淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點與分析方法

1、<p>　　淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點與分析方法</p><p>　　摘要：當前，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，各地的高層建筑拔地而起，而且結(jié)構(gòu)類型和功能也更加趨向于復(fù)雜化和多樣化，為此，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也就提出了更高的要求。城市的高層建筑能代表一個城市的發(fā)展水平和綜合實力。因此，高層建筑在設(shè)計中必須考慮城市地標的責(zé)任感和使命感。本文通過分析高層建筑的現(xiàn)狀，總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，并簡要論述了現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)體

2、系及其優(yōu)缺點，最后探討了高層建筑的分析方法，從而進一步完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，促進高層建筑的發(fā)展。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)體系；分析方法； </p><p>　　中圖分類號： TU97 文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　隨著我國經(jīng)

3、濟建設(shè)的不斷發(fā)展，地域性的文化交流日益密切以及社會多學(xué)科的互相交叉融合共同推動城市高層建筑發(fā)展的中堅力量，使城市高層建筑設(shè)計向更深、更廣、更具綜合性的方向發(fā)展，拓展高層建筑的實際功能、結(jié)構(gòu)空間和外在形態(tài)美，不斷增強高層建筑新的功能和空間理念，并逐步優(yōu)化和提升高層建筑的設(shè)計理念和當?shù)氐奶赜形幕蝗诘纳疃群蛷V度，并結(jié)合城市市政規(guī)劃，使高層建筑在設(shè)計上融入城市的大背景中，且擁有自身獨特的概念。 </p><p>　　高

4、層建筑因其結(jié)構(gòu)形式的限制和本質(zhì)功能的需求，在外形上，往往不能隨設(shè)計師個人意愿進行設(shè)計，必須考慮其抗壓、抗震以及使用功能，從目前建造的高層建筑可以看出，雖然外形各式各樣，但都遵循建筑行業(yè)的規(guī)范和標準，越是建造復(fù)雜，對工程材料、勞動力資源的占有率就越大，不利于國家倡導(dǎo)的建設(shè)資源節(jié)約型的目標。另外，在高層建筑設(shè)計過程中，必須考慮周圍裙帶建筑的設(shè)計，在保證施工質(zhì)量的同時，考慮與高層建筑的和諧、緊湊、自然，體現(xiàn)人性化的設(shè)計理念，使建筑充滿人性化的

5、氣息，這些需要建筑設(shè)計師根據(jù)生活經(jīng)驗和工程經(jīng)驗進行全面的考核、設(shè)計，并善于運用一些巧妙的手法，豐富高層建筑的空間形式。 </p><p>　　1.高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點 </p><p>　　高層建筑與普通建筑或低層建筑相比有很大差別，其差別不僅僅表現(xiàn)在體量上，它們之間的差別主要在于以下方面：對于低層建筑來說，它們所受的外部作用主要是以重力為代表的豎向荷載。因此，設(shè)計低層建筑結(jié)構(gòu)時，最主要

6、的控制目標是結(jié)構(gòu)的強度。另外，由于低層建筑對其結(jié)構(gòu)體系的空間工作性能要求很低，所以低層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系主要是平面結(jié)構(gòu)。而在高層建筑中，結(jié)構(gòu)處于豎向荷載和水平荷載的共同作用下工作。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，盡管豎向荷載對結(jié)構(gòu)設(shè)計仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力愈來愈大，水平荷載將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計時的主要控制因素而起著決定性、關(guān)鍵性的作用。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動力作用，而風(fēng)力作用則

7、包含靜力作用和動力作用。在地震易發(fā)區(qū)，高層建筑往往受地震作用控制，所以計算地震對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)是高層建筑分析的重要內(nèi)容。高層建筑對風(fēng)的動力作用比較敏感，風(fēng)振作用是結(jié)構(gòu)分析中不容忽視的因素。 </p><p>　　2.高層建筑的結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　2.1框架結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　從結(jié)構(gòu)體系上看，由于框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活，空間大，能適應(yīng)較多功能的需

8、要，因此成為高層建筑早期的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點連接情況下，當承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時，將會有較大的變形，因此限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建造高度和層數(shù)。 </p><p>　　2.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系 </p><p>　　為了滿足更高層數(shù)的要求，同時結(jié)合住宅、公寓等對單開間的需求，出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置，按照功能要

