淺談高層建筑結構設計分析

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　　一、建筑結構特點分析

　?。ㄒ唬┹S向形變不容忽視

　　由結構力學可知，計算結構構件位移的公式為：

　　通常在低層建筑結構分析中，只考慮彎矩項，因為軸力項影響很小，而剪切項一般可不考慮。但對于高層建筑結構，情況就不同了。由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結構的內力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。

　　軸向變形的影響在高層建筑結構分析中應當考慮，但是，結構所受的豎向荷載并不是在結構完成之后一次施加的。特別是，占豎向荷載絕大部分的結構自重是在施工過程中逐層施加的，軸向壓縮變形已在施工過程中分階段完成，并在各樓層標高處找平，實際上并不完全類似于以上分析的情況。

　　所以，在考慮軸向變形時，要考慮施工過程中分層施加豎向荷載這一因素，不能簡單的按一次加載考慮，否則會出現(xiàn)一些不合理的計算結果，如鄰近剪力墻和筒體的上層框架柱，在豎向荷載作用下出現(xiàn)拉力；上層框架梁出現(xiàn)過大彎矩和剪力等。另外，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。

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　　與低層建筑不同，結構側移己成為高層建筑結構設計中的關鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。結構頂點側移與建筑高度H的四次方成正比。

　　水平均布荷載：

　　設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產(chǎn)生的內力；還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產(chǎn)生的側移被控制在某一限度之內，保證良好的居住和工作條件。這是因為高樓的使用功能和安全，與結構側移的大小密切相關：

　　1．使用人員的正常工作與生活。當高樓在陣風作用下發(fā)生振動的頻率f為一定值時，結構振動加速度a與結構側移幅值A成正比：a=A（2πf）。因而控制側移幅值的大小成為保證高樓良好的居住和工作條件的關鍵因素。

　　2．過大的側向變形會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，此外，也會使電梯因軌道變形而不能正常運行。

　　3．高樓的重心位置較高，過大的側向變形將使結構因P-△效應而產(chǎn)生較大的附加應力，甚至因側移與應力的惡性循環(huán)導致建筑物倒塌。

　?。ㄈ┙Y構延性是高層建筑設計重要性質

　　延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構件的破壞過程。在這過程中，構件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質。是鋼筋砼受彎構件的M－Δ（Φ）曲線，Δy是屈服變形，Δu是極限變形。提高延性可以增加結構抗震潛力，增強結構抗倒塌能力。高層建筑相對低層結構而言，結構設計更柔一些，如果遇到地震，震動作用下的建筑結構變形更大一些。為了做好防震設計，避免倒塌，建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，特別需要在構造上采以適當?shù)脑O計，確保建筑設計具有很好的延性。

　　二、建筑結構經(jīng)濟性分析

　　建筑結構經(jīng)濟性包括內容注重經(jīng)濟性的建筑設計包含非常廣泛的內容。傳統(tǒng)中只強調改進建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施，現(xiàn)在建筑隨著形勢的發(fā)展，人們對居住環(huán)境不僅從結構性出發(fā)，更要在建筑結構的經(jīng)濟性角度考慮，如空間組織、技術組織、結構設置、能源與資源利用，以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟性的原則、方法。

　　建筑結構的經(jīng)濟性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。其中由美國建筑師、工程師R·B·富勒提出的“少費多用”原則是較常用普通的原則。“少費多用（more withless）”原則的含義是，憑借有效的手段或方式，利用最小化的量的材料、資源來投資，目的在于獲得盡可能大的發(fā)展效益。“少費多用”原則，順應目前的發(fā)展形勢，在建筑堅持可續(xù)費發(fā)展的思路上，該原則是一條重要的、有效的、節(jié)約型的設計方式。

　　在富勒的實踐中，“少費多用”原則最具代表性地表現(xiàn)在他對空間結構及建材應用的創(chuàng)意中。他的短桿網(wǎng)架穹隆結構體系（geodesic dome ）被稱為人類迄今為止最輕、最高效、最為有力的空間圍合手段，在造型、尺寸、材料選用上具有很大的靈活性，且造價低廉、營造方便。另外，F(xiàn)·埃斯克里格的自成型結構、T·達蘭德對摩天樓張力結構的探索也都從不同側面詮釋了“少費多用”原則。

　　“少費多用”原則還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。原則堅持對平面面積的充分利用，還注重三維空間的挖掘。比如某市圖書館設計中提出了“ 模塊式”圖書館的創(chuàng)作思路，將圖書館劃分成不同的功能模塊，采用不同的層高、柱網(wǎng)，進行類比布局。這樣可以減少“三統(tǒng)一”標準空間所造成的浪費，充分發(fā)揮空間效益。某高效空間住宅的設計中則對廚房、廁所的上區(qū)、臥區(qū)上下等潛在空間進行了有效的利用。將每戶主、次二個開間設置為不同層高，對應于不同的功能使用要求，大大提高了住宅空間的使用效益。