高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計理論

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剛度突變的不利情況并減少該部位層間位移量。2．造價低于鋼結(jié)構(gòu)，防火能力高于鋼結(jié)構(gòu)。3．延性優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛度大于鋼結(jié)構(gòu)。4．施工速度可快于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)存在的主要問題有：鋼骨混凝土梁，柱的連接構(gòu)造復(fù)雜；鋼骨混凝土梁影響壓型鋼板的采用進(jìn)而影響施工速度。2．2高層建筑的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗外部作用的構(gòu)件組成方式。在高層建筑中，抵抗水平力成為設(shè)計中的主要矛盾，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的確定和設(shè)計成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。高層建筑中基本的抗側(cè)力單元是框架，剪力墻，實腹筒（又稱井筒），框筒，桁架筒，支撐等。由這幾種單元可以組成多種類型的結(jié)構(gòu)體系，隨著時代的發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系會日益多樣化。2.2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各類結(jié)構(gòu)體系1．框架體系：由梁，柱構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)稱為框架。整幢結(jié)構(gòu)都由梁，柱組成，就稱為框架結(jié)構(gòu)體系，有時稱為純框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是平面布置靈活多樣，但由于在水平力作用下呈現(xiàn)剪切型變形特征，側(cè)向變形較大，故框架結(jié)構(gòu)建造高度不宜過高。2．剪力墻體系：利用高層建筑的墻體（一般為鋼筋混凝土墻）作為承受豎向荷載，抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求也容易滿足，適合建造較高的高層建筑。3．框架－剪力墻（框架－筒體）體系：在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合共同抵抗水平荷載，就組成了框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架－筒體結(jié)構(gòu)體系。筒體的承載能力，側(cè)向剛度和抗扭能力都較單片剪力墻大大提高，是提高材料利用率的一種有效途徑。4．筒中筒體系：筒體的基本形式有三種：實腹筒，框筒和桁架筒。用剪力墻圍成的筒體稱為實腹筒。在實腹筒的墻體上開出許多規(guī)則排列的窗洞所形成的開孔筒體稱為框筒，它實際上是由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成的筒體。如果筒體的四壁是由豎桿和斜桿形成的桁架組成，則稱為桁架筒。筒中筒結(jié)構(gòu)是由上述筒體單元的組合，通常由實腹筒作內(nèi)部核心筒，框筒或桁架筒作外筒，由兩個筒體共同抵抗水平力作用的空間結(jié)構(gòu)體系。5．多筒體系：當(dāng)采用多個筒體共同抵抗側(cè)向力時，就稱為多筒結(jié)構(gòu)，具體形式有成束筒及巨型框架。由兩個以上的筒體排列在一起成束狀就構(gòu)成成束筒體系。利用筒體作為柱，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨型梁相連，筒體和巨型梁就形成巨型框架結(jié)構(gòu)體系。2.2.2鋼結(jié)構(gòu)，鋼－混凝土結(jié)構(gòu)及鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的各類結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)，鋼－混凝土結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)這三種類型的高層建筑從廣義上都屬于高層鋼結(jié)構(gòu)的類型。此外，由這三類結(jié)構(gòu)又派生出其它一些結(jié)構(gòu)類型，例如：上部為鋼結(jié)構(gòu)下部為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的類型；鋼框架－鋼骨混凝土內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的類型；鋼骨混凝土柱與鋼梁組合框架的結(jié)構(gòu)類型；鋼管混凝土柱與鋼梁組合框架的結(jié)構(gòu)類型。