典型高层建筑结构稳定性分析

时间：2022-12-10 20:20:04 来源：正远范文网 本文已影响人

材料、新工艺的应用而不断发展的，其结构设计越来越巧妙，新结构建筑物的寿命也越来越长。

二战后，世界上大部分国家的建筑能力大大提高，越来越多的建筑形式已经横空出世。越来越多的人不再满足于实体结构的楼房，想要跟随时代的潮流，搬进了高层住宅。高层建筑一般都是框架结构，这样的结构稳固，比起实体结构的建筑物，框架建筑物的抗震效果更好一些。但建造框架结构的建筑时，要考虑进去许多因素，比如水平风力与竖向剪切力。

1.2 研究目的与意义

论文的研究方法和结论可以帮助人们认识到高层建筑结构稳定的重要性，讓更多的青少年重视建筑力学，有助于我们去培养对建筑结构的兴趣。高层建筑的力学分析作为一个值得探讨的研究课题，我们既可以从中发现有关高层建筑的创新点，也尝试发掘当今时代高层建筑中能够突破的点。

2 结构及设计特点分析

2.1 基本结构分析方法

常见的建筑结构的分析方法有弹性分析;弹塑性分析;塑性内力重分布分析和试验分析等。在此将简单介绍其中的一种分析方法—塑性内力重分布分析。

内力或塑性内力重分布指的是：超静定钢筋混凝土结构中的非弹性特性引起的各截面内力间不再服从线性弹性关系的现象。静定的钢筋混凝土结构不存在塑性内力重分布。高层建筑结构稳定性计算中的弹性假定，关于风荷载、竖向荷载及多地震作用下内力和位移的计算，结构方面的塑性内力重分布需要加以考虑。

大体原因有以下两点：

（1）建筑中的弹性内力与理论不符（混凝土开裂等）。

（2）试图减少或增大一些部位的配筋，期望合理施工及破坏机构。

能考虑使用的方法：调整内力幅度（调幅）

（1）建筑结构弹性的计算中将内力乘以某一系数，如框剪结构中框架的内力调整，框架梁竖向荷载的调幅等。

（2）建筑结构的弹性内力计算时尝试降低构件本身的刚度，如联肢剪力墙中的连梁，框剪结构中的框架与剪力墙间的连梁等。

2.2 影响高层建筑结构稳定性的主要因素

高层建筑结构存在以下特点： 首先随着建筑高度的不断增大，位移加剧增加;水平荷载作用下的结构侧移也会随之急剧增大; 建筑高度的不断增加，同时建筑的结构高宽比增大，水平荷载下的整体弯曲影响随之变大，轴向变形的影响越来越大; 与多层建筑的结构稳定性计算相比，高层建筑结构的最显著的特点在于水平荷载成为设计结构稳定性的首要因素，有些构件除需要考虑到弯曲形变，还需要考虑轴向形变和剪切形变，地震高发区的高层建筑结构稳定性的计算还应该控制构件和结构延性的指标。

任何一个建筑都要同时承受竖直荷载和气流、气压产生的荷载，还要具有抵抗地震的能力。在较低楼层中，由于竖直高度不算太高，墙体也比较厚，受到的普通风力对建筑的影响也不是特别明显，这时候就需要着重考虑竖直方向上墙体产生的剪力。在前些年，楼房多为五层，六层，之所以不再加高，就是因为楼层越高，其上部对下部的剪力越大盖到六层为止。而高层建筑普遍为框架结构，这种框架结构抗震效果更突出，设计出的建筑也朝着“小震能用，中震能修，大震不倒”的标准建造。但高层建筑能“拦截”更多的风，因此，对于高层建筑，我们不得不认真考虑风荷载等水平荷载产生的影响，水平荷载逐渐成为高层建筑结构设计中需要考虑的关键因素。

2.3 结构的抗震概念设计

在对课题的研究过程中，我对结构的抗震概念设计有所思考，并整理了我搜集和探讨的相关内容。

框架结构出现问题的主要原因：节点处弯矩、剪力、轴力较大，受力复杂，箍筋配置不足，锚固不好等。

结构选型原则：（1）建筑功能要求;（2）结构安全性、适用性和耐久性要求;（3）建筑材料及施工要求;（4）经济及美观要求。

高层建筑总体结构的布置，指的是对高度、平面和体型等的选择，除应考虑到建筑使用功能、美学要求外，在结构上还需要满足刚度、强度及延性的要求。地震高发区域的高层建筑在进行结构设计时，应努力保证建筑物具有良好的抗震性能。

