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摘要：随着建筑行业迅速发展,作为城市建筑重要组成部分的高层建筑得到广泛应用,文章简要介绍高层建筑常见结构类型及结构设计要点,在分析高层建筑受力特性基础上,对其结构分析方法和基本假定进行归纳总结,从传统思路和性能化设计两方面针对高层建筑抗震设计进行对比,为高层建筑的结构分析和抗震设计提供新方法。
关键词：高层建筑; 结构分析; 抗震设计;
建筑行业快速发展,为适应多样化的建筑功能需求,高层建筑的结构形式也日趋复杂多样。除传统的框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构等基本形式外,超高层建筑、复杂高层建筑、钢结构高层建筑、型钢-混凝土混合结构高层建筑得到越来越广泛的应用。建筑高度的增加和布置的不规则性给结构分析和设计带来更多复杂性和挑战性,有必要进行更系统深入的研究。
1 高层建筑常见结构类型
1.1 框架结构
框架结构以框架梁、柱为主要承受荷载和地震作用构件。梁、柱等构件自重轻、易于标准化和生产定形,因此框架结构具有节省材料、空间布置灵活、便于实施装配式等优点。框架结构侧向刚度较小,水平地震作用下易产生较大层间位移,因此最大适用高度受到较大限制,以抗震设防烈度6度为例,一般不得超过60 m。框架结构变形形态是典型的剪切型,结构竖向体型布置时,重点需要控制层间侧向刚度比和受剪承载力比,避免出现软弱层和薄弱层。
1.2 剪力墙结构
剪力墙结构以剪力墙为抗侧力构件,具有整体性好、侧向刚度大等特点,能适用较高的建筑高度。但是结构延性较差,与框架结构相比,空间布置受剪力墙最大间距的限制。剪力墙布置宜使结构规则、均匀、具有适宜性的侧向刚度,平面上宜双向布置使两个主轴方向刚度均匀分布,竖向宜上下连续避免造成刚度突变。另外,由于叠合错洞墙的应力分布复杂,在实际设计中应尽量避免门窗洞口上下错开,确实无法避免时,应特别注意洞口周围的受力分析计算和加强措施。
1.3 框架剪力墙结构
框架剪力墙结构兼具框架结构和剪力墙结构特点,既具有较大的侧向刚度,又能较灵活自由地提供使用空间,最大适用高度一般略低于剪力墙结构。框架剪力墙结构设计重点是通过框架和剪力墙协同工作,使整体结构具有良好的结构和抗震性能。在进行抗震设计时,根据框架部分和剪力墙部分承受地震倾覆力矩比值,应分别符合各自结构或框架剪力墙结构的抗震措施要求,且需要充分考虑框架与剪力墙在刚度、变形特点上的较大差别,选择合适位置设置剪力墙,使结构整体刚度均匀、连续,构成双向抗侧力体系。
2 高层建筑受力特性
2.1 荷载作用
建筑物受自重、楼屋面可变荷载、竖向地震力等竖向作用和风荷载、水平地震力等水平作用。由于建筑物嵌固部位位于地面或地面以下,在分析水平作用下的力学性能时,可以近似将建筑物整体看成嵌固于地面的悬臂结构,水平作用的弯矩和变形效应将随建筑物高宽比的增大而显著加大。对于高度较低的单层、多层建筑,水平荷载效应较小,主要考虑竖向作用影响。对于高层建筑,随着房屋高度增大,风荷载、水平地震作用成为结构受力分析应考虑的主要因素。对于高层建筑中大跨度、长悬臂、连接体、悬挑等结构、带转换层的高层建筑以及高抗震设防烈度地区的高层建筑,还应充分考虑竖向地震作用影响。
2.2 变形控制
在水平力作用下,建筑物将产生水平侧移,并随楼层增高不断增大,导致结构几何非线性的不利影响增加。扣除结构整体弯曲侧移后的层间相对位移增大至一定值即产生开裂,从而破坏结构正常使用状态,因此变形验算是高层建筑结构分析的一个重要环节。一般需要验算高层建筑在多遇地震作用下的弹性层间位移角,控制结构侧向刚度。对于结构薄弱部位,还应验算其在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角,以防结构薄弱部位产生弹塑性位移导致构件破坏。
2.3 几何非线性
高层建筑的几何非线性主要指P-Δ重力二阶效应。建筑结构在水平荷载作用下产生侧移,使作用在结构上的重力荷载产生偏心,从而形成附加弯矩作用和弯曲变形,给结构受力带来不利影响。
