1、小议高层建筑结构和设计方法摘要：相对于其他自然灾害，地震的不可预测性是最大的，因而给人们造成的损失也是最大的，所以建筑设计人员在工程设计中，一定要从建筑结构的整体出发，本着人本主义的理念，处理好建筑安全性能和建筑功能之间的关系，从而来提升建筑的建筑质量，提升高层建筑的抗震能力，以保证人们的生命财产安全，创造出更加安全和谐的人居环境。关键词：高层建筑；建筑结构；抗震设计 中图分类号：TU97 文献标识码： A 1 高层建筑结构分析 弹性假定:目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下,结构通常处于弹性工作阶段,这一假定基本符合结构的实际工作状况。 但当收
2、到遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的,应按弹塑性动力分析方法进行设计。 刚性楼板假定:许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大,而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。 并为采用空间薄壁杆件计算筒体结构提供了条件。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种:一维协同分析。 按一维协同分析时,只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。 在水平力作用下,将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。 根据刚性楼板假定
3、,同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等,由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下,则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。二维协同分析。 二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构,但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。 纵横两方向的抗侧力构件共同工作,同时计算;扭矩与水平力同时计算。 在引入刚性楼板假定后,每层楼板有三个自由度 u,v,(当考虑楼板翘曲是有四个自由度),楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。三维空间分析, 三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6 个自由度, 按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲,有 7 个自由度。
4、二、高层建筑抗震结构设计的理念 （一）在高层建筑结构设计中，建筑结构的构件必须要具备一下几个方面的优势性能：刚度、承载力、延性、稳定性等。 总体上来说，建筑结构的构件要遵循这样的原则：强剪弱弯、强节点弱构件、强柱弱梁、强底层墙。其次，对于在设计和施工中，对可能产生结构相对薄弱的地带或者部位，一定要采取各种合理的强化措施来提高此部位的抗震性能，从而达到整个建筑抗震的均衡性。再次，在设计中，面对纵向载荷的重要构件，为保证整个建筑体的纵向受力平衡，就要尽量避免在此设置主要的耗能构件。 （二）最大限度地设置抗震防线 在一个巨大的建筑体中，抗震系统是根据建筑系统的设计而设计的。所以，整个抗震结构体系不是
5、单一存在的，而是由多个抗震延展性能较好的分体系合理构成，各体系通过合理的连接，才构成了建筑体的抗震体系。例如：剪力墙框架的设计结构，是由剪力墙和延性框架两个部分构成的，而在剪力墙体系中，则由多肢或者双肢剪力墙组成。 为了抵抗地震以及余震的伤害，一道地震防线难以抵挡强大外力的破坏的，所以在抗震体系的设计中，要尽可能地多设置外部和内部的冗余度，设置合理科学而具有完整体系的分布屈服区。同时，在同一楼层中，采用主要耗能构件屈服后，则需要其他的侧力构件保持足够的弹性，以最大限度保持“有效屈服” 。在设计中，一定要避免同一建筑平面出现抗震力出现极度反差的两个地段，避免在设计中出现不合理的加强或者在施工中出
6、现以大带小的现象。 （三）对于可能出现受力薄弱的地段，要采取合理的措施补强 在判断建筑设计中的薄弱地段时，最基本的判断方式就是量化构件的实际承载能力，而构件在地震的过程中，基本上不存在强度的安全储备。在设计和施工中，一定要使得设计计算的弹性和楼层的实际承载能力的比值在总体上保持一个大致的变化范围，倘若有突发位置的比值发生数值巨变，那么就会使得塑性由于内力的重新分布而导致集中产生。在设计中，一定要避免因为加强局部而造成整个建筑体的承载力和刚度产生极度的不协调的情况出现。 三、高层建筑抗震结构设计的方法 （一）最大限度减少地震能量的输入 在设计中，采用合理的设计方法，例如，可以采用基于位移的抗震结
7、构设计，在这个设计中，对各种数据要进行详尽的定量分析，将建筑体的抗震变形承受能能力满足预期地震作用下的变形要求。除了要保证构件的抗震作用，为了最大限度的减少地震能量的摄入，就要考虑到控制结构的因素，在大地震的强力作用下，要保证控制结构的间层位移延性比或者阈值。根据构件位移和构件变形的相互关系，来确定建筑结构中构件的变形值。同时要根据建筑截面的应变分布和应变大小来确定建筑构件的构造分布要求。在建筑选址上，最好在坚硬的地段上建造高层建筑，这样也可以最大限度地减少地震能量的摄入。 （二）推广采用隔震和消能减震的设计方式 我国高层建设的抗震设计一般采用的是“延性结构设计体系” ，这种设计体系的原理是通
8、过适当地控制建筑物的刚度，保证建筑物在地震中能够即时进入到非弹性状态，在这种状态下，保持合理的延性，通过延性来释放地震传输的能量，减少地震反应，以达到“裂而不倒”的效果。在设计中，建议在采用“延性结构设计体系”的同时，同时采取滑移隔震、软垫隔震、悬挑隔震、摆动隔震等隔震措施，从而改变建筑结构的整体动力特征，最大限度的降低了地震能量的摄入。同时，建议提高结构阻尼，在设备设计中，最好采用延性较好的构件，这样就可以很好地提高结构的耗能能力，来减少高层建筑各楼层的地震剪力，从而减轻地震作用力。 （三）高层建筑减轻结构的自重 减轻结构自重，要从两个方面入手。第一，首先要看到的是高层建筑的地基承载能力，如
9、果是在相同的地基条件下，减轻建筑结构就意味着通过节省重量来增加了建筑的延伸高度，这种高度的延伸，不涉及到增加地基处理的造价和不增加地基基础。所以，在建设高层建筑时，如果需要在高度上有所增加时，自重的问题就必须要重视起来，这样的情况对于软土地基的影响更为明显。第二，地震的效应和建筑的重量是呈正比的，在建筑结构重量增加的情况下，地震的作用力也是相对增加的。高层建筑因为高度的因素，其重心一般会较高，重心高就意味着在地震外力的作用下，建筑的倾覆力矩也随之增大。所以在设计的过程中，建议高层建筑的隔墙和填充墙最好采用轻质材料。 结语：城市化的快速发展使得城市建筑用地极具紧张，因此，为了满足人居生活的改善，
10、城市建筑只能纵向索取建设空间，从而促使现代城市的高层建筑不断增多。尤其是 08 年 512 大地震以后，高层建筑对于抗震结构的设计愈发要求得更为严格。在抗震结构的设计中，不仅要体现科学化，更重要的是体现人性化，重视人本主意。本文对高层建筑结构的设计作出简要的分析，面对不同的设计问题，提出相应的解决方案，以供参考。 参考文献： 1 林同炎.斯托特斯伯里. 结构概念和体系. 2011.北京：中国建筑工业出版社 2高层建筑混凝土结构技术规程北京：中国建筑工业出版社 2009 3 郁彦.高层建筑结构概念设计.中国铁道出版社 4 徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析. 北京：中国建筑工业出版社 2010.