3 高层建筑模型与实例分析

3.1 基本模型

从本文引言部分的叙述可知，建筑力学涉及了一些物理中的基本定理和公式，这些定理可以帮助我们找到更好的基本模型，从而对建筑力学的结构稳定性有更好的了解。在此，我们简单介绍几种物理公理和定理。

首先是二力平衡公理。简单来说，二力平衡是指同时作用在同一物体的两个力大小相等，方向相反，在同一直线上。例如，在一个绳索两端同时加两个等大、反向、共线的力，该绳索便会处于平衡状态。其次是平面汇交力系。平面汇交力系是指在平面力系中各力的作用线汇交于一点的力系。论文还需要一种汇交定理——三力平衡汇交定理，和平面汇交力系有极大的联系。三力平衡汇交定理是指一个物体在同一平面内，受到三个不平行的力而平衡，那么这三个力的作用线必汇交于一点。在论文中，还会用到力矩的平衡原理，即如果一个物体所受各力产生的合力矩代数和为零，那么这个物体就处于力矩平衡。合力矩为0，即∑iF→i·ri。

在接下来的简单模型中，还会涉及到应力的一些内容。从理论上来说，应力是内力在一点处的分布集度。

为了对建筑力学的结构稳定性有更进一步的分析，我们引入几个实例进行研究。通过对实例的讨论，我们可以对建筑力学的结构稳定性有以小见大的了解和认识。

实例一：

其中F1=10kNF2=20kN

F3=30kNF4=40kN

对该杆件各段杆的轴力进行分析

对AB段：F1+FN1=0（1）

FN1=-F1=-10kN

对BC段：F1-F2+FN2=0（2）

FN2=F2-F1=10kN

对CD段：F1-F2+F3+FN3=0（3）

FN3=F2-F1-F3=-20kN

对DE段：F1-F2+F3+F4+FN4=0（4）

FN4=F2-F1-F3-F4=-60kN

该实例中，杆件受到了不同大小的轴力，每一段杆都处于平衡状态，把对该杆件的分析加入到高层建筑结构稳定性的理论分析中，能得到一些影响高层建筑的结构稳定性的因素。上诉实例中的杆件好比是窗户的框架，在整个建筑物中，窗户的框架随处可见，建筑物的墙体压着窗户的框架，框架受到了墙体的四个方向的力，如图2。

在图（a）中假设大方框是建筑物，里面的小方框是窗户的框架，不难分析F1-F3+FN1=0F4-F2+FN2=0（5）

其中F3为窗户整体受到的重力，F2、F4为侧向压力，F1为窗户下端产生的支持力，FN1、FN2均为竖向和横向轴力。

我们可以进一步讨论其它形状的窗户框架的受力情况，在图（b）中 假设大方框是建筑物，里面的圆是窗户框架，窗户的各个方向的力所成的合力为0，即∑iF→=0，不管力的数量是多少，满足静力学方程。在图（c）中 假设大方框是建筑物，里面的不规则三角形是窗户框架，F1、F2、F3均为三角框架各边所受到的压力，F4为由于结构的不对称引起的“额外”压力。除此之外，在实际建筑中可能得考虑窗户整体自身竖直向下的重力G。但将各个方向的力进行正交分解后的合力为0，即∑iF→=0，该框架的受力仍符合静力学平衡条件。

实例二：

图3 梁的力学平衡条件

图（d）与图（e）均为简支梁的简图，其中F1=18kN、FB=15kN、FAY=21kN、FQ1=3kN、M1=24kN·m。对图（d）进行分析，考虑梁的整体平衡，剪支梁会满足力矩平衡。

∑M→A=0∑M→B=0（6）

校核：∑Y=FAy+FB-2F1=21kN+15kN-2×18kN=0（7）

对图（e）进行分析，该简支梁没有支座，受到三个力，则该简支梁会发生顺时针旋转，因此对简支梁加入一个力矩，使得该简支梁力矩平衡。剪力和弯矩均为正，根据力矩平衡，可得

