑受到的势能，其U表示建筑结构的总体变形能，Ug建筑地基的应变能。在根据最小势能原理可以得出斜撑框架的整体静力分析，并以此得出相应的控制微分方程组及其边界条件进行相应地计算和实验。根据结果分析得到：高层建筑施以斜撑结构能有效地降低地基沉降；能消除建筑的剪力滞后；使得结构侧移受地基变化影响较小等等，斜撑能有效地减轻建筑的荷载，使得建筑更安全稳定。

五、结语

随着社会经济的不断进步，使得高层建筑步入一个新的层次。对高层建筑施以斜撑，不但能有效地减轻建筑荷载，使建筑更安全稳定，还能让建筑难度得以扩展，造型更加新颖个性，功能更能得到人们的肯定。

参考文献：

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[2]孙江兰. 超高层建筑带斜撑巨型框架结构体系的简化分析[D].河南理工大学,2012.

[3]淮俊权. 铁道电气化接触网钢柱节点、斜撑受力分析计算[J]. 陕西建筑,2011,06:11-13.