论文部分内容阅读
摘要：随着我国城市建设的快速发展和人们对建筑功能要求的不断提高，建筑用地资源越来越紧张，建筑呈现更高、更复杂的趋势。本文围绕高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点，提出了高层建筑结构设计的基本原则和计算方法。为实际高层建筑结构分析与设计提供一定参考。
关键词：高层建筑 抗震 设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、高层建筑结构设计的特点
（1）水平荷载成为决定因素 因为竖向荷载在构件中所引起的弯矩，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，是与楼房高度的二次方成正比；另外，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。（2）侧移成为控制指标 随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。 （3）结构延性是重要设计指标 相对于低多层而言，高层结构更柔一些，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。 （4）轴向变形不容忽视 高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。
二、高层建筑抗震结构设计的基本原则
1.建筑结构应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能。
（1）结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。
（2）对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
（3）承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
2.尽可能设置多道抗震防线。
（1）一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。
（2）强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。
（3）适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。
（4）在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。
3.对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。
（1）构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。
（2）要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。
（3）要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。
（4）在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。
三、高层建筑结构设计需注意的几个问题
1.结构规则性
建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀，体型简单，结构刚度，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物有足够的抗扭转刚度以减小结构的扭转影响，并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。
2.振动周期
建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面：合理控制结构的自振周期；控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
（1）结构自振周期高层建筑的自振周期（T 1）宜在下列范围内：
框架结构：T1=（0.1—0.15）N框一剪、框筒结构：T1=（0.08-0.12）N剪力墙、筒中筒结构：TI=（0.04—0.10）NN为结构层数。
（2）共振问题:
当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。
3.地震扭转效应
大量事实表明，当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷載合力中心与建筑结构刚度中心不重合，在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏甚至会导致结构整体倒塌，因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标。
4.位移限值、剪重比及单位面积重度
（1）结构的侧移（包括层间位移和顶点位移）是一个重要的衡量标准，其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适，过大或过小都说明结构刚度过小或过大（或者体现结构两个主轴方向的刚度是否均衡），以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。
（2）剪重比是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标．其大小主要与结构地震设防烈度有关，其次与结构体型有关。单位面积重度是衡量结构构件截面取值是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一个重要指标。一般高层建筑的单位面积重度在10－18kN／㎡之间，除个别较特别的以外，多数在15kN／㎡左右。
四、高层建筑结构抗震计算方法
目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
（1）时程分析法
时程分析法是随着电子计算机技术和试验技术的发发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高。
（2）底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。
（3）振型分解反应谱法
振塑分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定
五、结论
随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
六、参考文献
[1]朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社，2002.11.
[2]徐宜和，丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑.2004(3).
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，1999年.
[4]吕西林．高层建筑结构【M】．武汉：武汉理工大学出版社，2003．
关键词：高层建筑 抗震 设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、高层建筑结构设计的特点
（1）水平荷载成为决定因素 因为竖向荷载在构件中所引起的弯矩，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，是与楼房高度的二次方成正比；另外，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。（2）侧移成为控制指标 随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。 （3）结构延性是重要设计指标 相对于低多层而言，高层结构更柔一些，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。 （4）轴向变形不容忽视 高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。
二、高层建筑抗震结构设计的基本原则
1.建筑结构应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能。
（1）结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。
（2）对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
（3）承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
2.尽可能设置多道抗震防线。
（1）一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。
（2）强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。
（3）适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。
（4）在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。
3.对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。
（1）构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。
（2）要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。
（3）要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。
（4）在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。
三、高层建筑结构设计需注意的几个问题
1.结构规则性
建筑结构的规则性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗侧力构件布置、承载力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面对称均匀，体型简单，结构刚度，质量沿建筑物竖向变化均匀，同时应保证建筑物有足够的抗扭转刚度以减小结构的扭转影响，并应尽量满足建筑物在竖向上重力荷载受力均匀，以尽量减小结构内应力和竖向构件间差异变形对建筑结构产生的不利影响。
2.振动周期
建筑结构的建筑结构的振动周期问题包含两方面：合理控制结构的自振周期；控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。
（1）结构自振周期高层建筑的自振周期（T 1）宜在下列范围内：
框架结构：T1=（0.1—0.15）N框一剪、框筒结构：T1=（0.08-0.12）N剪力墙、筒中筒结构：TI=（0.04—0.10）NN为结构层数。
（2）共振问题:
当建筑场地发生地震时，如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近，建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期，通过调整结构的层数，选择合适的结构类别和结构体系，扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别，避免共振的发生。
3.地震扭转效应
大量事实表明，当建筑结构的平面布置等不规则、不对称导致建筑层间水平荷載合力中心与建筑结构刚度中心不重合，在地震发生时建筑结构除发生水平位移外还易发生扭转性破坏甚至会导致结构整体倒塌，因此在结构设计中应充分重视扭转的影响。计算时应主要控制周期比、位移比两个重要指标。
4.位移限值、剪重比及单位面积重度
（1）结构的侧移（包括层间位移和顶点位移）是一个重要的衡量标准，其数值大小从一个侧面反映出结构的整体刚度是否合适，过大或过小都说明结构刚度过小或过大（或者体现结构两个主轴方向的刚度是否均衡），以致要引起设计者对其中的结构体系选择、结构的竖向及平面布置合理性的再思考。
（2）剪重比是体现结构在地震作用下反应大小的一个指标．其大小主要与结构地震设防烈度有关，其次与结构体型有关。单位面积重度是衡量结构构件截面取值是否合理和楼层荷载数据输入是否正确的一个重要指标。一般高层建筑的单位面积重度在10－18kN／㎡之间，除个别较特别的以外，多数在15kN／㎡左右。
四、高层建筑结构抗震计算方法
目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。
（1）时程分析法
时程分析法是随着电子计算机技术和试验技术的发发展起来的一种计算方法。该方法通过选择一定的地震波接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。分析法属于一种完全动力法，计算量大，但计算精度很高。
（2）底部剪力法
底部剪力法是一种拟静力法，把地震作用当作等效静力荷载来计算结构最大地震反应，其计算量比较小，但由于忽略了高阶振型的影响，且对第一振型也作了简化，因此计算精度稍差。
（3）振型分解反应谱法
振塑分解反应谱法是利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析，它属于一种拟动力法，计算量稍大，但计算精度较高，计算误差主要来自于振型组合时关于地震动随机特性的假定
五、结论
随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
六、参考文献
[1]朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社，2002.11.
[2]徐宜和，丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑.2004(3).
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，1999年.
[4]吕西林．高层建筑结构【M】．武汉：武汉理工大学出版社，2003．