同等水平荷载作用下,结构刚度越小,产生侧移越大,同时结构自重越大,偏心弯矩也随之越大。因此结构的刚重比是控制P-Δ效应的主要指标,当刚重比小于一定值时,就必须考虑几何非线性性的不利影响。考虑二阶效应时,应区分结构的变形形态,对于剪切型变形结构(如框架结构)应分层计算P-Δ效应影响,而对于弯剪型变形结构(如剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒体结构等)应整体计算结构的P-Δ效应影响。
3 高层建筑结构分析方法和基本假定
3.1 计算模型和整体分析方法
高层建筑内力和变形计算应当采用能够合理反映结构受力特性的计算模型。一般情况下应建立空间三维的整体计算模型,对于复杂高层和超高层建筑结构还应采用多种力学模型进行分析比较,确保分析结果的可靠性。高层建筑结构的计算模型应根据实际计算精度的需要,充分考虑不同工况对各种荷载效应的影响,如施工过程对重力荷载效应影响、不同风向及风向角对风荷载效应的影响、双向水平地震的耦合等。对于需要考虑结构动力响应、材料非线性的情况,应相应采取时程分析、弹塑性分析予以补充计算分析。在进行结构设计之前,还应认真分析判断力学模型的合理性和计算结果的准确性。
3.2 荷载假定
作用于高层建筑的主要荷载大致可分为竖向荷载、风荷载和地震作用三类。其中竖向荷载包括建筑物自重、楼屋面可变荷载和雪荷载等,通常等效为沿竖向作用的均布荷载进行计算。风荷载与所在地区平均风压、房屋高度、建筑体型以及结构对风荷载的动力响应等因素有关,涉及较为复杂的流体动力学问题,目前难以进行精确求解,相关数值和影响系数大多通过观测统计和风洞试验数据获得,这方面理论研究有待进一步深入。实际地震力对建筑物作用机理非常复杂,与震源机制、震级大小、震中远近等地震因素和特征周期、阻尼比等建筑物自身的动力响应特征都密切相关,目前主要基于地震反应谱理论,根据地震影响系数曲线分别计算水平和竖向地震作用。
3.3 变形假定
进行重力荷载和多遇地震作用计算分析时,在几何非线性的影响可忽略不计的前提下,通常采用小变形假定简化计算。对于刚重比较小的高层建筑结构,可以采用内力和变形增大系数修正小变形假定下的线性计算结果的方法,近似反映二阶附加效应。在进行罕遇地震作用的计算分析时,对结构薄弱部位应补充相应的弹塑性变形验算,确保实现“大震不倒”的设计指标。
4 高层建筑的抗震设计
4.1 传统抗震设计
传统抗震设计注重提高建筑的抗震承载力。目前我国抗震设计一般通过“二阶段”设计方法实现“三水准”设防目标。“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”,“二阶段”即小震作用下弹性计算和大震作用下弹塑性验算。通过地震作用计算可是实现第小震和大震水准下的设防要求,中震设防要求通过抗震机构控制和抗震构造措施实现。在进行高层建筑抗震设计时,除根据建筑结构特点,应用底部剪力法、振型分解反应谱法及必要的补充时程分析地震作用计算外,还应注意强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等内力调整措施和抗震构造措施的实现,确保建筑在较大地震力作用下能够按照设计意图实现抗震耗能和关键构件的安全。
4.2 抗震性能化设计
除提高抗震承载力外,通过隔震、消能减震等方法减少地震作用对建筑影响的思路也逐渐被应用到高层建筑设计实践中。抗震性能化设计在综合考虑抗震设防、震后损失、工程造价等因素的情况下,分级设定抗震性能目标,区别关键构件和耗能构件的抗震性能水准,允许结构在承载力和延性之间取得平衡,为抗震设计提供了新的思路和发展方向。
5 结语
高层建筑是现代化城市发展的主要载体之一,成为诸多城市的地标性建筑。随着我国城镇化进程的加剧,为满足人们对建筑美观、舒适等多样化需求,围绕高层建筑的理论研究、分析设计和建造实践正在不断发展完善。高层建筑的结构理论分析和设计实践在目前相对成熟的标准经验基础上,还有很多方面值得深入研究和创新发展。
参考文献
[1]孙恺恺.高层建筑结构设计问题及策略[J].价值工程,2018(16):32-33.
[2]韩文海.高层建筑结构分析与设计策略[J].材质研究,2018(1):103-104.