因此，上述各種結(jié)構(gòu)類型具有多樣化的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，也就構(gòu)成了多種多樣的結(jié)構(gòu)體系。下面僅列出各主要結(jié)構(gòu)體系的名稱，而不再具體解釋其含義。1．鋼框架體系2．鋼框架－鋼支撐體系3．鋼框架－鋼內(nèi)筒體系4．帶伸臂桁架的鋼框架－鋼內(nèi)筒體系5．鋼框筒體系6．筒中筒及成束筒體系7．鋼框架－混凝土剪力墻體系8．鋼框架－混凝土內(nèi)筒體系9．鋼框筒－混凝土內(nèi)筒體系10．鋼管混凝土框架柱及鋼框架梁－混凝土內(nèi)筒體系11．鋼框架－鋼骨混凝土內(nèi)筒體系12．鋼框筒－鋼骨混凝土內(nèi)筒體系13．組合式內(nèi)筒體系（鋼骨混凝土框架柱及鋼框架梁－鋼骨混凝土內(nèi)筒體系）14．組合式外筒體系（鋼骨混凝土框架柱及鋼框架梁構(gòu)成的外筒體系）3高層建筑結(jié)構(gòu)分析理論3．1基本計算假定高層建筑是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。它不僅平面形狀多變，立面體型也多種多樣，而且結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系各不相同。對這種高次超靜定，多種結(jié)構(gòu)型式組合在一起的空間結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行內(nèi)力和位移計算，就必須進(jìn)行計算模型的簡化，引入一些計算假定，得到合理的計算圖形。3.1.1彈性工作狀態(tài)假定引入這一假定，高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移可按彈性方法進(jìn)行計算。在非抗震設(shè)計時，在豎向荷載和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)保持正常使用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段；在抗震設(shè)計時，結(jié)構(gòu)計算是對多遇小震進(jìn)行時，此時結(jié)構(gòu)處于不裂，不壞的彈性階段。因此，從結(jié)構(gòu)整體來說，基本處于彈性工作狀態(tài)，可按彈性方法進(jìn)行計算。此時，疊加原理可用，在不同荷載作用下也可以進(jìn)行內(nèi)力組合。對于在罕遇地震作用下的第二階段驗算，結(jié)構(gòu)已進(jìn)入彈塑性階段，現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計處理方法仍多以彈性計算的結(jié)果通過調(diào)整或修正來解決。3.1.2平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)假定一片框架或一片剪力墻在其自身平面內(nèi)剛度很大，可以抵抗在自身平面內(nèi)的側(cè)向力；而在平面外的剛度很小，可以忽略，即垂直于該平面的方向不能抵抗側(cè)向力。因此，在計算中可按此假定將整個結(jié)構(gòu)劃分為不同方向的平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，共同抵抗結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向水平荷載。3.1.3剛性樓板假定水平放置的樓板，在其自身平面內(nèi)剛度很大，可視為剛度無限大的平板；樓板平面外剛度很小，可以忽略。剛性樓板將各平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)連接在一起共同承受側(cè)向水平荷載。由于以上基本假定，復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)的計算可大為簡化。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震作用，因此高層建筑結(jié)構(gòu)的分析可分為下述兩個問題：1.總水平荷載在各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間的分配。荷載分配和各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度變形特點都有關(guān)系，不能像低層建筑結(jié)構(gòu)那樣按照受荷面積計算各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平荷載。2.計算每片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在所分到的水平荷載作用下的內(nèi)力和位移。3．2計算分析方法由于以上基本假定，復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)的計算可大為簡化。