高层建筑结构分析计算方法的发展综述

华中科技大学研究生课程考试答题本

考生姓名杨立飞

考生学号M201373077

系、年级桥梁与隧道工程1302班

类别硕士

考试科目高层结构分析与概念设计

考试日期2014年5月3日

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高层建筑结构分析计算方法的发展综述

摘要：本文介绍了高层建筑结构设计的特点，提出了设计中的常用的基本假定，系统的阐明了以手算为基础的近似计算方法，以杆件为单元的矩阵位移法、多种单元组合的有限元法等高层结构计算理论的特点和局限性。最后对高层建筑结构计算方法的发展进行了展望。

关键词：高层建筑结构结构特点基本假定计算方法

The review on the Development of Tall Building Structural

Analyses and Calculating

ABSTRACT:This paper introduces the designing characters of the tall Building structure,and presents the basic assumptions and requirements for common design.The calculating methods of tall Building structures are systematically described,Their relative merits and demerits are explained,which coves:various methods based on hand computing;the matrix displacement method based on member systems;the finite element method by using various new elements.Finally,the development of analyzing and calculating methods in tall building structure is prospected.

Keywords:tall building structure,structural characters,basic assumptions, calculating methods

1.引言

现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果，现代型式的高层建筑最早出现于19世纪末期，至今约110年。在高层建筑发展的头一个世纪中，最有代表性的当推美国，纽约在1931年建成的102层的帝国大厦，高381m，直到1972年，41年间保持了世界最高建筑物的桂冠，1972年，纽约建成了世界贸易中心北楼，110层，高417m，1974年，芝加哥建成了110层的西尔斯塔楼，高443m。

我国的许多古代寺塔是古代高层建筑的典型代表，我国自行设计和建造高层建筑是始于50年代，1958~1959年北京建成13层的民族文化宫、12层的民族饭店和15层的民航大楼，60年代又建成一批高层建筑,其中最有代表性的是27层、87米高的广州宾馆。70年代高层建筑发展加快，北京、广州、上海等城市相继建了一批高层办公楼、旅馆,最高的当数33层，115米高的广州白云宾馆，按抗震设防建成最高的建筑物是北京饭店，19层，87米高。1975~1976

号分年间，在北京“前三门”公里长的街道上建成了40余幢9~16层的高层住宅，景象十分壮观从此，高层住宅迅速成为我国高层建筑中数量最多的建筑类型。

80年代以后，我国高层建筑高速发展，仅一年所建的高层建筑相当于解放以来年兴建数的总和。1985年建成深圳国际贸易中心大厦，使我国内地高层建筑首次超过50层，达到了160米高。90年代以后，高层建筑的兴建如雨后春笋，不仅数量多，层数高，体型也愈来愈复杂，典型的有广州国际大厦（63层，高119m）、深圳贤成大厦（69层，高128m）和广州中天广场（80层，高397m）等。近年来,高层建筑在我国得到了迅速的发展，由于高层建筑具有占地面积小，节约市政工程费用，节省拆迁费用等优点，能改善城市居民的居住条件，在大城市和某些中等城市中，高层住宅和底层带商店的住宅建筑发展十分迅速。从经济发展的角度来看21世纪我国高层建筑还会以更快的速度向前发展。

科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。而高层建筑结构分析与计算理论则更是高层建筑发展的一个核心[1]。在此本文将概述高层建筑结构的特点并讨论其分析计算方法的发展与现状。

2.高层建筑结构的特点

高层结构由于其体形结构复杂多变，与底层、多层建筑结构相比，具有有如下特点：

（1）水平荷载的影响大。高层建筑结构中，水平荷载不但是主要作用荷载的一种，跟竖向荷载共同起作用，而且往往还成为设计中的控制因素[2]。这是因为作为整体受力分析，高层建筑整个结构单元的结算简图就是一根竖向悬臂梁，其底端弯矩跟建筑物的总高度H的平方成正比。所以随着高度的增加，悬臂弯矩以及跟它相关的内力，就以超过直线上升的平方关系增长，使水平荷载的内力在总内力中所占的比重越来越大，以致成为强度设计的主要控制因素。

（2）楼（屋）盖结构整体性要求高。高层建筑结构的整体共同工作特性主要是各层楼板作用的结果，由于楼板在自身平面内的刚度很大，变形较小，故

号分在高层建筑中一般都假定楼板在自身平面内只有刚体位移（仅产生平动和转动），而不改变形状，并忽略楼板平面之外的刚度[2]。

（3）高层建筑结构中构建的多种变形影响大。高层建筑结构，由于层数多、高度高、轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴向变形很显著，中部构件与边部、角部构件的轴向变形差别大，对结构内力分配的影响大，因而构件中的轴向变形影响必须加以考虑[2]；另外剪力墙结构中还应考虑整片墙或墙肢的剪切变形，在筒体结构中还应考虑剪变滞后的影响等。

（4）结构受到动力荷载作用时的动力效应大。根据结构本身的特点不同，结构受地震作用或风荷载作用时，产生的动力效应对结构影响也不同，有时这种动力效应严重影响结构物的正常使用，甚至造成房屋的破坏。

（5）扭转效应大。当结构的质量分布、刚度分布不均匀时，高层建筑结构在水平荷载作用下容易产生较大的扭转作用，扭转作用会使抗侧力结构的侧移发生变化，从而影响各个抗侧力结构构件（柱、剪力墙或筒体）所受到的剪力，并进而影响各个抗侧力结构构件及其他构件的内力与变形。

（6）必须重视结构的整体稳定与抗倾覆问题。在高层建筑结构设计中，应该重视结构的整体稳定性与结构的抗倾覆能力，防止结构发生整体失稳的破坏情况。

（7）当结构高度很大时，结构内外与上下的温差过大而产生的温度内力和温度位移也是高层建筑结构的一种特点。

（8）结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性[2]。

3.高层建筑结构分析与计算方法

3.1高层结构分析与计算的常用基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、筒体等)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入不同程度的简化。下面