高层建筑结构分析与设计特点
高层建筑结构分析与设计特点
谢磊1葛海娇2
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摘要：建筑物的质量直接影响到国家和人民的生命财产安全。在建筑物中，高层建筑物所要承受的外力更多，工程的要求也更为严密。高层建筑所要承受的水平和垂直荷载作用都将大于底层建筑。并且，随着建筑物的高度逐渐增加，水平和垂直荷载作用对建筑产生的效应也随之产生变化。在一个高层建筑当中，水平荷载产生的剪力和弯矩会迅速加大，甚至对整个设计控制都起到关键性的作用。因此，为确保高层建筑结构科学，设计合理。我们就必须了解高层建筑的结构，并且明确高层建筑的设计特点。
关键词：高层建筑结构设计特点
引言：高层建筑关系到更多人民的生命财产安全，而且建筑的结构更为复杂，设计要求更高。所以，为进一步确保国家、人民生命财产安全，就需要我们对高层建筑有更深入的了解。了解它的建筑结构，明确它的设计特点。这样才能在对建筑充分了解的前提下，有准备的进行建筑建设。
一、高层建筑结构分析
普遍来说，高层建筑结构较低层建筑更为复杂，涉及到的外力作用、外界影响也更多。因此，对于高层建筑的结构分析对于顺利建造高层建筑来说是十分必要的。
1、高层建筑结构静力分析方法
（1）筒体结构
根据通过计算模型的处理手法的不同，筒体结构可分为以下三类：等效离散化方法、和三维空间分析以及等效连续化方法。
等效离散化方法是把那些连续的墙体离散成为等效的离散杆件，以便可以应用适合于杆系结构的方法进行结构分析。这类方法主要包含平面框架子结构法、核心筒的框架分析法等方式。分析的具体应用知识涉及到核心筒的框、展开平面框架法、等代角柱法架分析法、平面框架子结构法这几种主要分析方法。
三维空间结构分析方法，是这三种分析方法当中最为精确的计算模型。它是完全用来分析筒体结构体系的。其中空间杆—薄壁杆系矩阵位移法的应用最为广泛。这种方法可以将高层建筑的结构具体化为空间柱元、空间梁元以及薄壁柱元组共同构成的组合体系。这也是目前工程上使用的最多的计算模型方式。
等效连续化方法是将建筑结构中的离散杆件进行一种等效连续化处理。等效连续化法的一种途径是对建筑结构中离散杆件的分析只做到几何分布上的连续化就可以了，这样的分析方式对于对建筑内力的连续描述提供了便捷。而另一种则是对建筑结构不仅做几何上的处理，还要作物理上的连续处理。这样就可以将离散杆件有效的转换成等效的、可以进行分析的正交异性弹性薄板,这就为使用分析弹性薄板的各类有效的途径提供了方便。具体的分析弹性薄板的方法主要有能量法、连续化微分方程解法、框筒近似解法、有限单元法、有限条法、拟壳法
等。
（2）框架—剪力墙结构
框架—剪力墙结构大多数都采用连梁连续化假定。根据框架水平位移与剪力墙或转角相等的位移协调条件以及外荷载之间的相关关系的微分方程进行求解。由于考虑因素和未知量的因素不同，解答方式、解答具体形式都不相同。框架—剪力墙的计算方式往往是将结构转化为等效壁式框架，利用杆系结构矩阵位移法进行求解。剪力开洞情况将直接影响到剪力墙的变形状态与受力特性。小开口整体墙、单肢墙、特殊开洞墙、框支墙、联肢墙是单片剪力墙按受力特性不同进行的分类。类型不同的剪力墙的截面应力分布也有所不同，计算位移、内力的时候要采用与之相适应的计算方法。平面有限单元法是剪力墙结构最常用也最有效的计算方法。
2、高层建筑结构分析
高层建筑结构要彻底进行三维空间结构分析是很困难的。这是由于高层建筑主要就是由各种部件构成的大型的空间结构体系。因此，要想用更加实用实际的方式进行分析就必须对计算的模型引入更加直观的信息进行简化。让分析具有可操作性。
（1）弹性假定
弹性假定是目前适用范围最广、最具有实用价值的计算方法。高层建筑结构通常在弹性工作阶段会受到一般风力的作用力和垂直荷载的作用力。而这种假定的方式恰好可以基本符合结构的实际工作状况。在遭遇强烈地质方面的变动时，高层建筑物就会产生较大的位移。这时工程就进入了弹塑性工作阶段。这时就应使用弹塑性，动力分析方法，对建筑物进行设计。