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震作用，因此高層建筑結(jié)構(gòu)的分析可分為下述兩個問題：1.總水平荷載在各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間的分配。荷載分配和各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度變形特點都有關(guān)系，不能像低層建筑結(jié)構(gòu)那樣按照受荷面積計算各片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平荷載。2.計算每片平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在所分到的水平荷載作用下的內(nèi)力和位移。下面將按照以上原則簡述常規(guī)高層建筑結(jié)構(gòu)：框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算方法。但這些較為傳統(tǒng)的計算方法只能適用于較為規(guī)則和簡單的高層建筑結(jié)構(gòu)，即只有平移而無扭轉(zhuǎn)的假定下進(jìn)行計算和分析。同時，為了完整，也簡單敘述了筒體結(jié)構(gòu)的分析計算方法。3.2.1框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算方法很多，在結(jié)構(gòu)力學(xué)中比較常用的精確解法有：力矩分配法，無剪力分配法，迭代解法等。在實用上往往采用由計算機程序分析的算法：矩陣位移法。但通常有一些手算的近似計算方法可用于工程設(shè)計，如：多層多跨框架在豎向荷載作用下的分層計算法；多層多跨框架在水平荷載作用下的反彎點法；多層多跨框架在水平荷載作用下的D值法。側(cè)移計算多采用D值法。多層多跨框架在豎向荷載的作用下，側(cè)向位移比較小，計算時可忽略側(cè)移的影響，采用力矩分配法計算。由精確分析可知，每層梁的豎向荷載對其它各層桿件內(nèi)力的影響不大，因此，可將多層框架分解為一層一層的單層框架分別計算。在分層計算時，假定上下柱的遠(yuǎn)端為固定端，而實際上為彈性支承。為了反映這個特點，除低層外，其它各柱的線剛度乘以折減系數(shù)0.9；此外，傳遞系數(shù)修正為1/3。多層多跨框架在水平荷載作用下，可以將風(fēng)力和水平地震力化成作用在框架樓層節(jié)點上的水平集中力。即在層數(shù)不多的情況下可以忽略軸向變形的影響，此時同一層各節(jié)點的位移相同。計算水平荷載作用的反彎點法的要點主要是確定反彎點的高度和剪力分配系數(shù)。由于柱上下端梁的剛度不一定都相同，因此就有了修正反彎點法—D值法，篇幅所限，此處不再詳述。3.2.2剪力墻結(jié)構(gòu)對剪力墻進(jìn)行內(nèi)力和位移的手工近似計算首先要按照剪力墻的開洞大小和位置進(jìn)行剪力墻類型劃分。對于沒有門窗洞口或只有很小洞口的剪力墻，可以忽略洞口的影響，這種墻叫做整體墻，可用材料力學(xué)公式按懸臂梁計算。當(dāng)門窗洞口稍微增大一些，剪力墻中已出現(xiàn)局部彎矩，稱作小開口剪力墻，仍可按材料力學(xué)公式計算然后再加以適當(dāng)?shù)男拚?。洞口再大一些的有雙肢剪力墻和多肢剪力墻，可采用連續(xù)桿法解析求解內(nèi)力和位移。當(dāng)剪力墻洞口尺寸較大，且洞口上梁的剛度已經(jīng)接近或超過墻肢的剛度時，稱作壁式框架，可按帶剛域的桿件考慮剪切變形影響的矩陣位移法計算。在計算剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移時，應(yīng)考慮縱，橫墻的共同工作，即縱墻的一部分可作為橫墻的有效翼緣；橫墻的一部分也可作為縱墻的有效翼緣。底層為框架的剪力墻結(jié)構(gòu)是為了適應(yīng)底層要求大開間而采用的一種結(jié)構(gòu)形式，標(biāo)準(zhǔn)層采用剪力墻結(jié)構(gòu)，而底層則改用框架結(jié)構(gòu)，即底層的豎向荷載和水平荷載全部由框架的梁柱來承受。這種結(jié)構(gòu)類型由于側(cè)向剛度在底層樓蓋處發(fā)生突變，震害較為嚴(yán)重，在實際計算分析中應(yīng)當(dāng)特別注意框支轉(zhuǎn)換層處應(yīng)力分布，而不能簡單的套用普通剪力墻結(jié)構(gòu)的計算方法。3.2.3框架－剪力墻結(jié)構(gòu)在滿足變形協(xié)調(diào)的條件下，按結(jié)構(gòu)中框架和剪力墻各自的剛度分配它們所承受的水平荷載，從而實現(xiàn)二者協(xié)同工作。框架和剪力墻承擔(dān)水平荷載的多少，主要取決于二者側(cè)向剛度之比。對框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，按照框架和剪力墻連接方式的不同可分為框架－剪力墻鉸接體系和框架－剪力墻剛接體系，一般采用矩陣位移法進(jìn)行計算，在工程設(shè)計中也可采用借助于圖表的簡化計算方法。