9、求，設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側(cè)向風(fēng)力和地震作用是十分有利的，因此，它允許建造的高度遠遠高于框架結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處在于平面布置的靈活性較差。因此，它在使用上也受到一定限制，它的適用范圍較小，僅適用于住宅、公寓和賓館等建筑。目前全國各地的大量高層住宅建筑，絕大多數(shù)均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　2.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系 </p

10、><p>　　建筑功能要求有較大的靈活性，但同時又能滿足風(fēng)和地震作用的考驗，取框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之長，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有布置靈活的優(yōu)點，而剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)力能力，結(jié)合后的結(jié)構(gòu)體系可滿足一般建筑功能要求，在適當位置設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻，既是建筑布置需要，又是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需要。因此，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用范圍和適應(yīng)的高度較寬，是一種較好的結(jié)構(gòu)體系，因而得到廣泛應(yīng)用。 </p>&

11、lt;p><b>　　2.4筒體結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　簡體結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新體系，它的出現(xiàn)滿足了高層建筑更高層數(shù)的要求，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優(yōu)勢，因此為眾多高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)所采用。 </p><p>　　3.高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法 &

12、lt;/p><p>　　3.1基于常微分方程求解器的分析方法 </p><p>　　現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開發(fā)研制了相當有效的常微分方程求解器對高層建筑進行結(jié)構(gòu)分析，其功能很強，尤其自適應(yīng)求解，可以滿足用戶預(yù)先對解答精度所指定的誤差限。我國清華大學(xué)包世華教授和袁駟教授在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用此方法，解決了高層建筑結(jié)構(gòu)考慮樓板變形時靜力計算、動力計算和穩(wěn)定計算。這些問題若完全用離散化方法求解，其計算

13、量都極大；而用微分方程求解器法求解，則顯示出極大的優(yōu)越性。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中運用此方法具有獨到之處。 </p><p>　　3.2基于樣條函數(shù)法和有限條法的分析方法 </p><p>　　樣條函數(shù)是分段多項式的一種。與一般有限單元法相比，樣條函數(shù)的位移模式曲線擬合度好、連續(xù)性及通用性強，系數(shù)矩陣稀疏、計算量小，且具有緊湊、收斂、完備和穩(wěn)定等方面特征。因此，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，

14、是一種較好的方法。 </p><p>　　在高層建筑中，經(jīng)常會遇到幾何形狀和物理特性沿高度方向比較規(guī)則的情況，這樣的結(jié)構(gòu)體系采用有限條法很有效。有限條法只需沿著某些方向采用簡單多項式，其他方向則為連續(xù)、可微且事先滿足條端邊界條件的級數(shù)。在采用有限條法時，合理選擇結(jié)構(gòu)計算模型、等效連續(xù)體的物理常數(shù)和條元的位移函數(shù)是提高精度、簡化計算的關(guān)鍵。 </p><p>　　3.3基于分區(qū)廣義變分原理與

15、分區(qū)混合有限元的分析方法 </p><p>　　有限元，特別是雜交元和非協(xié)調(diào)元的發(fā)展，促進了分區(qū)廣義變分原理的研究。在分區(qū)混合廣義變分原理基礎(chǔ)上，清華大學(xué)龍馭球教授提出了分區(qū)混合有限元法。它將彈性體分成勢能區(qū)和余能區(qū)，勢能區(qū)采用位移單元，以節(jié)點位移為基本未知量；余能區(qū)采用應(yīng)力單元，以應(yīng)力函數(shù)作為基本未知量，而區(qū)交界面通過引入附加的能量項在積分意義下滿足位移和力的連續(xù)條件，從而保證了收斂性，最后通過取總能量泛函為駐

16、值建立分區(qū)混合有限元法基本方程。 </p><p><b>　　4.結(jié)語 </b></p><p>　　隨著高層建筑的進一步發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標和方向。總之，在高層建筑設(shè)計時，設(shè)計師必須結(jié)合建筑設(shè)計抗震、采光等需求，統(tǒng)籌城市規(guī)劃的理念和要求

17、，結(jié)合自己的專業(yè)知識和經(jīng)驗，科學(xué)、合理的設(shè)計高層建筑為國家建設(shè)做出貢獻。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]張星熙,薛占營.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2010,10:12-16. </p><p>　　[2]張亞,陳偉.探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題[J].科技致富向?qū)?2010,17:109

18、-112. </p><p>　　[3]杜春環(huán),馬穎軼.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討[J].科技致富向?qū)?2010,30:245-248. </p><p>　　[4]黃教玄.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011,13:47. </p><p>　　[5]段磊.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012,23:211. </p