淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與分析方法

1、<p>　　淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與分析方法</p><p>　　摘要：當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就提出了更高的要求。城市的高層建筑能代表一個(gè)城市的發(fā)展水平和綜合實(shí)力。因此，高層建筑在設(shè)計(jì)中必須考慮城市地標(biāo)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(jì)特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要論述了現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)體

2、系及其優(yōu)缺點(diǎn)，最后探討了高層建筑的分析方法，從而進(jìn)一步完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)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(jì)；結(jié)構(gòu)體系；分析方法； </p><p>　　中圖分類號(hào)： TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　隨著我國經(jīng)

3、濟(jì)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(huì)多學(xué)科的互相交叉融合共同推動(dòng)城市高層建筑發(fā)展的中堅(jiān)力量，使城市高層建筑設(shè)計(jì)向更深、更廣、更具綜合性的方向發(fā)展，拓展高層建筑的實(shí)際功能、結(jié)構(gòu)空間和外在形態(tài)美，不斷增強(qiáng)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(jì)理念和當(dāng)?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(jì)上融入城市的大背景中，且擁有自身獨(dú)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(jì)師個(gè)人意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)，越是建造復(fù)雜，對(duì)工程材料、勞動(dòng)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(biāo)。另外，在高層建筑設(shè)計(jì)過程中，必須考慮周圍裙帶建筑的設(shè)計(jì)，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，考慮與高層建筑的和諧、緊湊、自然，體現(xiàn)人性化的設(shè)計(jì)理念，使建筑充滿人性化的

5、氣息，這些需要建筑設(shè)計(jì)師根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全面的考核、設(shè)計(jì)，并善于運(yùn)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(jì)特點(diǎn) </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(duì)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(jì)低層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，最主要

6、的控制目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。另外，由于低層建筑對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對(duì)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(jì)時(shí)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(jì)是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動(dòng)力作用，而風(fēng)力作用則

7、包含靜力作用和動(dòng)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(jì)算地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)是高層建筑分析的重要內(nèi)容。高層建筑對(duì)風(fēng)的動(dòng)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(diǎn)連接情況下，當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時(shí)，將會(huì)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(shí)結(jié)合住宅、公寓等對(duì)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)又能滿足風(fēng)和地震作用的考驗(yàn)，取框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之長(zhǎng)，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(diǎn)，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(dāng)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(jiǎn)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(shì)，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(dāng)有效的常微分方程求解器對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其功能很強(qiáng)，尤其自適應(yīng)求解，可以滿足用戶預(yù)先對(duì)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(shí)靜力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算。這些問題若完全用離散化方法求解，其計(jì)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(yùn)用此方法具有獨(dú)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(xiàng)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(qiáng)，系數(shù)矩陣稀疏、計(jì)算量小，且具有緊湊、收斂、完備和穩(wěn)定等方面特征。因此，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(huì)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(jiǎn)單多項(xiàng)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(jí)數(shù)。在采用有限條法時(shí)，合理選擇結(jié)構(gòu)計(jì)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(jiǎn)化計(jì)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(jìn)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(shì)能區(qū)和余能區(qū)，勢(shì)能區(qū)采用位移單元，以節(jié)點(diǎn)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(xiàng)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(jìn)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(biāo)和方向?？傊?，在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須結(jié)合建筑設(shè)計(jì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)高層建筑為國家建設(shè)做出貢獻(xiàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]張星熙,薛占營(yíng).高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)問題的探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011,13:47. </p><p>　　[5]段磊.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012,23:211. </p