對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，關(guān)鍵在于理解其協(xié)同工作的原理?？蚣堋袅w系在水平荷載作用下，由框架和剪力墻共同承受外荷載。二者之間的連接可以有兩種類型：通過樓板連接和通過樓板連梁連接。對其進(jìn)行計算主要需要確定的問題就是要計算出總剪力墻抗彎剛度和框架與剪力墻的抗彎剛度，從而達(dá)到按剛度分配外荷載后可以分別計算的目的。3.2.4筒體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)是指由一個或幾個筒體作為承受水平和豎向荷載的高層建筑結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)適用于層數(shù)較多的高層建筑，建筑平面宜為正方形或接近正方形。按筒體的形式，布置和數(shù)目上的不同，筒體結(jié)構(gòu)又可分為單筒，筒中筒和組合筒。在筒體結(jié)構(gòu)中，往往將位于建筑平面中心或角部的電梯井等豎向交通井作為實腹筒結(jié)構(gòu)，從力學(xué)觀點來看，實腹筒實際上是一個箱形梁，因此對實腹筒的分析計算可以參照箱梁的計算方法進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)注意的是，對于寬度較大的箱形梁，正應(yīng)力兩邊大，中間小的這種不均勻現(xiàn)象稱為剪力滯后，忽略剪力滯后作用將對梁的強度估計過高?？蛲步Y(jié)構(gòu)是由密排的柱在每層樓板平面用窗裙墻梁連接起來的空腹筒?？蛲驳氖芰μ攸c比一個簡單的封閉筒更為復(fù)雜。這主要是由于連梁的柔性產(chǎn)生了剪力滯后現(xiàn)象，使得角部的柱子軸向應(yīng)力增加而使中間的柱子軸向應(yīng)力減小，這一作用使樓板產(chǎn)生翹曲，并因此引起內(nèi)部間隔和次要結(jié)構(gòu)的變形。對框筒的計算方法通常有：簡化的初略計算方法，根據(jù)初等梁理論計算；簡化為平面結(jié)構(gòu)的計算方法；把筒體空間結(jié)構(gòu)連續(xù)化的計算方法等。這些較為傳統(tǒng)的方法主要基于能量法為基礎(chǔ)的半解析算法，也只能用于較為規(guī)則的情形。3．3計算機算法和程序由于上述計算分析方法主要采用簡化的解析求解方法或借助與圖標(biāo)來計算，這對于較為簡單，平面和立面布置較為規(guī)則，層數(shù)不太多的高層建筑結(jié)構(gòu)還可以在不致引起過大誤差的情況下進(jìn)行分析，而當(dāng)前大量出現(xiàn)的體形不規(guī)則，平面立面變化多樣的高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)，用以上的方法就顯得無能為力了。因此，在當(dāng)前計算機發(fā)展水平的基礎(chǔ)上，對高層建筑結(jié)構(gòu)往往采用計算機進(jìn)行分析和設(shè)計。這里，簡單介紹計算程序的發(fā)展歷程和有代表性的三代程序。1.協(xié)同工作計算程序：是最早出現(xiàn)的計算程序，基于剛性樓板假定和平面抗側(cè)力假定。其優(yōu)點是基本未知量較少，計算比較簡單，但由于僅考慮了各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在樓層處水平位移和轉(zhuǎn)動位移的協(xié)調(diào)，而沒有考慮各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在豎直方向上的協(xié)調(diào)，因此整體性考慮得不夠完善。目前這種計算程序基本已被淘汰。代表程序有建研院CAD工程部的XTJS。2.空間桿－薄壁桿系計算程序：將高層建筑結(jié)構(gòu)視為空間的桿件體系，桿件單元除了一般的桿單元外，還有模擬剪力墻的結(jié)點有7個自由度的薄壁柱單元。采用空間框架的計算方法對結(jié)構(gòu)整體計算，樓板在自身平面可以考慮為絕對剛性也可不考慮。缺點是用薄壁柱模擬剪力墻在墻布置復(fù)雜多變，洞口很不規(guī)則時計算誤差較大。代表程序有建研院CAD工程部的TAT和建研院結(jié)構(gòu)所的TBSA。3.空間組合結(jié)構(gòu)計算程序：將高層建筑離散為空間桿單元，平面單元，板殼單元和實體單元的組合體進(jìn)行分析。不同程序之間的主要區(qū)別在于對剪力墻和樓板的模擬，有殼元，墻元模型和板梁墻元模型等。該計算方法對結(jié)構(gòu)的模擬更接近實際情況，因此計算精度最高，計算結(jié)果最為可信。但由于基本未知量多，對計算設(shè)備要求較高。不過隨著計算機硬件的迅速發(fā)展，這一障礙會很快被克服。代表程序有建研院CAD工程部的SATWE和美國CSI公司的ETABS。目前基本上采用的是第三種空間組合結(jié)構(gòu)的有限元計算程序?qū)Ω邔咏ㄖY(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計。