浅析高层建筑结构协同工作与设计方法

　　摘要：本文围绕高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点以及提出了高层建筑结构分析和各种体系相对应的分析方法。为实际高层建筑结构分析与设计提供一定的参考。
　　关键词：高层建筑，结构，设计，协同工作
　　1．协同工作与结构体系
　　协同工作的概念广泛存在于设计中，我们均不希望建筑在未达设计寿命时，由于某些构件出现破坏而导致整个建筑功能受到影响甚至破坏。协同工作的概念是要求结构内部各构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件能共同受力，还要求能相互配合共同达到最大承载能力，并且都有良好的耐久性。
　　协同工作体现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机整体，不能把两者分开处理。如砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连成整体，而不能单纯依靠基础刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，必须围绕这个中心。
　　协同工作还在于当结构受力时，结构中各构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽量避免短柱。其目的是使同层各柱在相同水平位移时，能同时达到最大承载能力。但随着建筑物高度不断增大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑底部数层出现大量短柱。为了避免这种现象，对大截面柱，可以通过提高混凝土标号、采用HRB400纵筋、增加芯柱等来控制轴压比，以减小柱截面避免短柱的出现。这样就使同层抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大水平承载力。
　　对于梁的跨高比，长、短梁在同一榀框架中并存，也是不利的。短跨梁在水平力作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至梁端正弯矩钢筋会出现超筋现象。同时梁剪力增大，使柱的轴力增大，这是不符合协同工作原理的。
　　多高层结构设计目的还要能抵抗水平力作用，防止扭转。为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，保证这两个方向上惯性矩相等，防止一个方向刚度过大，另一方向较弱，因此，抗侧力构件（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体抗侧刚度及抗扭惯性矩，并加大梁或楼层的刚度，使柱或剪力墙能承担较大的整体弯矩。在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，中柱剪力较小，破坏由外向里。为防止结构扭转，抗侧力构件应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。
　　因此，高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用很大；在水平力作用下，角柱轴力变化幅度很大，这样就势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱等。
　　在高层建筑结构设计中，柱轴压比的限值是结构师经常面临的实际问题，随着建筑高度增加，结构下部柱截面增大，而柱纵向钢筋却为构造配筋，即使用高强混凝土柱截面也不会明显降低。实际上，柱的轴压比大小，反映柱的塑性变形能力，而柱变形能力影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的弯曲变形能力主要取决于截面相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度取决于轴压比、配筋等，混凝土极限变形能力取决于箍筋的约束程度。为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍有同样的意义。
　　2、高层建筑结构设计特点
　　（1）水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
　　（2）轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
　　（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
　　（4）结构延性是重要设计指标。高层结构在水平力作用下的变形大，为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
　　3、高层建筑的结构体系
　　（1）框架－剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置剪力墙来代替部分框架，便形成了框架－剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架－剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架－剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
　　（2）剪力墙体系。当受力主体结构全部由剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的竖向荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架－剪力墙体系。
　　（3）筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体－框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有较大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。
　　4．高层建筑结构静力分析方法
　　（1）框架－剪力墙结构
　　框架－剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。
　　框架－剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
　　（2）剪力墙结构
　　剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。
　　剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
　　（3）筒体结构
　　筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。
　　等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。
　　等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。
　　比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc+7Nw（Nc、Nw为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3（Nc+Nw）＋4，这是目前工程上采用最多的计算模型。
　　5、结论
　　随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。
　　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,高层建筑与智能建筑国际学术研讨会,2002.
　　[2]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,高层建筑与智能建筑国际学术研讨会,2002