（2）刚性楼板假定。
大多高层建筑物在建筑结构分析的过程中都忽略了平面外的刚度。这也就很大程度上减少了建筑结构发生位移的自由度，计算方法更加简化。而且为采用空间薄壁杆件理论这一原理进行结构分析提供了条件。但是要注意的是，对于那些竖向刚度突变、楼板刚度不高的建筑。可以将这些建筑的楼层的不同剪力进行适当调整。
（3）小变形假定。
对于也是普遍适用于各种方法的基本假定来说，小变形假定的作用也是非常大的。很多人对几何非线性问题(P-Δ效应)进行探讨和研究。大多都认为当点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时,P-Δ的效用就必须得到重视。
（4）计算图形的假定
这是高层建筑结构整体分析常用的分析方法。计算的图形一共有三种类型，即：一维协同分析、二维协同分析、三维空间分析。一维协同分析考虑的范围较小，大致只是考虑到各抗侧力构件在一个位移的自有度方向的变形协调。但是，一维协同分析是在各种计算方法中采用最广泛的计算图形。二维协同分析与之不同的是，虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但是也考虑到了与之同层的楼板上的各榀抗侧力构件，在楼面内的变形协调。三维空间分析的普通的杆单元的每一个节点都有6个自由度。依照“拉索夫薄壁杆理论”分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度，
二、高层建筑的设计特点
由于高层建筑物建造过程及使用过程中受到的影响因素，与其它普通建筑物
或者低层建筑物受到的影响程度和影响因素不同，所以，对于高层建筑的设计必须掌握高层建筑物的设计特点，有针对性的，科学的制定建筑设计方案。
一方面，对具有一定的高度的建筑物来说，竖向荷载基本上是一个定值。然而地震和风荷载的作用数值是随着结构自身的动力特性的不同产生不同幅度的变化。其次，纵向的变形是不能忽视的，必须得到重视。因为在高层建筑物当中，建筑物的竖向荷载的数值非常大。较大的竖向荷载数值会在柱中引起较大的轴向变形。也就会间接造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小。再次，高楼的结构更柔和会让高楼结构在地震的作用下发生更大的变形。为了让建筑物可以具有较强的变形能力，避免建筑物发生倒塌，就需要在结构上采取恰当的方式，来确保建筑结构可以具有足够的变形能力。
由此可以看出，我们必须依照高层建筑物自身的特点有针对性的进行建筑设计。只有这样才可以确保工程可以在正确的指引下逐渐完成，并且可以从最基本的方面提高建筑质量。
三、结语
高层建筑物在建筑过程中遇到的问题较普通建筑更为错综复杂。因此，我们必须依据建筑过程中出现的具体问题进行具体分析，依照需求制定策略。由于高层建筑物具有更高的建筑要求和更大的生产生活价值。所以，我们更要尽可能的确保建筑的质量，和建筑的科学性。详细了解高层建筑结构的结构体系和高层建筑设计的设计特点的是建筑进行前的必要准备条件。因此，在建筑各方面的因素都日趋多元的情况下，革新高层建筑建筑技术、制定更加科学的设计方案，将是我们所必要的努力方向。
参考文献：
[1]梅洪元、付本臣：《中国高层建筑创作理论发展研究》.
[2]德虎：《建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题》.《建筑结构》.1999(4)
[3]马宝芹、臧建《论高层建筑结构分析与设计特点》.《科技向导》.2011.6
[4]]覃力：《高层建筑设计的一种倾向———大规模高层建筑的集群化和城市化》
高层建筑结构分析与设计特点
作者：谢磊， 葛海娇
作者单位：谢磊(杭州网脉通信科技有限公司)， 葛海娇(宁波华讯通信服务有限公司)
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2011(20)
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