可以預(yù)見，隨著計算機軟硬件的迅速提升，必將進(jìn)一步促進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)和發(fā)展。同時，對高層建筑設(shè)計更更為精確更為符合實際狀況的要求，也必將推動高層結(jié)構(gòu)計算分析軟件的進(jìn)一步發(fā)展。4高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論4．1結(jié)構(gòu)總體布置方案在高層建筑中，保障結(jié)構(gòu)安全及經(jīng)濟合理等要求比一般的低層和多層建筑更為突出，因此結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)選型更應(yīng)受到重視。其它諸如場地選擇，基礎(chǔ)形式，變形縫設(shè)置等也是在初步設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)重視的問題。下面針對高層建筑的特點列舉一些在設(shè)計中應(yīng)充分注意的問題。4.1.1控制結(jié)構(gòu)高寬比與低層和多層建筑相比，豎向荷載已成為次要因素，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移是設(shè)計中必須考慮的主要問題。高層建筑中控制側(cè)向位移常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要矛盾。而且，隨著高度增加，傾覆力矩也將迅速增大，因此，建造寬度很小的建筑物是不適宜的。一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比H/B控制在5～6以下。當(dāng)設(shè)防烈度在八度以上時，H/B的限制應(yīng)當(dāng)更為嚴(yán)格。4.1.2選擇有利于抗震的結(jié)構(gòu)平面建筑平面布置應(yīng)簡單，規(guī)則，對稱。應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)各樓層的抗側(cè)力剛度中心和地震力作用的質(zhì)量中心重合，以減少在水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)，通常扭轉(zhuǎn)偏心矩不宜超過垂直于外力作用線邊長的5％。要注意剛度的均勻?qū)ΨQ，不僅要注意鋼筋混凝土剪力墻的位置，也要注意填充墻的位置。復(fù)雜，不規(guī)則，不對稱的結(jié)構(gòu)必然會帶來難于計算和處理的復(fù)雜地震應(yīng)力，如應(yīng)力集中和扭轉(zhuǎn)等，這對抗震不利。凹凸不規(guī)則的平面，在拐角等處容易造成應(yīng)力集中而遭到破壞。要注意樓板的局部不連續(xù)，樓板的尺寸和平面剛度有急劇變化，有效樓板寬度小于結(jié)構(gòu)平面典型寬度過多，或開洞面積過大，都是對抗震不利的。4.1.3選擇有利于抗震的結(jié)構(gòu)豎向布置結(jié)構(gòu)的豎向布置也應(yīng)注意剛度均勻而連續(xù)，要盡量避免剛度突變或結(jié)構(gòu)不連續(xù)。按抗震設(shè)防的高層建筑，豎向體型應(yīng)力求規(guī)則，均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，當(dāng)某樓層側(cè)向剛度小于上層時，不宜小于相鄰上部樓層的70％。在地震區(qū)，不得采用完全由框支剪力墻組成的底部有軟弱層的結(jié)構(gòu)體系，也不應(yīng)出現(xiàn)剪力墻在某一層突然中斷而形成的中部具有軟弱層的情況。當(dāng)?shù)撞坎捎貌糠挚蛑Ъ袅蛑胁繕菍硬糠旨袅Ρ蝗∠麜r，應(yīng)進(jìn)行計算并采用有效措施防止由于剛度變化而產(chǎn)生的不利影響。頂層盡量不布置空曠的大跨度房間，如不能避免時，也要考慮由下到上剛度的逐漸變化。當(dāng)樓層剛度小于上一層的70％，或連續(xù)三層剛度均小于上層的80％時，除應(yīng)采用三維結(jié)構(gòu)模型的振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析法進(jìn)行計算外，尚應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施，甲類建筑還應(yīng)進(jìn)行彈塑性動力時程分析或靜力彈塑性分析。4.1.4考慮溫差對高層建筑豎向的影響季節(jié)溫差，室內(nèi)外溫差和日照溫差對高層建筑豎向是有影響的。當(dāng)建筑高度超過30～40層時，就應(yīng)當(dāng)考慮這種溫差的作用。溫度變化在豎向結(jié)構(gòu)中形成的伸長和縮短會對相鄰構(gòu)件產(chǎn)生影響，會對外墻，隔墻等填充材料產(chǎn)生影響，影響最大的部位是在高度較大的建筑物的頂部數(shù)層。在設(shè)計中應(yīng)考慮到這種影響并采取適當(dāng)措施加以避免或減緩。