如何分析高层建筑结构？ 结构,剖析,要领

1 高层建筑结构剖析的基本假定
　　高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接组成的大型空间结构体系。要完全精确地凭据三维空间结构进行剖析是十分困难的。种种实用的剖析要领都需要对计算模型引入差别水平的简化。下面是多见的一些基本假定： 
　　（1） 弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构剖析要领均接纳弹性的计算要领。在笔直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性劳动阶段，这一假定基本相符结构的实际劳动状况。但是在遭受地动或强台风作用时，高层建筑结构往往会孕育产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性劳动阶段。此时仍按弹性要领计算内力和位移时不克反应结构的真实劳动状态的，应按弹塑性动力剖析要领进行设计。 
　　（2） 小变形假定。小变形假定也是种种要领普遍接纳的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P－Δ效应）进行了一些研究。一般认为，当极点水平位移Δ与建筑物高度H的比值 Δ/H > 1/500时， P－Δ效应的影响就不克忽视了。 
　　（3） 刚性楼板假定。许多高层建筑结构的剖析要领均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算要领。并为接纳空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系接纳这一假定是完全可以的。但是，对付竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调解来考虑这种影响。 
　　（4） 计算图形的假定。高层建筑结构体系整体剖析接纳的计算图形有三种：（1）一维协同剖析。按一维协同剖析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度偏向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力偏向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。凭据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则凭据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同剖析是种种手算要领接纳最多的计算图形。（2）二维协同剖析。二维协同剖析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两偏向的抗侧力构件配合劳动，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u，v，θ（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同剖析主要为中小微型计算机上的杆系结构剖析步骤所接纳。（3）三维空间剖析。二维协同剖析并没有考虑抗侧力构件的大众节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），并且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间劳动性能的筒体结构也是不当当的。三维空间剖析的普通杆单位每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论剖析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。 
　　2高层建筑结构静力剖析要领 
　　（1） 框架－剪力墙结构
　　框架－剪力墙结构内力与位移计算的要领很多，多数接纳连梁连续化假定。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。由于接纳的未知量和考虑因素的差别，种种要领解答的具体形式亦不相同。 
　　框架－剪力墙的机算要领，通常是将结构转化为等效壁式框架，接纳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差别可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等种种类型。差别类型的剪力墙，其截面应力漫衍也差别，计算内力与位移时需接纳相应的计算要领。 
　　剪力墙结构的机算要领是平面有限单位法。此法较为精确，并且对种种剪力墙都能适用。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漫衍纷乱的情况。 
　　（3） 筒体结构 
　　筒体结构的剖析要领凭据对计算模型处理手法的差别可分为三类：等效连续化要领、等效离散化要领和三维空间剖析。 
　　等效连续化要领是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何漫衍上的连续化，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，以便应用剖析弹性薄板的种种有效要领。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、有限单位法、有限条法等。 
　　等效离散化要领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要领来剖析。这一类要领包括核心筒的框架剖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、核心筒的框架剖析法、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剖析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。这种要领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接纳符拉索夫薄壁杆件理论剖析，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。三维空间剖析精度较高，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，这是目前工程上接纳最多的计算模型。