高层建筑受力分析.docx

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高层建筑受力分析

Documentnumber：

WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

高层建筑受力分析

天津大学网络教育学院

本科毕业设计（论文）

题目：

高层建筑结构受力特点和结构设计

完成期限：

2017年7月6日至2017年11月20日

学习中心：

江苏现代远程教育培训学院学习中心

专业名称：

木工程

学生姓名：

张永华

学生学号：

指导教师：

张彩虹

摘要

高层建筑结构上的作用包括竖向荷载和水平荷载与作用。

与一般建筑结构类似，高层结构的竖向荷载包括自重等恒载及使用荷载等楼面、层面活载；水平荷载与作用包括风荷载和地震作用，在高层建筑结构设计中水平荷载与作用占据主导和控制地位。

高层建筑的平面开关多变，立体体型各种各样而且结构形式和结构体系各不相同。

对这样复杂的空间结构体系进行内务计算和位移分析时，应考虑结构的受力和工作特点进行计算模型的简化，这样才能比较科学地确定其计算简图和受力体系。

关键词：

高层建筑；建筑结构；结构的受力；计算模型；受力体系；

1.竖向荷载

高层建筑的竖向载主要是恒荷载（结构自重）和楼面、层面活荷载（使用荷载）。

恒荷载（结构自重）

是由于结构自身重力产生的竖向荷载，它可以由构件和装修做法的尺寸和材料的重力密直接计算，重力密按GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的采用。

对于自重变异较大的材料和构件（如现场制作的保温材料，混凝土薄壁构件等），应根据对结构的不利状态，取上限值或下限值。

楼面、层面活荷载

使用荷载，是按GB5009—2001《建筑结构荷载规范》的有关规定采用，同时在有以下情况发生时，给予特别处理：

（1）施工中采用附墙塔、爬塔等对结构受力有影响的起重机械或其他施工设备时，根据具体情况验算施工荷载对结构的影响。

（2）旋转餐厅轨道和驱动设备的自重应按实际情况确定。

（3）擦窗机等清洗设备应按实际情况确定其自重的大小和作用位置。

当有直升机平台时，直升机的活荷载按JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》。

活荷载的不利布置

计算高层建筑结构在竖向荷载作用下的内力时，一般不考虑楼面及屋面竖向活荷载的不布置，而是按满布考虑进行计算的。

这是由于其一，在高层建筑中各种活荷载占总竖向荷载的比例很小，尤其对于住宅、旅馆和办公楼等，荷载一般在~平方米范围内，只占全部竖向荷载的10%~20%，因活荷载不同的布置方式对结构内力产生的影响很小；其二，高层建筑结构是个复杂的空间结构体系，层数与跨数多，不利分布的情况复杂多样，计算工作量极大且计算费用上不经济，因此，为简化起见，在实际工程设计中，可以不考虑活荷载不利分布，按满而方式布置作内力计算后再将框架梁的跨中高弯矩乘以~的放大系数。