4.1.5選擇合適的高層建筑樓蓋體系在高層建筑中，對樓蓋水平剛度及整體性要求較高，并應(yīng)特別注意要降低樓蓋結(jié)構(gòu)高度和減輕樓蓋結(jié)構(gòu)重量。因此在層數(shù)較高的高層建筑中，多層建筑中通用的預(yù)制樓蓋不再適用。當(dāng)建筑高度超過50m時，宜采用現(xiàn)澆樓面結(jié)構(gòu)，特別應(yīng)推廣采用無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)。或者采用壓型鋼板作模板的組合樓板結(jié)構(gòu)。4．2荷載作用在高層建筑分析與設(shè)計中，首先應(yīng)明確作用在結(jié)構(gòu)上的各類荷載。高層建筑的豎向荷載包括自重等恒載及使用荷載等活載，這與一般的建筑結(jié)構(gòu)類似，在此不再重復(fù)，這里主要敘述在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中起主導(dǎo)作用的水平荷載。4.2.1風(fēng)荷載作用在建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：(kN/m2)由于我國《建筑荷載設(shè)計規(guī)范》中給出的基本風(fēng)壓值的重現(xiàn)期為30年，而一般高層建筑需要考慮重現(xiàn)期為50年的大風(fēng)，故在計算式(5.1)中要乘以1.1的系數(shù)。此外，風(fēng)的作用是不規(guī)則的，風(fēng)壓隨著風(fēng)速，風(fēng)向的紊亂變化而不停地改變。通常把風(fēng)作用的平均值看成穩(wěn)定的平均風(fēng)壓，而實際風(fēng)壓是在平均風(fēng)壓上下波動的，即風(fēng)作用在建筑上有動力作用效應(yīng)。應(yīng)該了解的是，風(fēng)荷載波動中的短周期成分對于高度較大或剛度較大的高層建筑可能產(chǎn)生一些不可忽視的動力效應(yīng)，在設(shè)計中必須考慮。式(5.1)中的風(fēng)振系數(shù)就是考慮了風(fēng)荷載的動力特性和建筑周圍環(huán)境影響的動力增大系數(shù)，這樣就可將動力分析近似為靜力分析，從而起到簡化設(shè)計的目的。式中的風(fēng)載體形系數(shù)是一個由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到的值，其含義是指作用在建筑物表面的實際風(fēng)壓與基本風(fēng)壓的比值。對于平立面布置特別復(fù)雜的高層建筑，應(yīng)通過風(fēng)洞實驗確定。4.2.2地震作用地震時，由于地震波的作用產(chǎn)生地面運動，并通過建筑基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)作用，就是地震作用。地震波會使建筑產(chǎn)生豎向振動和水平振動，一般對建筑的破壞主要由水平振動造成。設(shè)計時主要考慮水平地震作用，只有在震中附近的高烈度區(qū)或豎向地震會產(chǎn)生較嚴(yán)重后果時，才同時考慮豎向地震作用。地震作用使建筑產(chǎn)生的運動稱為地震反應(yīng)，包括位移，速度和加速度。地震作用的大小除了和地震波的特性有極為密切的關(guān)系外，還和場地土特性，建筑本身的動力特性有很大關(guān)系。高層建筑的抗震設(shè)計通過三個方面體現(xiàn)：即抗震概念設(shè)計，抗震計算和抗震構(gòu)造設(shè)計。抗震規(guī)范規(guī)定在設(shè)防烈度為六度地區(qū)的建筑，除了在Ⅳ類場地土上的較高建筑外，可不進(jìn)行抗震計算，但必須進(jìn)行抗震構(gòu)造設(shè)計。而抗震概念設(shè)計則應(yīng)當(dāng)在所有的抗震建筑中加以運用。高層建筑的抗震計算采用兩階段設(shè)計法：在多遇地震作用下（小震），按反應(yīng)譜理論計算地震作用，用彈性方法計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，并用極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)件；對于重要建筑或有特殊要求時，要采用彈性動力時程分析以及靜力或動力彈塑性分析作補充計算。4．3基本設(shè)計要求在進(jìn)行各種豎向荷載，風(fēng)荷載和地震作用計算后，需要按規(guī)范規(guī)定的荷載效應(yīng)組合式把作用在高層建筑上的各種荷載進(jìn)行組合。荷載組合式包括有地震作用和無地震作用兩類共7種不同組合情況，應(yīng)按具體要求組合計算。在使用荷載及風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性階段或僅有微小的裂縫出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足承載能力及限制側(cè)向位移的要求。在地震作用下，采用兩階段設(shè)計法，要求達(dá)到三水準(zhǔn)目標(biāo)。下面分別說明。