FAy-F1-FQ1=0-FAy×2m+F1×1m+M1=0（8）

以上是两个简单的实例，通过对两个实例的分析，我们可以清晰地看到建筑结构的稳定性与多重因素相关，同时也与局部结构的设计、布局息息相关。

3.2 典型高层建筑结构稳定性的几点讨论

对高层建筑而言，水平荷载的影响不容忽视。在结构设计中必须考虑水平荷载的承受能力。水平荷载指的是物体受水平方向的作用力。在高层建筑中最常见的水平荷载是风荷载，还有地震荷载等。下面通过一个简单的例子，计算风荷载的值，看看对建筑的影响。

图4为一高层剪力墙的结构平面轮廓图，该地区标准风压0.4kN/m2，C类的粗糙度，各层的层高为3m，共10层，试求第10层的总风荷载值。

基本风压：ω0=0.4KN/m2

对C类粗糙度，高度为30m处的风压高度系数为1.77：

μz=1.77（9）

因结构总高为30m。

βz=1+φzξυμz（10）

查相关资料可知：ξ=1.44，υ=0.49。

我们得到：βz=1+φzξυμz=1+0.652×1.44×0.491.77=1.260（11）

因此第10层的总风荷载为：

WZ=βμzω0（μz1B1cosα1+μz2B2cosα2）×h

=1.26×1.77×0.4×（0.8×30+0.5×30）×3kN

=104.4kN（12）

地震发生时，地震波的作用引起地面的运动，并通过房屋地基影响到上部的结构，对高层建筑的结构产生动态作用。在高层建筑的结构设计中要做到：小震作用时，结构需要维持在弹性状态，保证建筑的正常使用;中等地震作用时，建筑结构可以局部进入塑性状态，但不允许破坏结构;强烈地震作用时应保证结构不会发生倒塌。 因此在实际高层建筑的结构设计中，必须考虑地震影响。地震对高层建筑的影响强弱可以通过下面的实例分析得到解释。

用振型分解法求结构的层间剪力。设防烈度为8度第一组，Ⅲ类场地。

已知：T1=0.467s，T2=0.208s，T3=0.134s。第一振型：{x}1={0.334，0.667，1.00};第二振型：{x}2={-0.667，-0.666，1.00};第三振型：{x}3={4.019，-3.035，1.00}。各陣型的阻尼比均设为0.05。

用底部剪力法计算如图结构的层间地震剪力。8度第一组，多遇强烈，三类场地。层高3.5米。

结构的基本周期：T1=0.467s，Tg=0.45s。

（1）计算等效总重力荷载。

Geq=0.85∑Gi=5997.6KN

（其中G=m·g）（13）

（2）水平地震影响系数a1。

amax=0.16，α1=TgT10.9·amax=0.138（14）

（3）计算FEK。

FEK=α1·Geq=833.8kN（15）

（4）计算各层的水平地震作用标准值

T1=0.467s<1.4，Tg=0.63s，δn=0（16）

Fi=HiGi∑nk=1HkGkFEk（17）

F1=166.8kN，F2=333.5kN，F3=333.5kN（18）

這里：H1=3.5m，H2=7.0m，H3=10.5m。

V1=F1+F2+F3=833.7kN

V2=F2+F3=667.0kN

V3=F3=333.5kN

振型分解法的结果：V1=845.8kNV2=671.6kNV3=335.8kN（19）

前面都是结合实际的例子进行分析，虽然得到了相应的定量结果，而且发现水平荷载和竖直荷载，尤其是地震对高层建筑结构稳定性产生较大的影响。但我们知道高层建筑区别于普通建筑的特征就是水平荷载必须考虑。为了加深对水平荷载的认识，下面结合框架—剪力墙铰接系统，研究并推导其在水平荷载作用时的微分方程。