但是当楼面活荷载大于每平方米时（如储藏室、书库或其他有很重荷载的结构中）各截面内力计算时仍须考虑活荷载的布置，按不利荷载计算结构在竖向荷载作用下的内力[1]。

对目前国内广泛采用的钢筋混凝土高层建筑结构，竖向荷载的统计平均值为15KN每平方米。

其中框架和框架剪力干墙结构大约在12~14KN每平方米，剪力墙和筒体结构大约为14~16KN每平方米。

这些经验数据，可以作为在方案设计阶段估算地基承载力、估算结构底部剪力和初步结构截面的依据。

2.风荷载、地震作用

空气的流动受到建筑物的阻碍，会在建筑物表面形成压力或吸力，这些压力或吸力即为建筑物所受的风荷载。

一般说来，建筑结构所受风荷载的大小与建筑地点的地貌、离地面或海平面高度、风的性质、风速、风向以及高层建筑结构自振特性、体型、平面尺寸、表面状况等因素有关。

地震作用是指地震波从震源通过基岩传播的地面运动，使处于静止的建筑物受到动力作用而产生的振动。

地震作用的大小与地震波的特性有关，还与场地土质及房屋本身的动力特性有很大关系。

通常用地震震级和地震烈度来表示地震作用对建筑物的影响。

震级是地震的级别，说明某次地震本身产生的能量大小。

地震烈度是指某一地区地面及建筑物受到一次地震影响的强烈程度。

对应于一次地震，震级只有一个。

然而各地区由于距震中的距离不同，地震对建筑物的影响也不同。

中心区影响大，离震中越远，影响越小。

进行抗震设计时应考虑该地区的基本烈度和抗震设防烈度的要求，采用不同的处理方式。

基本烈度是指某一地区今后一定时期内，在一般场地条件下可能遭受的最大烈度，由国家有关部门确定。

设防烈度一般按基本烈度采用，对于重要的建筑物，应向国家规定的审批单位报批，其设防烈度可比基本烈度提高一度采用[2]。

地震作用的计算方法，地震作用的计算方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法和里程分析法等。

JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》建议，高层建筑结构应根据不同的情况，分别采用下列方法计算结构的地震作用：

（1）高层建筑结构宜采用振型分解反应谱法。

对质量和刚度不对称、不均匀的结构以及高度超过100M的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

（2）高度不超过40M、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分而比较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法。

（3）7~9度抗震设防的高层建筑，下列情况下应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

3.温度和其他作用

在建筑结构的服役期内，使结构可能产生内力的因素还有温差、材料收缩、不均匀沉降等。

根据不同的因素在设计时可以采用不同的方式避免这些因素的影响。

实际工程设计中一般不须计算由温度、收缩产生的结构内力。

因为这些内力的理论计算比较困难，而且的分布、收缩系数等参数都难以确定，且通常使用的混凝土材料又不完全是弹性材料，理论计算的结果与实际情况有较大出入，往往难以作为设计的依据。

工程上，对于处理楼板在温度作用下产生的应力有两设计思路，即“抗与放”。

楼板变形如果是完全自由地达到最大值，则内应力为零，不可能产生裂缝，这就是“放”的原则；如果变形受到约束，在完全约束下应力达到最大值，而变形为零，这就是“抗”的原则。

实际工程中，一般是处于完全约束与完全自由状态的中间过程，即弹性约束状态。

大量的经验及分析说明，建筑物的温差作用可以忽略不计；9~30层的建筑物，只要设计、施工及材料等方面综合技术措施适当，内力计算时，温差影响可忽略；对30层以上的超高层建筑，必须考虑温度的影响。

在高层建筑中，减少温差影响的综合技术措施主要有：

（1）采取合理的平面和产面设计，避免截面的突变。

（2）合理选择结构形式，降低结构约束程度，从而减小约束应力。

（3）合理布置分布钢筋，重视构造钢筋的作用，加强构造配筋。

（4）在顶层、屋顶、山墙及纵墙两端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率。

（5）优选有利于抗拉性能的混凝土级配，减少坍落度，对于超长结构采用后浇带方法施工或将结构划分为长度较短的区段施工[3]。

4.高层建筑结构的受力特点和工作特点

高层建筑的平面开关多变，立体体型各种各样而且结构形式和结构体系各不相同。

对这样复杂的空间结构体系进行内力计算和位移分析时，应考虑结构的受力和工作特点进行计算模型的简化，这样才能比较科学地确定其计算简图和受力体系。

结构设计时，应考虑高层建筑结构的整体工作性能

高层建筑结构由两部分组成，一部分为由框架、剪力墙和筒体等组成的竖向抗侧力结构，另一部分为将这些竖向抗侧力结构连接成整体的楼板。

在低层建筑结构设计中通常将整个结构划分为若干夹击抗侧力结构，按受荷面积分配，逐片对平面结构独立进行分析。

而在高层建筑结构中，在外荷载作用下楼层的总水平力不是简单地按荷载面积分配到各框架、各剪力墙的。

由于各抗侧力结构的刚度、形式不同，变形特征也不一样，如果按荷载面积、间距分配，会使刚度大、起主要作用的结构分配的水平力过小，偏于不安全，因此应考虑高层建筑结构的整体工作性能[4]。