4.3.1承載能力驗算按極限狀態(tài)設(shè)計要求，各種構(gòu)件承載能力驗算一般表達(dá)式為：不考慮地震作用的組合：考慮地震作用的組合：4.3.2側(cè)向位移限制和舒適度要求在正常使用條件下，高層建筑處于彈性狀態(tài)并且應(yīng)有足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力，穩(wěn)定性和使用條件。正常使用條件下的結(jié)構(gòu)水平位移（側(cè)移）包括頂點位移和層間位移，按風(fēng)荷載和地震作用，用彈性方法計算，應(yīng)符合規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定。對于高度超過150m的高層建筑應(yīng)具有良好的使用條件，滿足舒適度的要求：即按荷載規(guī)范規(guī)定的10年一遇的風(fēng)荷載取值和專門風(fēng)洞實驗計算確定的順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度和最大扭轉(zhuǎn)加速度應(yīng)滿足規(guī)范相應(yīng)規(guī)定。4.3.3抗震等級和抗震措施在中等地震烈度下，允許結(jié)構(gòu)的某些部位進(jìn)入屈服狀態(tài)，形成塑性鉸。這時結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)變形加大。在此階段，結(jié)構(gòu)可通過塑性變形耗散地震能量，但必須保持結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)構(gòu)不能破壞。這種性能稱為延性。延性愈好，抗震能力愈強。影響構(gòu)件延性的因素很多，主要是截面應(yīng)力性質(zhì)，構(gòu)件材料及截面配筋量，配筋構(gòu)造等。在抗震設(shè)計中延性要求體現(xiàn)為對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采取一系列抗震措施。抗震措施分為五個級別，稱為抗震等級。高層建筑抗震設(shè)計中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震構(gòu)造可通過符合相應(yīng)抗震等級中的抗震措施來保證。4.3.4罕遇地震下的變形驗算要實現(xiàn)“大震不倒”這個第三水準(zhǔn)設(shè)計目標(biāo)，一般情況下，經(jīng)過小震地震作用計算后，采取若干抗震措施即可滿足。但對于規(guī)范規(guī)定的某些有特殊要求的高層建筑還應(yīng)進(jìn)行罕遇地震下薄弱層（部位）的變形驗算。在罕遇地震作用下，大多數(shù)結(jié)構(gòu)都已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，變形較大，主要是驗算結(jié)構(gòu)層間變形是否超過限值，通常采用靜力彈塑性或動力彈塑性時程分析計算結(jié)構(gòu)的層間位移。4．4高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計4.4.1反應(yīng)譜分析反應(yīng)譜分析中使用的，受地基運動影響的結(jié)構(gòu)的動力平衡方程式可以寫成下列形式：其中：：質(zhì)量矩陣；：阻尼矩陣；：剛度矩陣；：地基加速度各表示相對位移，速度，加速度。反應(yīng)譜分析法是把多自由度系統(tǒng)假設(shè)為單自由度系統(tǒng)的復(fù)合體，組合并分析預(yù)先通過數(shù)值積分求出的任意周期（或者頻率）范圍對應(yīng)的最大反應(yīng)值（加速度，速度，位移）的方法，主要應(yīng)用于利用設(shè)計頻譜所進(jìn)行的抗震設(shè)計中。反應(yīng)譜分析方法是先求出每個振型對應(yīng)最大反應(yīng)值，然后用適當(dāng)?shù)慕M合方法，預(yù)測最大反應(yīng)值。采用反應(yīng)譜方法計算等效地震荷載是一種擬靜力方法。首先應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)理論計算出單自由度質(zhì)點體系的地震反應(yīng)，建立反應(yīng)譜；再用加速度反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)的最大慣性力作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載；然后按靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國的抗震規(guī)范是根據(jù)255條地震加速度記錄計算得到反應(yīng)譜曲線，經(jīng)過處理后得到的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜作為設(shè)計反應(yīng)譜曲線。