对悬臂墙而言，内力、弯曲形变和荷载间有以下关系：

Mw=EIwd2ydx2Vw=-EIwd3ydx3pw=p（x）-pF=EIwd4ydx4（20）

对框架分析，当变形为θθ=dydx后，框架所受剪力为：

VF=CFθ=CFdydxdVFdx=CFd2ydx2=-pF（21）

d4ydx4-CFEIwd2ydx2=pxEIw（22）

引入结构刚度特征值符号：λ=HCFEIw;相对的坐标ξ=xH，坐标原点必须选取在固定一端。

方程改写为：d4ydξ4-λ2d2ydξ2=p（ξ）H4EIw（23）

高层建筑的舒适度是一个楼房是否稳定的重要参数。风荷载下的高层建筑将产生轻微地晃动—振动，振动过大时会使其上面居住的人感到不适，影响正常的使用。

建筑结构顶点最大的加速度：高度在150米以上的建筑，按11年一遇的风荷载取值计算的顺与横风向结构顶点的最大加速度。

表1 各建筑的横风向顶点最大加速度

与低层或多层建筑不同，结构侧移对高层建筑结构设计的影响更显著。随着建筑物高度的增加，水平荷载的影响似乎比竖直方向的剪切力更需要认真考虑。在高层建筑结构稳定性设计上，不仅要求结构具有足够的强度，还要求具有一定的抗倒移刚度，以保证结构在水平风荷载作用下所发生的侧移对建筑稳定的影响较小。而如今之所以要控制建筑结构的侧移，主要原因有：

（1）如果建筑结构侧移过大，那么建筑物内的人们会感到不适，也就是上面所说的舒适度过低，导致人们对所在环境产生恐慌。

（2）如果建筑结构侧移过大，使得建筑物内的填充墙、建筑装饰以及电梯楼道等设施会产生不同层度的裂缝，后果不堪设想。

（3）如果建筑结构侧移过大，严重的会导致结构开裂，进而大大减少建筑物的使用寿命，以及地震过后，建筑物的损坏程度会更深，结构变形能力不足以抵抗地震时，建筑便会倒塌。

3.3 一个建筑物的稳定性也可通过其抗震能力反映出来

地震反应在不同情况下有明显差别，也意味有着不同的抗震要求。人们为了方便设计和区别不同的情况，对建筑结构延性要求的严格程度可分为四级：很严格/严格/较严格/一般，这称之为结构的抗震等级。

4 结束语

高层建筑的结构稳定性的研究是当今建筑领域较为热门的研究方向。抗震能力是反映结构稳定性的一个指标，目前一部分建筑的抗震性能已经达到令人满意的程度，但仍然存在一些危楼，对其居民的安全有很大的威胁。必须在预算和施工之前，对建筑的稳定性进行合理准确的分析、计算和评估。当然，怎样更好地定量分析建筑的结构稳定性，也需要我们不断进行理论和思维的突破。高层建筑结构稳定性力学分析是一个清晰的方向，希望以此为出发点的研究能促进高层建筑理论和实践水平的不断完善。

参考文献

[1]方明.高层建筑楼板开洞结构分析力学模型选择[J].结构工程师，1998，1（4）：16-23.

[2]蒋晓明.高层建筑结构力学模型仿真系统[J].电脑知识与技术，2010，6（10）：2433-2434.

[3]林春哲.高层建筑结构空间协同分析的力学模型及其提高计算效率的途径[J].中国建筑科学研究院，1987，6（25）：19-23.

[4]吴晓琳.浅析高层建筑结构设计与特点[J].中国高新技术企业，2009，（11）.

[5]韩建勇.高层建筑地基基础方案优化设计分析[J].中国住宅设施，2017，9（28）：1-3.

[6]古今强.高层建筑复合地基稳定性分析[C].第二十一届全国高层建筑结构学术会议论文集，2010.

[7]王睿智.超高层结构设计的注意事项与要点[J].建筑知识，2016，（1）.

[8]李婷婷.浅议当代高层建筑混凝土结构设计的相关问题[J].中国住宅设施，2017，11（17）.

[9]崔璨.高层错层住宅剪力墙结构设计初探[J].建筑知识，2016，7（22）：1-2.

[10]杨学林，祝文畏.复杂体型高层建筑结构稳定性验算[J].土木工程学报，2015，48（11）：16-26.

[11]何辉，吴祖跃.浅谈高层建筑结构的设计与分析[J].科技创新导报，2009，（13）.

[12]王国安.高层建筑结构整体稳定性研究[J].建筑结构，2012，42（6）：127-131.

[13]张琳，李晶.浅谈超高层结构设计[J].深圳土木与建筑，2008，（04）：19-24.

[14]余杭.浅析高层建筑结构设计的影响因素[EB/OL].2017：http：//www.yhtmjz.org/newshow.aspx？artid=975&classid=12.

[15]孙军.高层建筑结构设计的问题分析[J].山西建筑，2008，（19）.

推荐访问:建筑结构 稳定性 高层 典型 分析