在高层建筑结构设计中，楼板在自身平面内的刚度很大，几乎不产生变形，当结构布置对称，不考虑扭转影响时，同层各构件水平位移相同。

剪力墙结构中各片墙的水平力大致按其等效刚度L分配；框架结构的水平力大致按抗侧移刚度D分配；框架-剪力墙和筒体结构则受力较为复杂，要进行专门的计算。

如果结构平面不规则、不对称、较复杂，抗侧力结构斜向布置，则应确定主轴方向，并且要扭转的影响，则计算更为复杂。

无论采用哪种计算方式，都要考虑高层建筑结构的整体协同工作能力，只有这样才可能得到较为准确、可靠的计算结果。

水平作用对高层建筑结构的影响占主导地位

高层建筑结构设计的另一个特点是水平作用对高层建筑结构的影响占有主导地位，并且轴向变形和剪切变形的影响不可忽视。

在低层结构设计中，通常只考虑由弯曲变形产生的侧移，而轴力和剪力产生的结构变形一般可以忽略，但是在高层建筑结构设计中，则于其层数多、高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显着，轴向变形会使计算结果产生显着的偏差。

具体到构件：

梁的变形要考虑弯曲、剪切、扭转变形，必要时考虑轴向变形；柱、墙的变形要考虑弯曲、剪切、轴向，扭转变形。

高层建筑结构具有刚度大、延性差、易损的特点

高层建筑的刚度很大，为了保证它有良好的延性，在进行抗震设计时，采取一些基本措施来实现，如在框架结构设计中，有强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强锚固等措施。

设计时在有些情况下需要进行结构薄弱层的验算。

5.高层建筑结构的结构体系和结构布置

高层建筑的初步设计阶段选择结构体系时，应在综合考虑使用要求、建筑美观、结构合理及便于施工等各种因素后确定。

高层建筑不应采用严重不规则的结构体系；宜采用规则结构；应使结构具有必要承载能力、刚度和变形能力；应避免因部分结构件的破坏而导致整个结构更新丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力。

无论采用何种结构体系，结构的水平和竖向布置宜具有合理的刚度和承载力分布；避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；对可能出现的薄弱部位应采取有效措施予以加强；宜设置多道防线。

高层建筑结构体系布置

1、框架结构体系。

框架结构的特点是梁、柱承受荷载，墙为非承重构件，只起分隔作用，因此框架结构平面布置灵活，可以根据需要分隔成小房间颧者改成大房间。

一般用于会议室、餐厅、车间、教室及住宅等。

框架结构在水平力作用下的受力变形是由梁、柱的弯曲变形呈现的剪切型变形和柱子的轴向变形呈现的弯曲型变形组成的。

随着建筑高度加大，弯曲型变形比例逐渐变大，但仍以剪切型变为主。

由于框架结构的梁、信承受竖向荷载和水平荷载作用，其抗侧刚度取决于梁、柱的截面尺寸，而梁、柱截面尺寸不能太大，因此框架结构的侧向刚度较小，仅适用于房屋高度不大、层数不多的结构。

在一般的抗震设计中，框架结构最大高度不宜超过60M，在9度抗震设防时不宜超过25M。

2、剪力墙结构体系。

在剪力墙结构体系中，剪力墙或沿横向、纵向正交布置或沿多轴线斜交布置，同时墙体也作为维护及房间分隔构件。

剪力墙结构缺点是墙体多，平面布置不灵活，结构自重大，不容易布置面积较大的房间。

在一般的抗震设计中，剪力墙结构最大高度不宜超过140M，在9度抗震设防时不宜超过60M。

3、框支剪力墙结构体系。

框支剪力墙结构体系由于框架和剪力墙交界处形成刚度突变，在地震作用下框架部分会产生很大的内力和变形，因此在地震区不允许采用完全的框支剪力墙结构。

它一般适用于底层需要布置大面积公用房间（入门厅、餐厅、会议室等）而上层为住宅的建筑结构。

在实际工程应用中，需要一些措施加强框支力墙结构体系的抗震性能，如将落地剪力墙尽量布置在两端或中间，使纵、横两个方向的墙体成筒状；加大底层刚度，加强交界处的整体性和刚性以减少结构上、下刚度的差别等。

在一般的抗震设计中，框支剪力墙结构最大高度不宜超过120M，在9度抗震设防时不应采用此类结构[5]。

4、框架——剪力墙结构体系。

框架——剪力墙结构结合了框架和剪力墙的优点，既具有框架结构布置灵活、具有大空间、使用方便的特点，又有较大的抗侧刚度和较强的承载能力和抗震性能，因而广泛地应用于高层建筑，如办公楼、写字楼、公共建筑等。

在这种结构体系中，框架和剪力墙共同受力，剪力墙承