按反應(yīng)譜方法計算等效地震荷載根據(jù)高層建筑的高度和其它要求可以采用以下方法：底部剪力法，振型分解反應(yīng)譜法（SRSS法），考慮扭轉(zhuǎn)耦連的振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）。4.4.2彈性，彈塑性時程分析時程分析中使用的動力平衡方程式可以表示為下列形式：其中：：質(zhì)量矩陣；：阻尼矩陣；：剛度矩陣；：動力荷載各表示相對位移，速度，加速度。時程分析是指當(dāng)結(jié)構(gòu)受動荷載作用時，計算動力平衡方程式的過程。利用結(jié)構(gòu)的動力特性和所施加的動荷載求出任意時刻結(jié)構(gòu)的反應(yīng)（位移，內(nèi)力）。通常采用振型疊加法進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的彈性時程分析。振型疊加法是指結(jié)構(gòu)的位移用相互正交位移向量的線性組合的形態(tài)求解的方法，該方法的前提條件是阻尼矩陣可以用質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的線性組合所表示。在時程分析中，結(jié)構(gòu)的位移是由振型向量和單自由度系方程式解的乘積所決定的，并且它的準(zhǔn)確性受所選擇的振型數(shù)量影響。這種方法是結(jié)構(gòu)分析程序中使用最多的方法之一，對高層結(jié)構(gòu)的線性動力分析是一個很有效的方法。但是對非線性動力分析或者因為裝有特殊的阻尼器而不能把阻尼表示為剛度和質(zhì)量的線性組合的情況下是不能使用線性疊加法的，這一點是振型疊加法的缺點。對于在罕遇地震作用下，大多數(shù)高層結(jié)構(gòu)都已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，往往應(yīng)采用動力彈塑性時程分析計算結(jié)構(gòu)的層間位移。即在抗震計算中將高層建筑結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系，直接輸入地面運動，計算其在地震過程中的各種反應(yīng)值。因為這已是非線性振動問題，疊加原理已不適用，故不能采用振型疊加法。通常將地面運動試件t分割成一系列的時間間隔Δt，在每個時間間隔內(nèi)把體系當(dāng)作線性體系來計算，逐步求出體系在各時刻的反應(yīng)。按照《高層建筑建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，應(yīng)按照建筑場地類別和所處地震動參數(shù)區(qū)劃的特征周期分區(qū)選用不少于二條實際地震記錄和一條人工模擬的地震波輸入，且地震波的持續(xù)時間不宜小于建筑結(jié)構(gòu)基本自振周期的3～4倍，也不宜少于12秒。在進(jìn)行彈塑性時程分析時，結(jié)構(gòu)的振動模型是應(yīng)認(rèn)真考慮的非常重要的分析前提，通常有以下幾種振動模型：1．層模型：將結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中于樓層處，用每層的剛度（層剛度）表示結(jié)構(gòu)的剛度，也稱為層間模型，可分為剪切型層模型，剪彎型層模型，優(yōu)點是較為簡單，計算量小，但由于模型較為粗糙，不能描述結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的彈塑性變形過程，因此不易據(jù)此確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位。2．桿系模型：模型的變形性質(zhì)由各桿件的變形性質(zhì)所決定，剛度矩陣可以通過桿件的剛度矩陣集成求出，而桿件的剛度矩陣在彈性階段和彈塑性階段是不同的，這就大大增加了問題的復(fù)雜性。桿系模型的計算模型通常有三種，即單分量模型，雙分量模型，三分量模型。桿系模型的優(yōu)點是模型較為精細(xì)，能夠了解地震過程中每根桿件的變形過程，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了確切的依據(jù)。缺點就是太復(fù)雜，計算工作量太大。3．桿系—層模型：將高層建筑結(jié)構(gòu)按桿件體系確定其變形和剛度，但結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中于樓層處，是一種介于桿系模型與層模型之間的計算模型，這種模型兼有層模型和桿系模型的優(yōu)點，是高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的彈塑性動力分析的較優(yōu)模型。4.4.3靜力彈塑性分析結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析（Pushover）法在國外應(yīng)用較早，80年代初期在一些重要刊物上就有論文采用過這種方法，近年來這種方法的應(yīng)用和研究逐漸深人。Pushover方法是近年來在國外得到廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)